【计算机网络】数据链路层
文章目录
- 数据链路层的三个基本问题
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- 点到点协议（PPP协议）
- 局域网
- 以太网
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- CSMA/CD协议
- 二进制指数类型退避算法
- 以太网与数据链路层的两个子层
- 集线器
- 以太网的信道利用率
- MAC层
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- MAC帧格式
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- 使用网桥扩展以太网（现在用交换机平替）
- LAN和VLAN
- 交换机的接入安全
数据链路：除了物理线路外，还需要有通信协议来控制这些数据的传输。
最常用的方法是用网卡来实现这些协议的硬件和软件
帧：数据链路层传输的内容
数据链路层的三个基本问题
- 封装成帧
添加帧头和帧尾
- 透明传输
帧内可能出现一个和帧尾一样的数据，接收端误认为是一个帧
通常使用字节填充法解决
插入转义字符
- 差错控制
1可能变成0，0可能变成1
误码率：一段时间内，传输错误的比特占传输比特总数
与信噪比有关系
循环冗余检验CRC
计算过程：被除数加N个零，除数（随意选）应该是N+1位数
除的过程中，相同得0，不同得1
最后把余数（FCS帧检验序列）放到被除数得后N位，传输过去，接收端再进行CRC计算，如果余数为0，则检验没有误码
CRC只能无差错接收，除数越大，检查错误的可能性就大
点到点协议（PPP协议）
应用是拨号上网
PPP协议的组成
ppp协议帧格式
PPP解决透明传输的方法
零比特填充方法
ppp协议在SONET/SDH链路时，用同步传输（一连串的比特连续传送），采用零比特填充方法
连续出现5个1，插入0，避免出现7E
ppp协议的工作状态
局域网
比如用网线把两个主机连接起来，就是一个局域网
以太网
多采用随机接入
优点：只有一个能准确接收
缺点：在一个时间段，只能是一个发一个收
CSMA/CD协议
以太网用的是CSMA/CD协议（载波监听多点接入/碰撞检测）
多点接入：许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上
碰撞检测的实现：
① 当几个站同时在总线上发送数据，总线的信号电压摆动值会增大
② 当信号电压摆动值超过一定的门限，则认为产生了碰撞
CSMA/CD协议重要特性：
- 不能进行全双工通信，只能进行半双工通信
争用期
- 最先发送数据帧的站，在至多经过2t能知道发送的数据帧是否发生碰撞
- 争用期过后还没有检测到碰撞，可以肯定这次发送不会发生碰撞
以太网的争用期 - 通常取
51.2us为争用期长度 - 对于10Mb/s以太网，争用期内可发送512bit，即64字节
- 若前64字节未发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突
因此引出最短有效帧长
- 以太网规定最短有效帧长为64字节，长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧
- 利用以太网发送数据，不足64字节的，补0凑够64字节
二进制指数类型退避算法
发生碰撞的站在停止发送数据后，要退避一个随机时间后，再次发送数据
由CSMA/CD协议实现
以太网与数据链路层的两个子层
现在以太网多用IEEE 802.3标准
802委员会把数据链路层拆成两个子层：
逻辑链路控制 LLC（Logical Link Control）子层（基本上不用了）
媒体接入控制 MAC（Medium Access Control）子层
以太网提供的是不可靠交付，重传是由更上一层去实现，对于以太网来说，并不知道是重传的帧，而是当作新的数据帧。
集线器
了解即可
集线器使用的是CSMA/CD协议，共享逻辑上的总线
10Base-T：表示10倍的以太网，通信距离不超过100米
以太网的信道利用率
以太网信道占用情况：争用期2t，即端到端传播时延的两倍。假设帧长为L(bit)，数据发送速率为C(b/s)，因而帧的发送时间为L/C=T(s)
发送一帧所需的平均时间：一个帧从开始发送，经一定的碰撞后，再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间t)
要提高以太网信道利用率，则需要减少a，其中a = t / T，即以太网单程端到端时延t与帧发送时间T之比
- 当a趋于0，表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高
- a越大，表示争用期占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费很多信道资源，降低信道利用率
由此对以太网参数的要求：
- 当数据率一定时，以太网的连线长度受到限制，否则t的数值会太大
- 以太网的帧长不能太短，否则T的值会太小，使a值太大
信道利用率的最大值
- 理想情况，以太网的各站发送数据都不会产生碰撞(显然不是CSMA/CD，而是另一种调度方法)，即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据
- 发送一帧占用线路的时间是T+t，帧本身发送时间是T，故理想情况下的极限信道利用率为：Smax = T / (T+t) = 1 / (1+a)
扩展以太网100Base-T
特点：全双工无冲突下工作，不使用CSMA/CD协议，mac帧格式采用802.3标准，保持最短帧长不变，将一个网端的最大电缆长度减小到100m。帧间间隔时间由9.6us缩小到0.96us
吉比特以太网
MAC层
在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或者是MAC地址（网卡出厂的时候就存在全世界唯一的地址）
修改MAC地址的方法
虽然网卡内部的MAC地址没变，但是可以手动指定新的MAC地址，让互联网识别。
MAC帧格式
类型指明协议类型，MAC4的编码没有尾帧
无效的MAC帧
使用网桥扩展以太网（现在用交换机平替）
通过自学习算法，能记录发送端的计算机处于网桥的1端口还是2端口（对应下图）
假设①发包给②，那网桥会记录下①在网桥的1端口，但此时不知道②在哪，所以会将①的包发往网段A和网段B，但如果②发送给①（只要发送，网桥就知道对应的计算机在1端口还是2端口），网桥就能记录下②也在1端口。
在上述情况下，网桥得知①和②位置，故后续①和②通信就不会经过网桥传到网段B了，解决先前采用集线器的方式，减少冲突域。
自学习算法
交换机算是高速网桥，它的其他优势在于：
- 端口带宽独享（比如连接在交换机上的ABCDE，A与B通信带宽10M，C与D通信带宽也是10M）
- 安全，E抓包抓不到A与B通信内容
- 高效，A与B通信的同时，C能与D通信，无冲突
LAN和VLAN
局域网就是LAN
为了能够将不同部门放在不同的网段，可以使用虚拟局域网(VLAN)，如下图所示，同一个网段的设备不一定在同一个交换机下。
优势就是更灵活
VLAN的功能还能把一个交换机分为两个（VLAN），供两个不同的部门使用。
干道链路可以跑多个VLAN（通过在数据包添加标记识别是哪个VLAN，采用SPMA方式）
交换机的接入安全
方式：
- 交换机可以设定只能是规定的MAC地址设备接入该网口
- 交换机还可以设定单个网口超过多个MAC地址接入（多个设备用一个网口），就shutdown