计算机网络（三）：数据链路层

参考引用

• 计算机网络微课堂-湖科大教书匠
• 计算机网络（第7版）-谢希仁

1. 数据链路层概述

1.1 数据链路层在网络体系结构中所处的地位

• 链路 (Link)
  • 就是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的交换结点
• 数据链路 (Data Link)
  • 是指把实现通信协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路
• 数据链路层以帧为单位传输和处理数据

1.2 数据链路层的三个重要问题

• 封装成帧
  • 封装成帧是指数据链路层给上层交付的协议数据单元添加帧头和帧尾使之成为帧
  • 帧头和帧尾中包含有重要的控制信息
  • 帧头和帧尾的作用之一就是帧定界
  • 透明传输是指数据链路层对上层交付的传输数据没有任何限制，就好像数据链路层不存在一样
    • 面向字节的物理链路使用字节填充 (或称字符填充) 的方法实现透明传输
    • 面向比特的物理链路使用比特填充的方法实现透明传输

• 差错检测
  • 根据帧尾中的检错码，检测帧中是否有误码
  • 实际的通信链路都不是理想的，比特在传输过程中可能会产生差错：1 可能会变成 0，而 0 也可能变成 1，这称为比特差错
  • 在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER(Bit Error Rate)

• 可靠传输
  • 尽管误码是不能完全避免的，但若能实现发送方发送什么接收方就能收到什么，就称为可靠传输
  • 数据链路层向上层提供的服务类型
    • 不可靠传输服务：仅仅丢弃有误码的帧，其他什么也不做
    • 可靠传输服务：想办法实现发送端发送什么，接收端就收到什么
  • 一般情况下，有线链路的误码率比较低，为了减小开销，并不要求数据链路层向上提供可靠传输服务。即使出现了误码，可靠传输的问题由其上层处理
  • 无线链路易受干扰，误码率比较高，因此要求数据链路层必须向上层提供可靠传输服务
  • 可靠传输服务并不仅局限于数据链路层，其他各层均可选择实现可靠传输
    

2. 点对点协议 PPP

• 点对点协议 PPP(Point-to-Point Protocol) 是目前使用最广泛的点对点数据链路层协议

• PPP 协议为在点对点链路传输各种协议数据报提供了一个标准方法，主要由以下三部分构成
  • 对各种协议数据报的封装方法 (封装成帧)
  • 链路控制协议 LCP：用于建立、配置以及测试数据链路的连接
  • 一套网络控制协议 NCPs：其中的每一个协议支持不同的网络层协议

2.1 帧格式

• 标志 (Flag) 字段：PPP 的定界符，取值为 0x7E
• 地址 (Address) 字段：取值为 0xFF，预留 (目前没有什么作用)
• 控制 (Control) 字段：取值为 0x03，预留 (目前没有什么作用)
• 协议 (Protocol) 字段：指明帧的数据部分送交哪个协议处理
• 帧检验序列 (Frame Check Sequence) 字段：CRC 计算出的校验位

2.2 工作状态

3. MAC 地址、IP 地址及 ARP 协议

• MAC 地址是以太网的 MAC 子层所使用的地址（位于数据链路层）
• IP 地址是 TCP/IP 体系结构网际层所使用的地址
• ARP 协议属于 TCP/IP 体系结构的网际层，其作用是已知设备所分配到的 IP 地址，使用 ARP 协议可以通过该 IP 地址获取到设备的 MAC 地址

3.1 MAC 地址

共享信道要着重考虑的一个问题就是：如何协调多个发送和接收站点对一个共享传输媒体的占用，即媒体接入控制 MAC (Media Access Control)

• 当多个主机连接在同一个广播信道上，要想实现两个主机之间的通信，则每个主机都必须有一个唯一的标识，即一个数据链路层地址

• 在每个主机发送的帧中必须携带标识发送主机和接收主机的地址。由于这类地址是用于媒体接入控制 MAC，因此这类地址被称为 MAC 地址

  • MAC 地址一般被固化在网卡 (网络适配器) 的电可擦可编程只读存储器 EEPROM 中，因此 MAC 地址也被称为硬件地址
  • MAC 地址有时也被称为物理地址。请注意：这并不意味着 MAC 地址属于网络体系结构中的物理层
    

• 一般情况下，用户主机会包含两个网络适配器：有线局域网适配器 (有线网卡) 和无线局域网适配器 (无线网卡)

