计算机网络之数据链路层
目录
一、数据链路层的几个共用问题
1.1数据链路和帧
1.2三个基本问题
二、点对点协议PPP
2.1PPP协议的特点
2.2PPP协议的帧格式
2.3 PPP协议的工作状态
三、使用广播信道的数据链路层
3.1局域网的数据链路层
数据链路层的两个子层
3.2CSMA/CD协议
3.3使用集线器的星形拓扑结构
3.4以太网的信道利用率
3.5以太网的MAC地址
四、扩展的以太网
4.1在物理层上扩展以太网
4.2在数据链路层扩展以太网
4.3虚拟局域网
五、高速以太网
5.1 100BASE-T以太网
5.2 吉比特以太网
5.3 10吉比特以太网(10 GbE)和更快的以太网
5.4使用以太网进行宽带接入
数据链路层属于计算机网络的低层。
数据链路层使用的信道主要有:
点对点信道:这种信道必须使用一对一的点对点通信方式。
广播信道:这种信道使用一对多的广播通信方式。
数据链路层的基本任务就是将网络层传来的数据以帧为单位，透明且无差错地擦传给链路层另一端主机的网络层。
一、数据链路层的几个共用问题
1.1数据链路和帧
链路就是从一个节点到相邻节点的一段物理线路(有线或无线)，而中间没有任何其他的交换节点。
当需要在一条线路上传送数据时，除必须有一条物理线路外，还必须有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输。若把这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
帧:点对点信道的数据链路层的协议数据单元。
在互联网中，网络层协议数据单元就是IP数据报(简称为数据报、分组或包)。
各层传输数据的单位:
网络层:IP数据报
数据链路层:帧
物理层:比特
1.2三个基本问题
封装成帧: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。
透明传输:指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。
差错检测:比特在传输过程中可能会产生差错：1变为0,0变为1.称为比特差错
二、点对点协议PPP
对于点到点的链路，多采用点对点协议PPP
2.1PPP协议的特点
简单:提供不可靠的服务
封装成帧:PPP协议必须规定特殊字符作为帧定界符
透明性:PPP协议必须保证数据传输的透明性
多种网络层协议:PPP协议必须能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议的运行
多种类型链路:PPP协议还必须能够在多种类型链路上运行
差错检测:PPP协议必须对接收端收到的帧进行检测
检测连接状态:PPP协议必须具有某种机制能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。
最大传送单元:PPP协议必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元MTU的标准默认值
网络层地址协商:必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。
数据压缩协商:PPP协议必须提供一种方法来协商使用数据压缩法。
PPP协议的组成:
- 一个将IP数据报封装到串行链路的方法。
- 一个用来建立，配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP（Link Control Protocol）。
- 一套网络控制协议NCP（Network Control Protocol）。
2.2PPP协议的帧格式
1、各字段的意义
PPP帧的首部和尾部分别为四个字段和两个字段。
首部的第一个字段和尾部的第二个字段都是标志字段F（Flag），规定为0x7E(符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的7E的二进制表示是01111110)。标志字段表示一个帧的开始或结束。因此标志字段就是PPP的定界符。连续两帧之间只需要用一个标志字段。如果出现连续两个标志字段，就表示这是一个空帧，应当丢弃。
首部中的地址字段A规定为0xFF，控制字段C规定为0x03。这两个字段实际上并没有携带PPP帧的信息。
尾部中的第一个字段（2字节）是使用CRC的帧检验序列FCS。
2、字节填充
- 当信息字段中出现和标志字段一样的比特（0x7E）组合时，就必须采取一些措施使这种形式上和标志字段一样的比特组合不出现在信息字段中。
- 当PPP使用异步传输时，它把转义字符定义为0x7D（即01111101），并使用字节填充，填充方法如下:
- 把信息字段中出现的每一个0x7E字节转变为2字节序列（0x7D，0x5E）。
若信息字段中出现一个0x7D的字节（即出现了和转义字符一样的比特组合），则把0x7D转变为2字节序列（0x7D，0x5D）。
若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时该字符的编码加以改变。
3、零比特填充
PPP协议用在SONET/SDH链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送）而不是异步传输（逐个字符地传送）。在此情况下，PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输。
在发送端，先扫描整个信息字段（通常用硬件实现，但也可用软件实现，只是会慢些）。只要发现有5个连续1，则立即填入一个0。因此经过这种零比特填充后的数据，就可以保证在信息字段中不会出现6个连续1。接收端在收到一个帧时，先找到标志字段F以确认一个帧的边界，接着再用硬件对其中的比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就把这5个连续1后的一个0删除，以还原成原来的信息比特流。这样就保证了透明传输：在所传送的数据比特流中可以传送任意组合的比特流，而不会引起对帧边界的错误判断。
