第4章：数据链路层

第4章：数据链路层

4.1 数据链路层的简单模型

4.2 数据链路层的三个基本问题

• 三个基本问题分别是：（1）封装成帧；（2）透明传输；（3）差错检测。

封装成帧

• 定义：在一段数据的前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。如下图：

• 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

• 上图中SOH是Start Of Header的缩写，实际内容是八个二进制位0000001；EOT是End Of Transmission的缩写，实际内容是八个二进制位00000100。

透明传输

• 定义：无论从键盘中输入什么样的字符都可以放在帧中传输过去。

• 即使帧中的数据部分含有数据SOH或者EOT，我们也将其看做正常的数据，而不是错误的开始或者结束。如下图：

• 解决该问题的办法：使用转义字符ESC，对应八个二进制位00011011。除了首尾，每个有特定含义的字符前都加上转移字符表示其就是正常的数据，如下图：

差错检测

• 定义：当帧内数据出现比特差错（0变成1，1变成0），表示数据帧出现了错误，应该抛弃。

• 数据链路层广泛使用CRC校验。

• 请注意，这里并没有要求数据链路层向网络层提供可靠传输的服务。所谓的可靠传输是指：数据链路层发送什么，在接收端就受到什么。

• 传输差错可分为两大类：

  （1）比特差错；

  （2）受到的帧并没有出现比特差错，但是出现了帧丢失、帧重复、帧失序。

• 对于通信质量良好的优先传输线路，数据链路层只需要确保可以判断出比特差错即可，不要求向上提供可靠传输的服务。

• 对于通信质量较差的无线传输线路，数据链路层需要使用帧编号、确认、重传机制，保证向上提供可靠传输的服务。

4.3 点对点协议（PPP）

• PPP是Point-to-Point Protocol的缩写。

• 用户计算机和ISP之间的使用的协议就是PPP协议。

• PPP协议要满足的需求：简单（首要要求）、封装成帧、透明性、多种网络层协议、多种类型链路、差错检测 、检测连接状态、最大传送单元、网络层地址协商、数据压缩协商。

• PPP不需要的功能：纠错、流量控制、序号。

• PPP协议的格式：

4.4 使用广播信道的数据链路层

• 下面主要讨论局域网，因为局域网使用的就是广播信道。

• 以太网在局域网市场中占据了绝对优势，可以认为以太网就是局域网的代名词。

• 局域网的拓扑结构（星形网中的集线器工作在物理层）：

网卡

• 又被称为适配器。早些年存在单独的网卡，但是现在一般都被继承在电脑中了，因此适配器这个名词更加准确。

• 适配器的作用：（1）进行串行/并行转换；（2）对数据进行缓存；（3）实现以太网协议。

CSMA/CD协议

• 这些使用在总线网上的一个协议。

• 如何在总线网上实现一对一的通信呢？一台主机在总线上发送一个消息，这个消息所有的主机都能收到，收到消息的主机根据消息中的目的MAC地址是否是自己决定是否保留该消息。因此不是发给自己的消息在数据链路层就被过滤掉了。

• CSMA/CD协议的全称为：Carrier Sense Multiple Access with Collision Decetion，汉语是：载波监听多点接入/碰撞检测。

  （1）载波监听：不管在发送前，还是在发送中，总线上的每个计算机必须不停地检测信道。

  （2）多点接入：就是指总线型局域网。

  （3）碰撞检测：也就是边发送边监听，当适配器检测到总线上的电压信号变化幅度超过一定的阈值时，认为总线上至少存在两个站同时发送数据，表明产生了碰撞，此时应该停止发送消息。

• 碰撞后何时进行重传呢？以太网使用截断二进制指数退避算法来确定碰撞重传的时机，这里不展开。

• 这里需要注意的一点是发生冲突后，基本等待时间（退避时间）为51.2 μs，这个时间被称为争用期时间，对于10Mb/s的以太网，发送512bit（64字节）需要的时间为51.2 μs。因此数据链路层中的最小帧长为64字节，最大帧长为：MTU（最大1500字节）+首尾长度。

以太网的MAC层

• 硬件地址又被称为物理地址或MAC地址。

• IEEE 802标准规定MAC地址字段是6字节或2字节这两种中的一种，但是由于6字节的地址字段可使全世界的局域网适配器都具有不同的地址，因此现在的局域网适配器实际上使用的都是6字节的MAC地址。

• 在windows操作系统的cmd窗口中输入命令：ipconfig -all就可以看到本机的MAC地址，如下图：

• 这里对应的帧被称为MAC帧，存在两种标准，使用的最多的是DIX Ethernet V2标准，只介绍这一种，该标准的帧格式如下：

• 根据上图可知IP数据报的有效长度在46到1500字节（Byte）之间。

4.5 扩展的局域网

4.5.1 在物理层扩展以太网

• 使用到的设备：集线器。

• 优点：（1）使得更多的计算机可以通信；（2）扩大了以太网的地理范围。

• 缺点：（1）假设原来三个独立的局域网的单独的吞吐量均为10Mb/s，则使用集线器连接之后总的吞吐量仍为10Mb/s；（2）带宽只能以较低的局域网为准。

• 此方式很少用。

4.5.2 在数据链路层扩展以太网

• 使用到的设备：网桥，以太网交换机。

• 网桥可以对收到的帧根据其MAC帧的目的地址进行转发和过滤。

• 以太网交换机本质上就是一个多接口的网桥。目前在市场上最常见的就是交换机。

• 以太网交换机是一种即插即用的设备，其内部的帧交换表（地址表）是通过自学习算法逐渐建立起来的。

• 一台交换机上可以有不同速率的接口。

• 以太网交换机对收到的帧采用存储转发方式进行转发，但也有一些交换机采用直通的方式交换。

• 自学习算法：

• 优点：（1）减少了不必要的通信开销；（2）扩大了物理范围；（3）提高了可靠性；（4）可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。

4.6 无线局域网技术

• 略