  • 每个网络适配器都有一个全球唯一的 MAC 地址。而交换机和路由器往往拥有更多的网络接口，所以会拥有更多的 MAC 地址
  • 综上所述，严格来说，MAC 地址是对网络上各接口的唯一标识，而不是对网络上各设备的唯一标识

• IEEE 802 局域网的 MAC 地址格式

• IEEE 802 局域网的 MAC 地址发送顺序
  • 字节发送顺序：第一字节 --> 第六字节
  • 字节内的比特发送顺序：b0 --> b7

3.2 IP 地址

• IP 地址是因特网上的主机和路由器所使用的地址，用于标识两部分信息
  • 网络编号：标识因特网上数以百万计的网络
  • 主机编号：标识同一网络上不同主机 (或路由器各接口)

• 之前介绍的 MAC 地址不具备区分不同网络的功能

  • 如果只是一个单独的网络，不接入因特网，可以只使用 MAC 地址 (这不是一般用户的应用方式)
  • 如果主机所在的网络要接入因特网，则 IP 地址和 MAC 地址都需要使用

• 数据包转发过程中 IP 地址与 MAC 地址的变化情况（H 为主机，R 为路由器）

  • 数据包转发过程中源 IP 地址和目的 IP 地址保持不变
  • 数据包转发过程中源 MAC 地址和目的 MAC 地址逐个链路 (或逐个网络) 改变
  • H1 知道应该把数据包传给 R1，由 R1 帮其把数据包转发出去
  • H1 知道 R1 相应接口的 IP 地址为 IP3，但不知道其对应的 MAC 地址是什么
    

3.3 ARP 协议

• 如何通过 IP 地址找到其相应的 MAC 地址？
  • 通过 ARP 协议
• ARP 请求报文（广播）

• ARP 响应报文（单播）

• ARP 高速缓存

• ARP 协议只能在一段链路或一个网络上使用，不能跨网络使用

4. 集线器与交换机

以太网（Ethernet）是一种计算机局域网技术，是一种基于总线型拓扑结构的网络，使用分布式仲裁机制来解决冲突

4.1 集线器

• 使用双绞线和集线器 HUB 的星型以太网
  

• 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享总线资源，使用的还是 CSMA/CD 协议

• 集线器只工作在物理层，它的每个接口仅简单地转发比特，不进行碰撞检测 (由各站的网卡检测)

• 集线器一般都有少量的容错能力和网络管理功能

  • 例如，若网络中某个网卡出了故障，不停地发送帧。此时，集线器可以检测到这个问题，在内部断开与出故障网卡的连线，使整个以太网仍然能正常工作

• 使用集线器 HUB 在物理层扩展以太网

4.2 以太网交换机

• 以太网交换机通常都有多个接口
  • 每个接口都可以直接与一台主机或另一个以太网交换机相连。一般都工作在全双工方式
• 以太网交换机具有并行性
  • 能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信，无碰撞 (不使用CSMA/CD协议)
• 以太网交换机一般都具有多种速率的接口
  • 例如：10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s、10Gb/s 接口的多种组合
• 以太网交换机工作在数据链路层 (也包括物理层)
  • 它收到帧后，在帧交换表中查找帧的目的 MAC 地址所对应的接口号，然后通过该接口转发帧
• 以太网交换机是一种即插即用设备
  • 其内部的帧交换表是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的

4.3 集线器与交换机的对比

5. 虚拟局域网 VLAN

以太网交换机工作在数据链路层 (也包括物理层)，使用一个或多个以太网交换机互连起来的交换式以太网，其所有站点都属于同一个广播域，随着交换式以太网规模的扩大，广播域相应扩大，巨大的广播域会带来很多弊端

• 广播风暴：广播风暴会浪费网络资源和各主机的 CPU 资源
• 难以管理和维护
• 潜在的安全问题

5.1 网络中会频繁出现广播信息

• TCP/IP 协议栈中的很多协议都会使用广播
  • 地址解析协议 ARP (已知 IP 地址，找出其相应的 MAC 地址)
  • 路由信息协议 RIP (一种小型的内部路由协议)
  • 动态主机配置协议DHCP (用于自动配置IP地址)
• NetBEUl：Widnows 下使用的广播型协议
• IPX/SPX：Novell 网络的协议栈
• Apple Talk：Apple 公司的网络协议栈

5.2 分割广播域的方法

• 使用路由器可以隔离广播域（路由器成本较高）
  

• 虚拟局域网 VLAN 技术

  • 虚拟局域网 VLAN (Virtual Local Area Network) 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