数据链路层

3.1、使用点对点信道的数据链路层

3.1.1、数据链路层的基础知识:

数据链路层是OSI参考模型第二层，上层是网络层。

1、数据链路层主要目的：将原始的、有差错的物理线路变成无差错的数据链路。

2、数据链路层主要功能：

⑴.链路管理：数据链路的建立、维护、释放；
⑵.帧同步：接收方应从收到的比特流中正确地判断出一帧的开始与结束位；
⑶.流量控制：控制发送方的数据发送速度，使得接收方来得及接收，以致网络不发生拥塞；
⑷.差错控制：发现传输中出现的错误；
⑸.透明传输：采取适当措施，使接收方不至于把数据误认为是控制信息；
⑹.寻址：收发双方应知道对方是谁；

3、数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

①.点对点信道：这种信道使用一对一的点对点通信方式。
②.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，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。

4、基本概念：链路和数据链路

⑴、链路è是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。

注意：一条链路只是一条通路的一个组成部分；

⑵、数据链路è除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。
若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路；
即：数据链路 = 链路 + 控制数据传输的通信协议。

①.现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件

②.一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

5、数据链路层协议传输的数据单位： 数据帧（ 简称“帧” ）；

注意：物理层传输的数据单元是“比特”、网络层传输的数据单元是“IP数据报” （简称：数据报、分组、包）；

6、实现数据链路层协议的最常用设备：网络适配器（即：网卡 或 网络接口卡）；

3.1.2、点对点信道数据链路层通信主要步骤：

⑴、发送方A数据链路层将网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧；

⑵、发送方A将封装好的帧发送给结点B的数据链路层；

⑶、接收方B收到的帧无错，则从帧中提取出IP数据报转交给网络层；若有错，则丢弃该帧

3.1.3、三个基本问题：封装成帧、透明传输、差错检测

1、封装成帧:在一段数据的前后分别添加首部和尾部，就构成了一个帧

⑴、帧的首部和尾部一个重要作用是进行帧定界；
⑵、帧首和帧尾还包括许多必要的控制信息；
⑶、为提高帧传输效率，应使帧的数据部分尽可能大；
⑷、每一种链路层协议都规定了数据部分长度上限:MTU；

帧长 = 帧首部长 + 数据部分长 + 帧尾部长

2、透明传输:当数据部分是非ASCⅡ文件时，若数据某字节恰好是SOH或EOT这种控制字符时，数据链路层就会错误地处理帧，这就是“不透明传输”，显然：如果数据部分某字节是SOH或EOT字符时也能正确传输，我们称之为透明传输。

3、差错检测:

⑴、差错产生的原因和差错类型：
当数据从信源出发经过通信信道时，由于通信信道存在着噪声，因此数据信号通过通信信道到达信宿时，接收到的信号必然是数据信号与信号电平的叠加。
接收方对叠加后的信号进行判断，以确定0、1值。如果判断错误，则会产生数据传输错误。

⑵、CRC循环冗余编码工作原理：

将要发送的数据比特序列当作一个多项式f(x)的系数，在发送端用收发双方预先约定的生成多项式G(x)去除，求出一个余数多项式。将余数多项式加到数据多项式后发送到接收端；

接收端用同样的G(x)去除收到的f1(x)，得到余数多项式。如果得到的余数多项式与接收到的余数多项式相同，表示传输无错。否则有错，发送方重传；

3.2、点对点协议PPP

说明：在通讯线路质量差的早期年代数据链路层使用可靠传输协议HDLC（高级链路控制协议），现在普遍使用简单的点对点协议PPP（不是可靠传输协议）。

3.2.1、PPP协议的特点：

1、PPP协议应满足的需求：

⑴、简单：只进行CRC检测，如帧正确，则接收，否则丢弃；
⑵、封装成帧：规定帧定界符等帧封装方法；
⑶、透明性：定义转义字符ESC利用字节填充技术实现透明传输；
⑷、支持多种网络层协议：如支持IP和IPX等；	
⑸、支持多种类型链路：串行的、并行的、同步的、异步的、低速的、高速的等等；
⑹、差错检测：能发现错误帧并立即丢弃；
⑺、连接状态检测：自动检测链路是否处于正常状态；
⑻、最大传输单元：数据部分最大长度MTU；
⑼、网络层地址协商：通过协商知道或配置彼此网络层地址；
⑽、数据压缩协商：协商使用何种数据压缩算法。

