计算机网络第三章——数据链路层
数据链路层
- 一、学习目标：
- 二、概念
- 三、数据链路层的几个共同问题
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- 3.1 数据链路
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- 链路
- 数据链路
- 3.2 帧
- 3.3 三个基本问题
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- 3.3.1 封装成帧
- 3.3.2 透明传输
- 3.3.3差错检错
- 四、点对点协议PPP
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- 应用：
- 三个组成部分：
- 格式：
- 解释：
- 补充：
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- 一、字节填充
- 二、0比特填充
- 五、使用广播信道的数据链路层
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- 以太网
- 5.1 适配器：
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- 适配器的功能
- 5.2 CSMA/CD协议（载波监听多点接入/碰撞检测）
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- 引言：为什么需要这种协议？
- 概念：
- 争用期
- 最小数据帧
- 最大数据帧
- 碰撞检测CD
- 信道利用率
- 帧发送流程
- 帧接收流程
- 总结
- 5.3以太网的MAC帧格式
- 5.4帧最小间隔
- 六、扩展的以太网
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- 物理层对以太网的扩展
- 数据链路层对以太网的扩展
- 多接口网桥——以太网交换机
- 以太网交换机和集线器区别
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- 虚拟局域网（利用以太网交换机）
- 七、高速以太网
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- 吉比特以太网
- 10吉比特以太网
- 以太网进行宽带接入：
- 八、本节小结与重要概念
一、学习目标：
1、数据链路层的点对点和广播信号特点，以及两种信道所使用的协议（PPP协议和CSMA/CD协议）特点
2、数据链路层三个问题：封装成帧、透明传输和差错检测
3、以太网MAC层的硬件地址
4、适配器、转发器、集线器、网桥、以太网交换机的作用和使用场合
二、概念
主要功能：用于两个设备(同一种数据链路节点)之间进行信息传递。
数据链路层使用的信道主要有以下两周类型：
① 点对点信道: 指一对一的通信方式
② 广播信道：指一对多的通信方式
三、数据链路层的几个共同问题
3.1 数据链路
链路
从一个节点到相邻节点的一段物理线路
数据链路
在线路上传输数据，除了必须的物理线路外，还需要一些必要的通信协议来控制这些数据的传输。把这些协议的软硬件加到链路上就构成了数据链路。最常用的方法是网络适配器来实现这些协议。
3.2 帧
是点对点信道的数据链路层的协议数据单元
主要步骤如下：
1、节点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧。
2、节点A把封装好的帧发送给节点B的数据链路层
3、若节点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取IP数据报交给网络层
3.3 三个基本问题
3.3.1 封装成帧
概念：封装成帧就是在一段数据的前后添加首部和尾部
首部和尾部的作用就是进行帧定界
SOH和EOT都是控制字符的名称。16进制中分别是01和04
帧定界符的作用:接收端直到前面接收的数据是否是完整的帧，不是的话就丢弃
3.3.2 透明传输
概念：无论什么样的比特组合数据，都能按照原样没有差错的通过数据链路层
为了解决透明传输问题，必须解决数据中可能出现的控制字符”SOH“,"EOT"在接收端不被解释为控制字符，这就需要字节填充。
3.3.3差错检错
广泛运用了循环冗余检验CRC
四、点对点协议PPP
应用：
PPP协议是用户计算机和ISP(网络业务提供商)进行通信时所使用的数据链路层协议
三个组成部分：
1、将IP数据报封装到串行链路的方法
2、用来建立、配置和测试数据链路的链路控制协议LCP
3、网络控制协议NCP
格式：
解释：
首部：第一个字段和尾部第二个字段都是标志字段F（01111110），表示一个帧的开始和结束
地址字段中A规定为0xfff，控制字段C规定为0x03。（无定义）
协议字段占两个字节，当为0x0021时，时IP数据报，当为0xC021时，为LCP数据
信息字段：长度可变，不超过1500字节
尾部：时使用CRC的帧检验序列FCS
补充：
一、字节填充
信息字段中出现0x7E时，转化为2字节的（0x7D，0x5E）
信息字段中出现0x7D时，转化为2字节的（0x7D，0x5D）
二、0比特填充
只要发现5个连续1，则立即填入0.