2.3 PPP协议的工作状态
链路建立目的:建立链路层的LCP连接
三、使用广播信道的数据链路层
3.1局域网的数据链路层
局域网的特点:网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。局域网工作的层次跨越了数据链路层和物理层。
局域网的优点:
- 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
- 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
- 提高了系统的可靠性（reliability），可用性（availability）和生存性（survivability）。
共享信道要着重考虑的一个问题就是如何使众多用户能够合理而方便地共享通信媒体资源。在技术上有两种方法。
静态划分信道：用户只要分配到信道就不会和其他用户发生冲突。这种划分信道的方法代价较高，不适合局域网使用。常用的信道划分技术有频分复用、时分复用、波分复用、码分复用
动态媒体接入控制：又称为多点接入（multiple access），特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。分为以下两类:
随机接入：特点是所有的用户可随机地发送信息。但如果恰巧有两个或更多地用户在同一时刻发送信息，那么在共享媒体上就要产生碰撞，使得这些用户的发送都失败。
受控接入：特点是用户不能随机地发送信息而必须服从一定地控制。典型代表有分散控制地令牌环局域网和集中控制地多点线路探询（polling），或称为轮询。
数据链路层的两个子层
- 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，IEEE 802委员会就把局域网的数据链路层拆成两个子层：
- 逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）子层。
- 媒体接入控制MAC（Medium Access Control）子层。
3.2CSMA/CD协议
为了通信的简便，以太网采用了一下两种方式:
采用较为灵活的无连接的工作方式。
- 不必先建立连接就可以直接发送数据。
- 对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。
- 这样做可以使以太网工作起来非常简单，而局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。
以太网发送的数据都使用曼彻斯特（Manchester）编码的信号
CSMA/CD协议介绍
协议的实质是“载波监听”和“碰撞检测”
- CSMA/CD含义：载波监听多点接入/碰撞检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）
- “多点接入”表明这是总线型网络，许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上
- “载波监听”就是不管在想要发送数据之前，还是在发送数据之中，每个站都必须不停地检测信道。在发送前检测信道，是为了避免冲突。如果检测出已经有其他站在发送，则本站就暂时不要发送数据。在发送中检测信道，是为了及时发现如果有其他站也在发送，就立即中断本站的发送。这就称为碰撞检测。
- “碰撞检测”是适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况。当两个或几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压变化幅度将会增大（互相叠加）。当适配器检测到的信号电压变化幅度超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞 。所谓“碰撞”就是产生了冲突。因此“碰撞检测“也称为”冲突检测“。
3.3使用集线器的星形拓扑结构
这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器（hub）
集线器的特点:
- 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议，并且在同一时刻至多只允许一个站发送数据。
- 集线器很像一个多端口的转发器。
- 集线器工作在物理层，它的每个端口仅仅简单地转发比特。不进行碰撞检测。若两个端口同时有信号输入（即发生碰撞），那么所有的端口都将收不到正确的帧。
- 集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。这样就可使端口转发出去的较强信号不致对该端口接收到的较弱信号产生干扰（这种干扰即近端串音）。每个比特在转发之前还要进行再生整形并重新定时。
3.4以太网的信道利用率
a = t / T0(t为以太网单程端时延，T0为帧的发送时间)
3.5以太网的MAC地址
1、MAC层的硬件地址
在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址
IEEE 802标准为局域网规定了一种48位的全球地址（一般简称为“地址”），这就是局域网上的每一台计算机中固化在适配器的ROM中的地址。
局域网的“地址”应当是每一个站的“名字”或标识符
当路由器通过适配器连接到局域网时，适配器上的硬件地址就用标志路由器的某个 接口。
适配器有过滤功能。
当适配器从网络上每收到一个MAC帧就先用硬件检查MAC帧中的目的地址。
- 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。
