【计算机网络】数据链路层

第三章 数据链路层

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1 链路层的信道类型

一对一:点对点通信

和ISP服务提供

一对多:广播通信

2 链路层要解决的问题(功能)

链路层的作用是:将有噪声线路变为无传输差错的通信线路,为了达到这个目的,将数据分装成帧,并且提供流量控制

数据链路的管理包括数据链路的建立、维持和链路的释放。

在数据链路层中,帧是用于描述PDU的单位。(PDU是Protocol Data Unit的简写,中文翻译为协议数据单元,是分层网络结构中对等层次之间传递的数据单位)

  • 封装成帧

    在一段数据的前后部分添加首部尾部,构成一个帧。首部和尾部的作用:帧定界(确定帧的界限,当帧为ASCII码组成的文本时,可以使用八位二进制数作为帧定界符:SOH、EOT。

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    其中最大传送单元MTU通常为1500B。

  • 透明传输

    上层不需要考虑下层的实现机理,无论什么SDU均可传输。(SDU服务数据单元:为完成用户所要求的功能而应传送到的数据)

    当输入非ASCII码的文本文件时,用字符/字节填充法解决透明传输问题:当发现数据部分存在控制信息时,在之前插入转义字符

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  • 差错检测

    概括来说,传输中的差错都是由于噪声引起的。

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记忆小tips:密封,透气性差。

  1. 两种出错方式

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差错检测过程:

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例题:

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最终发送的数据:要发送的数据+FCS帧检验序列。

计算冗余码:

  1. 加0。假设生成多项式G(x)的阶为r,则加r个0。

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    具体位数需要根据多项式来看,一般FCS=N,生成多项式为N+1,例如本题多项式为5,则FCS阶为5-1=4。

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    故加0位数=5-1=4。

  2. 模2除法。数据加0后为:1101 0110 11 0000,除以多项式:

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故FCS=1110。所以最终发送数据为:1101 0110 11 1110

3 数据链路层的重要协议

PPP协议和HDLC协议是目前应用最常用的广域网中的链路层协议。

3.1 点对点协议PPP

目前使用最广泛的数据链路层协议,用户使用拨号电话接入因特网一般都使用PPP。(用户计算机和ISP进行通信时所使用的协议)

  1. PPP协议实现透明传输的方法(传输面向字节,所有帧以字节为单位)
    • 异步传输:面向字符:字节填充法(ESC)
    • 同步传输:面向比特:零比特填充法(5110遇到5个1后填0)

3.2 HDLC协议

面向比特的高级链路控制规程,而PPP主要是面向字符。

三种帧:信息帧、监督帧、无编号帧。

3.3 广播信道协议

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  1. CSMA/CD协议(802.3协议)冲突检测的载波监听多路访问技术:随机接入。争用带宽。在使用CSMA/CD协议时不肯能同时发送和接受,所以不可能进行 全双工通信,只能进行 半双工通信。

  2. 典型速率:100Mbit/s

  3. 解决信道争用:

    对于CSMA/CD,为了确保站点在传输中检测到可能存在的冲突,数据帧的传输时延至少等于信号传播时延的两倍

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    **例题:**请简述IEEE802.3以太网采用的介质访问控制协议的工作原理?

    答:按照流程图工作原理。

    例题:CSMA/CD协议的全称?

