计算机网络学习笔记-数据链路层

目录

概述

三个功能

封装成帧

 透明传输

差错检测

点对点协议PPP

三个组成部分

帧格式

透明传输

工作状态

使用广播信道的局域网

主要特点

共享通信技术方法

以太网

两个主要标准

高速以太网（速率 >= 100Mb/s）

MAC层

集线器

交换机

自学习和转发帧

生成树协议STP

虚拟局域网VLAN

实现机制

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概述

链路：从一个结点到相邻结点的一段物理线路，而中间没有任何其他结点

数据链路：把实现通信协议的硬件和软件加到链路

单位：帧

信道类型：点对点信道（一对一）、广播信道（一对多）

三个功能

封装成帧

指在一段数据的前后分别添加首部和尾部，就构成了一个帧。

帧头和帧尾作用：帧定界

        MTU（1500字节）：最大传送单元

 透明传输

指数据链路层对上层交付的传输数据无任何限制，就好像数据链路层根本不存在

实现方法：

1.字节/字符填充：若帧的数据部位出现帧定界控制字符，发送方在“SOH”或“EOT”前插入一个转义字符“ESC”（16进制编码：1B），接收方会自动删除插入的转义字符再发送到网络层

 ps：若数据中出现“ESC”，则在前面在添加一个转义字符“ESC”，接收方会就会删除其中一个的前面

2.比特填充：数据部分每5个连续的bit “1”后插入一个bit “0”

差错检测

比特差错：实际的通信链路都不是理想的，比特在传输过程中可能产生差错：1可能变成0，0可                能变成1

误码率（BER）：在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率

解决方法：

        奇偶校验：在待发送的数据后添加1位奇偶校验位，使整个数据中的“1”个数为奇数（奇校验）或为偶数（偶校验）

        循环冗余校验CRC：实现无比特差错

         ps：检错码无法纠正错误

FCS（帧检验序列）：在数据后面添加上的冗余码

点对点协议PPP

PPP是目前使用最广泛的点对点数据链路层协议，只支持全双工链路，向上不提供可靠传输

可靠传输：数据链路层的发送端发送什么，在接收端就接收什么

三个组成部分

1.将IP数据报封装到串行链路

2.链路控制协议LCP：用于建立、配置和测试数据链路连接

3.网络控制协议NCP：其中的每一个协议支持不同的网络层协议

帧格式

F（Flag） 标志字段：PPP的帧定界符，取值0x7E

A（Address） 地址字段：取值0xFF，预留（目前没有作用）

C（Control） 控制字段：取值0x03，预留（目前没有作用）

P（Prorocol） 协议字段：指明帧的数据部分送交哪个协议处理

        0x0021        帧的数据部分为IP数据报

        0xC021        帧的数据部分为LCP分组

        0x8021        帧的数据部分为NCP分组

        0xC023       帧的数据部分为鉴别数据

透明传输

同步：比特填充

异步：字符填充

        处理数据： 7E （PPP帧定界符）-> 7D 5E         7D（转义字符） -> 7D 5D

                若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变（例：0x03 -> 0x7D 0x23）

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工作状态

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建立连接过程：物理层连接->LCP链路层协商阶段->用户认证（鉴别）->IPCP网络层协议阶段->正常封装IP数据包阶段​​​​​​​

使用广播信道的局域网

主要特点

网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限

        ps：计算机通过适配器（网卡）和局域网进行通信

优点：1.具有广播功能        2.便于系统的扩展和逐渐演变，各设备可灵活调整和改变        3.提高了系统的可靠性、可用性、生存性

共享通信技术方法

1.静态划分信道：频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、波分复用（WDM）、码分复用（CDM）

2.动态媒体接入控制（多点接入）

（1）随机接入：CSMA/CD（载波监听多点接入/碰撞检测）         CSMA/CA（载波监听多点接入/碰撞避免）

CS：载波侦听/监听，每一个站在发送数据之前以及发送数据时都要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。

MA：多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

CD：碰撞检测（冲突检测），“边发送边监听”，适配器边发送数据边检测信道上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。

（2）受控接入

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以太网

两个主要标准

1.DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约

2.IEEE 802.3 是第一个 IEEE 的以太网标准

        ps：两个标准相差不大，因此将802.3简称为以太网

        IEEE802标准的两个子层：逻辑链路控制 LLC 子层、媒体接入控制 MAC 子层

高速以太网（速率 >= 100Mb/s）

1.100BASE-T以太网：在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。

2.吉比特以太网（半双工工作）：在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号。

3.10吉比特：在光纤上传送10Gb/s信号。

MAC层

MAC地址：每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家（由IEEE规定），后24位厂家自己指定。常用6 个十六进制数表示，如02-60-8c-e4-b1-21。

        ps：MAC地址固化在适配器（网卡）的ROM中        

        格式：

MAC帧

        分类：单播帧、广播帧、多播帧

        以太网V2的格式：

        

        IEEE802.3的格式：与以太网V2格式相似

         区别：IEEE 802.3 规定的 MAC 帧的第三个字段是“长度(<0x0600)/ 类型(>0x0600)”。字段是“长度”时数据字段必须装入上面的逻辑链路控制 LLC 子层的 LLC 帧

         ps：IEEE802.3标准规定MAC帧的有效长度为64～1518字节之间

集线器

1. 使用集线器的以太网拓扑结构是星形，在逻辑上是总线网，使用CSMA/CD协议
2. 工作在物理层，相当于一个多接口的中继器
3. 一般有少量的容错能力和网络管理能力
4. 扩大冲突域和广播域

交换机

1. 一般工作在全双工模式，无碰撞（不使用CSMA/CD协议）
2. 工作在数据链路层（包括物理层），实质上相当于一个多接口的网桥
3. 在帧交换表（通过自学习算法建立）中查找帧的目的MAC地址所对应的接口号
4. 帧的两种转发方式：存储转发、直通交换
5. 隔离冲突域，扩大广播域（VALN除外）

自学习和转发帧

步骤：

        

例：

                ​​​​​​​

 

        ps：开始时自学习表为空

具体观看视频：湖科大教书匠-计算机网络微课堂

3.9 以太网交换机自学习和转发帧的流程_哔哩哔哩_bilibili

生成树协议STP

利用生成树算法（选择一个交换机作为生成树的根，然后以最短路径为依据，找到树上的每个结点），在以太网络中，创建一个以某台交换机为根的生成树，避免环路。

作用：防止网桥网络中的冗余链路形成环路工作

        如：广播风暴（大量消耗网络资源，使得网络无法正常转发其他帧）、主机收到重复帧（大量消耗主机资源）、交换机的帧交换表震荡

ps：由IEEE 802.1D 标准制定

虚拟局域网VLAN

概念：是一种将局域网内的设备划分成与物理位置无关的逻辑组的技术，这些逻辑组具有某些共同的需求

作用：分离广播域

ps：路由器也可以分离广播域、冲突域，但成本过高

实现机制

插入4字节的 VLAN 标记得出的帧称为 802.1Q 帧/带标记的以太网帧

格式：

                ​

         802.1Q 帧由交换机处理，而不是用户主机处理。

        “打标签”：交换机收到普通的以太网帧时，会插入4字节的VALN标记变成802.1Q帧

        “去标签”：交换机转发802.1Q帧时，可能会删除4字节的VALN标记变回普通帧

接口类型：Access（通常与主机相连）、Trunk（通常与其他交换机相连）、Hybrid

缺省VLAN ID：1.在思科交换机上称为Native VLAN（本征VLAN）

                          2.在华为交换机上称为Port VLAN ID（端口VALN ID）简记：PVID