- 否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。
“发往本站的帧”包括以下三种帧：
- 单播（unicast）帧（一对一），即收到的帧的MAC地址与本站的MAC地址相同。
- 广播（broadcast）帧（一对全体），即发送给本局域网上所有站点的帧。
- 多播（multicast）帧（一对多），即发送给本局域网上一部分站点的帧。
2、MAC帧的格式
常见的以太网MAC帧格式有两种标准：
- DIX Ethernet V2标准（最常用）
- IEEE的802.3标准
以太网V2的MAC帧较为简单，由五个字段组成：前两个字段分别为6字节长的目的地址和源地址字段。第三个字段是2字节的类型字段，用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。第四个字段是数据字段，其长度在46到1500字节之间（46字节是这样得出的：最小长度64字节减去18字节的首部和尾部就得出数据字段的最小长度）。当数据字段的长度小于46字节时，MAC子层就会在数据字段的后面加入一个整数字节的填充字段，以保证以太网的MAC帧长不小于64字节。最后一个字段是4字节的帧检验序列FCS（使用CRC检验）。
无效的MAC帧
- 帧的长度不是整数个字节。
- 用收到的帧检验序列FCS查出有差错。
- 收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46~1500字节之间。考虑到MAC帧首部和尾部的长度共有18字节，可以得出有效的MAC帧长度为64-1518字节之间。
- 对于检查出的无效MAC帧就简单丢弃，以太网不负责重传丢弃的帧。
四、扩展的以太网
4.1在物理层上扩展以太网
以太网上的主机不能太远，否则主机发送的信号经过铜线
使用光纤扩展:主机使用光纤（通常是一对光纤）和一对光纤调制解调器连接到集线器。
使用集线器扩展：将多个以太网端连城更大的、多级星形结构的以太网。
4.2在数据链路层扩展以太网
- 扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行。
- 早期使用网桥，现在使用以太网交换机
网桥与以太网交换机
- 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和过滤。
- 当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或把它丢弃。
- 1990年问世的交换式集线器（switching hub）可明显地提高以太网的性能。
- 交换式集线器常称为以太网交换机（switch）或第二层交换机（L2 switch），强调这种交换机工作在数据链路层。
以太网交换机的特点
- 以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥。
- 每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。
- 以太网交换机具有并行性。
- 相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。
- 以太网交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
- 以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
- 以太网交换机使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要使用软件转发的网桥快很多。
- 以太网交换机的性能远远超过普通的集线器，而且价格并不贵。
4.3虚拟局域网
在以太网交换机出现后，我们可以很方便灵活地建立虚拟局域网VLAN(Virtual LAN)。这样就把一个较大的局域网，分割成为一个较小的局域网，而每一个局域网是一个较小的广播域。
虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。
虚拟局域网（VLAN）技术具有以下主要优点
- 改善了性能
- 简化了管理
- 降低了成本
- 改善了安全性
五、高速以太网
速率达到或超过100Mbps的以太网称为“高速以太网”； 高速以太网的发展主要得益于以下技术：
①.高速传输介质技术；
②**.交换技术**；
③.全双工技术：不再受冲突域限制，带宽可提高一倍；
④.编码技术。
5.1 100BASE-T以太网
又称为快速以太网(Fast Ethernet)
- 1、支持半双工和全双工方式，双工方式下CSMA/CD不起作用，此时称其为以太网主要是因为其帧格式不变。
- 2、最短帧长仍为64B，最大帧长为1518B，但将网段的最大电缆长度减小到 100 m。
- 3、争用期仍为512比特时间，帧间隙为0.96us（96比特时间）。
- 4、覆盖范围减小到原来的十分之一。
- 5、可直接利用原有线缆设施，只要更换一张适配器和一个100Mbps的集线器即可升级到100Mbps.
- 6、三种不同的物理层标准
5.2 吉比特以太网
- 1、帧格式不变。
- 2、支持全双工和半双工（此时使用 CSMA/CD 协议）工作方式。
- 3、使用载波延长（载波扩展技术）和分租突发技术。
- 4、最短帧长仍然为64B，争用期增加为512B时间，当帧长处于64B～512B时需要填充到512B。
载波扩展技术：若帧长小于512B,物理层在发完帧后紧接着再发送一个特殊的“载波扩展”符号序列，将整个发送长度扩展到512B。
5.3 10吉比特以太网(10 GbE)和更快的以太网
- 1、帧格式不变。
- 2、只支持全双工，不使用 CSMA/CD 协议。
- 3、最小最大帧长不变。
- 4、只使用光纤作传输媒体。