这样不会被认为是帧边界,因为帧边界F是01111110**
五、使用广播信道的数据链路层
局域网使用的就是是广播信道
局域网（LAN）：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目有限。
局域网分类：星型网、环形网、总线网
局域网可使用多种传输媒体，双绞线最便宜，双绞线已成为局域网中的主流传输媒体
以太网
以太网是世界上第一个局域网产品的规约，其全称为IEEE的802.3局域网
原本为了使数据链路层更好适应局域网标准，802委员会将LAN的数据链路层拆成两个字层：
逻辑链路控制层(LLC)子层：LLC子层与传输媒体无关，
媒体接入控制层(MAC)子层：与接入到传输媒体有关内容都放在MAC层
以后一般不考虑LLC子层，因为TCP/IP体系经常使用的局域网是DIX Ethernet V2而不是IEEE的802.3局域网，故很多厂商生产的适配器上仅装有MAC协议：
5.1 适配器：
计算机与外界局域网的链接是通过适配器，适配器是在主机箱的一块网络接口板，称为网卡
适配器的功能
1、进行串行/并行转换
2、对数据进行缓存
3、在计算机的操作系统安装设备驱动程序
4、实现以太网协议
计算机通过适配器和局域网进行通信
5.2 CSMA/CD协议（载波监听多点接入/碰撞检测）
引言：为什么需要这种协议？
最初以太网是将许多计算机都接到一根总线上，这里先引入总线的概念
总线：计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束， 按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。
特点：当一个计算机B发送数据时，总线上的每一个公子哦的计算机都能检测到B发送的数据信号
但有时用户需要在总线上实现一对一通信：在具有广播特性的总线上是实现了一对一通信，那如何协调上各个计算机的工作呢？真正做到同一时间智能允许一个计算机发送信息，使总线上的各个计算机之间不会互相干扰,采用的方法就是CSMA/CD
概念：
载波监听（CS）：指的是每个站发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。总的来说不管在想要发送数据之前，还是在发送数据中，每个站都必须不停地检测信道。
多点接入（MA）：表示许多计算机连接在一根总线上
碰撞检测（CD）：边发边检测碰撞。一旦冲突立即听书，等待时机，重新再说
争用期
最小数据帧
假设A检测到网络是空闲的，开始发数据包，尽力传输，当数据包还没有到达B时，B也监测到网络是空闲的，开始发数据包，这时就会发生碰撞，B首先发现发生碰撞，开始发送碰撞信号，所谓碰撞信号，就是连续的01010101或者10101010，十六进制就是55或AA。这个碰撞信号会返回到A，如果碰撞信号到达A时，A还没有发完这个数据包，A就知道这个数据包发生了错误，就会重传这个数据包。但如果碰撞信号会返回到A时，数据包已经发完，则A不会重传这个数据包。
我理解的大致意思为：A发送数据后如果数据一下就发完了，这个数据在信道中发生了错误，碰撞信号返回到A后，A已经发完数据了就不会重传，所以我们需要定义一个最小数据帧长度
作用：确保了主机可在帧发送完之前就检测到帧发送过程中是否遭遇了
碰撞，如果检测到碰撞，则停止发送帧的剩余部分，退避随机时间后，重新发送该帧
最大数据帧
碰撞检测CD
计算检测到有碰撞后 计算退避随机时间：
信道利用率
帧发送流程
帧接收流程
总结
5.3以太网的MAC帧格式
最常用的时以太网V2格式
其中传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节，因为当一个站在刚开始接受MAC帧时，由于适配器的时钟尚未与达到的比特流完成同步，使MAC帧最前面的若干位无法接收，成为无用的帧，所以加入8个字节
其中8个字节由两个字段构成：