2、PPP协议不需要的功能：

⑴、纠错：只检错、不纠错；
⑵、流量控制：流量控制交给运输层TCP协议实现；
⑶、序号：不使用帧序号；
⑷、多点线路：不支持一个主站轮流和链路上多个从站通信；
⑸、半双工或单工链路：只支持全双工。

3、PPP协议组成：

⑴、一个将IP数据报封装到串行链路的方法；
⑵、一个链路控制协议LCP（Link Control Protocol）：用来建立、配置和测试数据链路连接，定义了11种类型的LCP分组；
⑶、一套网络控制协议NCP（Network Control Protocol）：一个NCP协议支持一种网络层协议。

3.2.2、PPP协议帧格式：

1、各字段含义：

⑴、第一个字节和最后一个字节是标志字段F，规定为7EH；
⑵、第二个字节是地址字段A，规定为FFH；
⑶、第三个字节是控制字段C，规定为03H（地址字段实际上并不起作用）；
⑷、协议字段2字节：当值为0021H时表示信息字段是IP数据报；值为C021H时，信息字段是PPP链路控制协议LCP的数据，若为8021H时为NCP控制数据；
⑸、信息字段最大长度不超过1500字节；
⑹、FCS字段使用CRC帧检验序列，2字节；

3.3、以太网的MAC层

1、MAC层的硬件地址：局域网中硬件地址又称物理地址或MAC地址。

现在局域网适配器都是用6B（48bit）的全球地址，固化在适配器的ROM中，这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是EUI-48。因此：

⑴、更换新的适配器，尽管计算机地理位置没有变，这台计算机在局域网中的硬件地址也就变了。
⑵、若计算机地理位置变了，只要适配器没变，则硬件地址不变。

注意：MAC地址的两种记法

一种是字节的高位在先（左），一种是字节的低位在先（左）。

IEEE802.3中MAC地址格式（低位在先）

所以：全球管理地址共有246个地址，超过70万亿个。

2、适配器检查 MAC 地址：

⑴、适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.

①.如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。
②.否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。

⑵、“发往本站的帧”包括以下三种帧：

①.单播(unicast)帧（一对一）：I/G位=0；
②.多播(multicast)帧（一对多）：I/G位=1；
③.广播(broadcast)帧（一对全体：48位MAC地址全1；

所有适配器都应至少识别单播帧和广播帧。

3、以太网的MAC帧格式

常用的以太网MAC帧格式有两种标准：

⑴、IEEE 的 802.3 标准；
⑵、DIX Ethernet V2 标准：最常用。

①.前同步码：用于同步，使接收端适配器与比特流达成同步，前7个字节为10交替码，第8个字节为1010101011；
②.目的MAC地址；
③.源MAC地址；
④.类型：高层使用何种协议，8137H表示novell ipx数据、0800H表示IP数据；
⑤. 客户数据字段：46~1500字节，不足46B需填充，填充操作由IP层完成。客户数据字段的最小长度 = 最小帧长度 64 字节 - 18 字节的首部和尾部
⑥.FCS：CRC检验；

IEEE 802.3的MAC帧格式与以太网V2 帧格式差别仅仅是：类型字段并不表示高层使用何种协议，而是表示客户数据字段的长度；

4、无效帧è以下帧为无效帧：

①.数据字段的长度与长度字段的值不一致；

②.帧的长度不是整数个字节；

③.用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；

④.数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间；

⑤.MAC 帧长度不在64 ~ 1518 字节之间；

⑥.对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃，以太网不负责重传丢弃的帧。