《计算机网络》 第三章 数据链路层

3.1 使用点对点通信的数据链路层

数据链路层信道类型：①点对点信道 ②广播信道

3.1.1 数据链路和帧

链路：中间无其他交换节点的物理链路

数据链路：把实现控制数据传输的协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路

数据单元：帧

3.1.2 三个基本问题

1.封装成帧

数据前后添加首部（SOH）和尾部（EOT）构成一个帧

最大传送单元MTU：规定帧数据部分长度上限

2.透明传输

无论发什么样的比特数据，都能没有差错的通过这个数据链路层。

采用方法：①字节填充 ②字符填充

3.差错控制

误码率BER：传输错误比特占所传输比特总数

循环冗余码：

帧校验序列FCS：在数据后面添加的冗余码

仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受
 

“无比特差错”与“无传输差错”是不同的

可靠传输:：数据链路层的发送端发送什么，在接收端就收到什么

传输差错：①比特差错 ②传输差错:帧丢失、恢重复或失序等
在数据链路层使用 CRC检验，能够实现无比特差错的传输但这还不是可靠传输

要做到可靠传输，还必须再加上帧编号、确认和重传等机制

3.2 点对点协议PPP

3.2.1 PPP协议的特点

1.PPP协议应满足需求

简单、封装成帧、透明性、同一物理链路支持多种协议、差错检测、最大传送单元、检验连接状态

用户到ISP链路使用PPP协议，通常用于广域网

2.PPP协议组成

①一个将IP数据报封装到串行链路的方法

②一个链路控制协议 LCP

③一套网络控制协议 NCP

3.2.2 PPP协议的帧格式

PPP面向字节，帧长都是整数字节

①当 PPP用在异步传输时，使用字节填充法

②当 PPP 用在同步传输链路时，采用零比特填充法

3.2.3 PPP协议的工作状态

①用户拨号接入ISP 后，就建立了一条从用户个人电脑到ISP 的物理连接。

②用户个人电脑向ISP 发送一系列的链路控制协议 LCP 分组，以便建立LCP连接。

③之后进行网络层配置。网络控制协议 NCP 给新接入的用户个人电脑分配一个临时的IP 地址。

④当用户通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

3.3 使用广播信道的数据链路层

3.3.1 局域网的数据链路层

局域网特点：网络为一个单位所有，范围和站点数目有限

优点：具有广播功能，设备可灵活改变

媒体共享技术：

①静态划分信道：频分复用、时分复用、码分复用、波分复用

②动态媒体接入控制：随机接入、受控接入

1.以太网两个标准

DIX EthernetV2:世界上第一个局域网产品(以太网)的规约。

IEEE 802.3:第一个IEEE 的以太网标准。

局域网数据链路层分为两个子层：

①逻辑链路控制（LLC）：与传输媒体无关

②媒体接入控制（MAC）：与传输媒体有关

2.适配器作用

计算机通过适配器和局域网进行通信

功能：串并转换、数据缓存、安装驱动程序

3.3.2 CSMA/CD协议

面对冲突，以太网采取两种措施：①无连接工作方式 ②数据使用曼彻斯特编码

CSMA/CD：多点接入 / 载波监听 / 碰撞检测

检测碰撞后：适配器立即停止发送、等待一段随机事件后再次发送

A需要单程传播时延2倍时间，才能检测到发送了冲突

以太网的端到端往返时延2ε称为争用期，具体的争用期时间为51.2 us

碰撞后重传：

采用截断二进制指数退避

以太网规定最短有效帧长64字长

3.3.3 使用集线器的星型拓扑

传统以太网传输媒体: 粗同轴电缆 >细同轴电缆 >双绞线

采用双绞线的以太网采用星形拓扑

在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器

集线器：

①逻辑仍是总线网，采用CSMA/CD协议

②像多接口转发器，工作在物理层

③采用专门芯片，减少串音

3.3.4 以太网的信道利用率

a越小，表示一碰撞就可以检测，信道利用率高；

利用率：

只有当参数 a 远小于 1 才能得到尽可能高的极限信道利用率

据统计，当以太网的利用率达到 30%时就已经处于重载的情况。

3.3.5 以太网的MAC层

1.MAC层硬件地址

硬件地址又称物理地址，MAC地址，固化在适配器的 ROM 中的地址。

48位MAC地址：组织唯一标识符（3字节）+扩展唯一标识符（3字节）

第一字节的最低第一位为I/G：

• 单站地址: I/G位 =0
• 组地址:I/G 位 =1。组地址用来进行多播
• 广播地址: 所有48 位都为 1(全1)。只能作为目的地址使用

第一字节的最低第二位为G/L：

• 全球管理：G/L=0
• 本地管理：G/L=1

2.MAC帧格式

常用的以太网MAC格式有2种标准

①DIX Ethernet V2 标准 ②IEEE的802.3标准

最常用的 MAC 恢是以太网 V2 的格式

无效MAC帧：

• 数据字段的长度与长度字段的值不一致
• 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
• 数据字段的长度不在46~1500字节之间
• 有效的MAC帧长度为64~1518字节之间

对于无效MAC帧就简单丢弃，以太网不负责重传

3.4 扩展的以太网

3.4.1 在物联网扩展以太网

多个集线器连成更大以太网

优点：跨碰撞域通信，扩大以太网覆盖范围

缺点：碰撞域大了，吞吐量不高

3.4.2 在数据链路层扩展以太网

早期用网桥，现在使用以太网交换机

1.以太网交换机特点

①实质上是一个多接口网桥

②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

③以太网交换机具有并行性

④接口有存储器

⑤即插即用，内部帧交换表通过子学习算法建立

⑥采用专用芯片，硬件转发，速率快

优点：每个用户独享带宽，增加容量

交换方式：存储转发方式、直通方式

2.以太网交换机自学习功能

消除两个交换机联通的回路：使用生成树协议（STP）：不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构。

3.从总线以太网到星形以太网

3.4.3 虚拟局域网

虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。

虚拟局域网至少局域网给用户提供的服务，不是新型局域网。

优点：改善性能、简化管理、降低成功、改善安全

划分虚拟局域网方法：

①基于交换机端口：不允许用户移动

②基于计算机网卡MAC地址方法：允许用户移动，需要管理大量MAC地址

③基于协议类型方法：以太网帧的第三个字段“类型”确定该类型

④基于IP子网地址方法：以太网的第三个字段“类型”和IP 分组首部中的源IP 地址字段确定该IP 分组属于哪一个虚拟局域网

⑤基于高层应用或服务方法