    答:载波监听 多点接入/碰撞检测(冲突检测),冲突后用截断二进制指数退避算法

  4. 令牌传递协议:受控接入。轮询访问介质访问控制。

4 重要网络及链路层设备

4.1局域网

  1. 简称LAN,是指某一区域内由多台计算机互联成的计算机组,使用广播信道

    局域网的体系结构:物理层,LLC,MAC

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  1. 局域网特点

特点1:覆盖的地理范围小,只在一个相对独立的局部范围内联。

特点2:使用专门的传输介质(双绞线、同轴电缆)进行联网,数据传输速率高。

IEEE委员会:802:LAN/MAN;802.11:无线局域网;802.3有线局域网中的以太网。

特点3:通信延迟时间短,误码率较低,可靠性高。

特点4:具有广播功能,能从一个站点方便的访问全网。

  1. 局域网的数据链路层

    将局域网的数据链路层拆成两个子层,

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媒体接入控制MAC子层:与接入到传输媒体有关。

  1. 构建局域网的要素

    速率,时延,拓扑,网间连接设备,价格等。

  2. WLAN:无限局域网,IEEE802.11,使用星型拓扑,拓扑中的AP是接入点。

4.2以太网(Ethernet)

由三家公司联合开发的基带总线局域网规范,是现有局域网采用的最通用的通信协议标准,以太网使用CSMA/CD技术。

10BASE-T标准,10Mbps,BASE表示基带传输,T表示双绞线。

计算机怎么连到局域网/以太网的?

答:靠适配器(网络接口卡/网卡)。网卡的功能覆盖了物理层、MAC子层等。

  1. MAC地址/网卡地址: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(IEEE规定),后24位厂家自己指定。

常用6个十六进制数表示:

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  1. MAC帧:包含单播帧、广播帧、多播帧。

    有效的MAC帧长度为64 ~ 1518字节之间

单播帧:目的MAC地址只发给单独设备。

广播帧:目的MAC地址不专一,是一个广播地址。FF-FF-FF-FF-FF-FF

多播帧:目的MAC地址发给固定的 一组主机。

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48位对应6个字节,每个字节8位二进制。

4.2.1 高速以太网

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吉比特以太网在半双工下工作时使用CSMA/CD协议,全双工时则不使用,10吉比特只工作在全双工。

4.3 链路层设备

物理层设备的作用:需要中继器或者集线器来延长信号传输距离,扩大网络范围。

链路层设备的作用:扩展以太网的覆盖范围。

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  1. 网桥

透明网桥:自学习方法,即插即用。

原理:自学习和转发帧。

自学习:当接受到帧之后先进性自学习,查找转发表中是否有与收到帧的源地址相匹配的,如何没有则在转发表中加入一个,如果有则自动更新。

转发帧:查找转发表中是否有与源地址相匹配的,没有的话则通过其他所有接口进行转发,如果有则按照接口转发,注意如果转发接口与进入接口相同,则丢弃这个帧。

源路由:事先发现一个比较好的方式。

网桥的好处:过滤通信量,扩大吞吐量。扩大了物理范围,可互联不同物理层,MAC层和不同速率以太网。

  1. 交换机

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例题:

  1. 例题1

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以太网交换机可以隔离冲突域,所以以太网交换机有四个接口,冲突域就有四个。判断有几个广播域,需要再看路由器。

  1. 例题2

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MAC地址有48位,其中当按六进制来看,应该是前三位和后三位,物理层设备没有MAC地址。

  1. 例题3

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  2. 例题4

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D无法比较,广域网是由多个局域网构成的。

  1. 例题5

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局域网和广域网的互联是通过路由器,而局域网内部互联通过交换机或网桥

  1. 当某站检测到媒体空闲后开始发送MAC帧,为什么还需要边发送边检测是否有冲突?最短帧长如何确定?

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  1. 例题4

    [外链图片转存中…(img-scVW5Tda-1676382105598)]

D无法比较,广域网是由多个局域网构成的。

  1. 例题5

    [外链图片转存中…(img-D7kdXsoN-1676382105599)]

局域网和广域网的互联是通过路由器,而局域网内部互联通过交换机或网桥

  1. 当某站检测到媒体空闲后开始发送MAC帧,为什么还需要边发送边检测是否有冲突?最短帧长如何确定?

    在检测到信道为空闲时发送数据,并不能保证不会出现碰撞。因为电磁波以有限速率在总线中传播。最短帧长:主机发送的数据帧最短帧长=争用期长度×数据传输速率,如果短于争用期,则还没有检测到冲突已经发送数据了。

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