前同步码：前7个字节，作用是接收端的适配器在接受时能够调整时钟频率，和发送端同步
帧开始定界符：告诉接收端适配器MAC帧信息马上来了，固定的时10101011
无效的MAC帧格式：
5.4帧最小间隔
六、扩展的以太网
物理层对以太网的扩展
1、使用光纤可以扩展主机和集线器之间的距离。
2、使用多级集线器，可以连通多个集线器通信，并且扩大了以太网的范围。
使用多级集线器的优缺点：
数据链路层对以太网的扩展
数据链路层扩展局域网是使用的网桥
网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发，并且有过滤和转发帧的功能
理解：
网桥连接着局域网LAN A和LAN B.那么如果主机1给主机2进行通信，1发送消息给网桥，网桥发现目标地址和原地址属于一个局域网，那么他就会过滤掉这个消息请求。如果1给11发送消息，网桥发现原地址和目的地址不属于同一个局域网，那么就进行转发功能，把来自LAN A的消息转发给LAN B. 这就是网桥的基本功能。
网桥优缺点：
网桥转发帧的步骤：
1、网桥每收到一个帧，记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目
2、在建立转发表时，把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏下面。
3、在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发
步骤归纳：
多接口网桥——以太网交换机
特点：
1、以太网的交换机的每个接口都直接与主机相连，并且工作在全双工方式
2、交换机能同时连通许多对接口，进行无碰撞地传输数据
3、交换速率高
4、即插即用（内部帧转发表通过自学习算法逐步建立）
以太网交换机和集线器区别
区别1：工作层次
集线器工作在物理层，属于1层设备，每发送一个数据，所有的端口均可以收到，采用了广播的方式，因此网络性能受到很大的限制。
交换机工作在数据链路层，属于2层设备，通过学习之后，每个端口形成一张MAC地址转发表，根据数据包的MAC地址转发数据，而不是广播形式。
区别2：转发方式
集线器的工作原理是广播形式，无论哪个端口收到数据之后，都要广播到所有的端口，当接入设备比较多时，网络性能会受到很大的影响。
交换机根据MAC地址转发数据，收到数据包之后，检查报文的目的MAC地址，找到对应的端口进行转发，而不是广播到所有的端口。
区别3：传输模式
集线器内部采用了总线型拓扑，各个节点共用一条总线进行通信，数据包的发送和接收采用了CSMA/CD协议，在同一时间内必须是单向的，只能维持在半双工模式下。两个端口不能同时收发数据，并且当两个端口通信时，其他端口不同工作。
4/6
当交换机上的两个端口通信时，它们之间的通道是相互独立的，可以实现全双工通信。两个端口同时收发数据。
区别4：带宽影响
集线器无论有多少个端口，所有的端口共享一条宽带，同一时刻只能有两个端口传输数据，并且只能工作在半双工模式下。
虚拟局域网（利用以太网交换机）
虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）是一组逻辑上的设备和用户，通过端口分配、MAC地址分配等方式将同一局域网内的主机划分为不同的区域（VLAN），不同区域之间的主机无法直接通信（即使它们都在同一个有线局域网中），而同一区域内的主机之间可以正常通信，这就好像一个局域网一样，因此叫做虚拟局域网。
虚拟局域网使用的以太帧格式：
七、高速以太网
指的是速率达到100Mb/s的以太网
特点：
吉比特以太网
10吉比特以太网
10吉比特以太网出现的意义：
以太网进行宽带接入：
以太网的接入最重要的特点就是可以提供双向的宽带通信，但是需注意的问题是以太网的帧格式标准中地址字段没有用户名字段，于是解决的办法是把PPP协议中的PPP帧再封装到以太网来传输
八、本节小结与重要概念
