【计算机网络】数据链路层

第三章 数据链路层

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和尾部，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。

  

  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。

  

• 差错检测

  概括来说，传输中的差错都是由于噪声引起的。

  

记忆小tips：密封，透气性差。

1. 两种出错方式

差错检测过程：

例题：

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。

   

   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。

   

   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：

   

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

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。

   

   **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

2. 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。

3. 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，

媒体接入控制MAC子层：与接入到传输媒体有关。

4. 构建局域网的要素

   速率，时延，拓扑，网间连接设备，价格等。

5. 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：

2. 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。

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

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。

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。

2. 交换机

例题：

1. 例题1

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。

2. 例题2

   

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。

3. 例题3

   

4. 例题4

   

D无法比较，广域网是由多个局域网构成的。

5. 例题5

   

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

6. 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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4. 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。

5. 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

6. 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。