计算机网络原理之数据链路层

数据链路层

数据链路层的任务是在相邻两个节点的线路上无差错的传输以帧为单位的数据，每帧包括数据和必要的控制信息。

一、数据链路的通信类型

数据链路层属于计算机网络的底层，数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

• 点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式，协议数据单元----帧。
• 广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。

二、数据链路层的三个基本问题

2.1封装成帧

封装成帧（framing）就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧首部和尾部，帧定界（即确定帧的界限)。

例如：控制字符SOH（Start Of Header）放在一帧的最前面，表示帧的首部开始，另一个控制字符EOT（End Of Transmission）表示帧的结束。

SOH和EOT都是控制字符的名称。它们的十六进制编码分别是01（二进制是00000001）和04（00000100）。SOH和EOT并不是S、O 、H（或E、O、T）这三个字符。

2.2透明传输

• 即无论发送端以什么样的比特组合的数据，都能够按照原样没有差错的通过这个数据链路层。

数据链路层所说的“可靠传输”指的是发送端发送什么，接收端接收什么。

2.3差错检测

• 为了保证数据传输的可靠性，防止失效的数据帧，浪费网络资源。

在传输过程中可能会产生比特差错：1可能会变成0而0也可能变成1。
数据链路层常使用的差错改正方法是“循环冗余检测CRC”,保证在数据链路层所传输的数据没有比特差错。
注意：比特差错只是最基本的错误，还有传输差错：帧丢失、帧重复、帧失序。

三、局域网

• 为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

特点

• 提供广播功能，一个站点可以方便地访问全网。
• 便于系统的扩展和逐渐演变，各设备的位置可灵活的调整和改变。
• 提高了系统的可靠性、可用性和生存性。

四、适配器（网卡）作用

网络接口板又称为通信适配器（adapter）或网络接口卡NIC（Network Interface Card）或“网卡”。

计算机与外界局域网的连接时通过通信适配器（adapter）进行的。

适配器的功能：

• 适配器和局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的，而适配器和计算机之间的通信则是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行的。（所以要进行数据串行传输和并行传输的转换）
• 由于网络上的数据率和计算机总线上的数据率并不相同，因此在适配器中必须装有对数据进行缓存的存储芯片。
• 在主板上插入适配器时，还必须把管理该适配器的设备驱动程序安装在计算机的操作系统中。这个驱动程序以后就会告诉适配器，应当从存储器的什么位置上把多长的数据块发送到局域网，或者应当在存储器的什么位置上把局域网传送过来的数据块存储下来。
• 适配器还要能够实现以太网协议，主要是CSMA/CD（载波监听多路访问/碰撞检测）。

计算机的硬件地址就在适配器的ROM中，而计算机的软件地址----IP地址，则在计算机的存储器中。

五、CSMA/CD协议

CSMA/CD含义：载波监听多点接入/碰撞检测（Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection)

• “多点接入”：表示许多计算机一多点接入的方式连接在一根总线上。
• 载波监听：即就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机也在发送。

由于电磁波在总线上的传播速率是有限的，所以适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。

• A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。
• B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧 (因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。
• 碰撞的结果是两个帧都变得无用。

所以需要在发送期间进行碰撞检测，以检测冲突。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。

当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞，一旦发现总线上出现了碰撞，就要 立即停止发送，在继续发送若干比特的人为干扰信号（jamming signal），以便让所有的用户都知道现在已经发生了碰撞，免得继续浪费网络资源然后等待一段随机时间后再次发送。

使用CSMA/CD协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信），因为碰撞了帧就无效了。

六、以太网交换机

特点

• 像集线器一样，交换机提供了大量可供线缆连接的端口，可以采用星型拓扑布线。
• 像中继器，集线器和网桥一样，当它转发帧时，交换机会重新产生一个不失真的方形电信号。
• 像网桥一样，交换机每个端口上都使用相同的转发和过滤逻辑。
• 像网桥那样，交换机将局域网分为多个冲突域每个冲突域都有独立的宽带，因此大大提高了局域网的带宽。

总结：对帧进行缓存、硬件转发（快）、成本低、独占带宽。
功能
以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表（又称地址表）是通过自学习算法自动地建立起来的。

• 自学：以太网交换机学习每一个端口相连设备的MAC地址，并将地址通相应的端口映射起来存放在交换机缓存的地址表中。
• 转发过滤：
  • 如果数据帧的目的MAC地址在交换机的MAC地址表中有所映射时，则通过目的端口进行转发；
  • 如果该数据帧是广播/多播帧时，则转发所有的端口；
  • 如果交换机不知道该从那个端口转发帧，则转发除进入交换机的端口的其他接口（也称洪泛）；
  • 如果交换机知道不应该转发该帧，则丢弃。
• 消除回路：当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路产生，同时允许存在后背路径。