计算机网络 四、五层协议体系结构-----数据链路层

目录

 数据链路层的通信类型

一、使用点对点信道的数据链路层

1.1 数据链路和帧

1.2 三个基本问题

1.2.1 封装成帧 

1.2.2 透明传输

1.2.3 差错监测

二、点对点协议PPP

2.1 ppp协议的特点

 2.1.1 ppp协议应满足的需求​编辑

 2.1.2 ppp协议的组成

2.2  ppp协议的帧格式

 2.2.1 各字段意义

2.2.2 透明传输问题

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

 3.1.1 局域网可按网络拓扑分类

3.1.2  局域网传输媒体

3.2 CSMA/CD协议

3.3 使用集线器的星型拓扑

3.4 以太网的信道利用率

3.5 以太网的MAC层

3.5.1 MAC 层的硬件地址

3.5.2  MAC 帧的格式

四、扩展的以太网

4.1在物理层扩展以太网 

4.2 在数据链路层扩展以太

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(10GE)和更快的以太网 

5.4使用以太网进行宽带接入

---

 数据链路层的通信类型

一、使用点对点信道的数据链路层

1.1 数据链路和帧

链路 (link) ：

• 一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。
• 一条链路只是一条通路的一个组成部分。
• 或物理链路。

数据链路 (data link) ：

• 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。
• 或逻辑链路。
• 典型实现：适配器（即网卡）

一般的适配器都包括 了数据链路层和物理层这两层的功能。

      帧：点对点信道的数据链路层的协议 数据单元。

1.2 三个基本问题

数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题则是共同的。这三个基本问题是:封装成帧、透明传输和差错检测。

1.2.1 封装成帧 

分组交换 的一个重要概念就是:所有在互联网上传送的数据都以分组(即 数据报)为传送单位。 网络层的 数据报传送到数据链路层就成为帧的数据部分。在帧的数据部分的前面和后面 分别添加上首部和尾部，构成了一个完整的帧。这样的帧就是数据链路层的数据传送单元。

     当数据在传输中出现差错时，帧定界符的作用更加明显。假定发送端在尚未发送完一个帧时突然出故障，中断了发送。但随后很快又恢复正常，于是重新从头开始发送刚才未发 送完的帧。由于使用了帧定界符，接收端就知道前面收到的数据是个不完整的帧(只有首部 开始符 SOH 而没有传输结束符 EOT) ，必须丢弃。而后面收到的数据有明确的帧定界符 (SOH EOT) ，因此这是一个完整的帧，应当收下。

1.2.2 透明传输

 

 

1.2.3 差错监测

   误码率与信噪比有很大的关系。如果设法提高信 噪比，就可以使误码率减小。实际的通信链路并非是理想的，它不可能使误码率下降到零。 因此，为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。 目前在数据链路层广泛使用了循环冗余检验 CRC (Cyclic Redundancy Check) 的检错技术。 

 

 

 

二、点对点协议PPP

2.1 ppp协议的特点

• 对于点对点的链路，目前使用得最广泛的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。
• PPP 协议在 1994 年就已成为互联网的正式标准 [RFC 1661, STD51]。

 2.1.1 ppp协议应满足的需求

 

 2.1.2 ppp协议的组成

PPP 协议有三个组成部分:

(1) 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。 PPP 既支持异步链路(无奇偶检验的 特数据)，也支持面向比特的同步链路。 IP 数据报在 PPP 帧中就是其信息部分。这个信息部 分的长度受最大传送单元 MTU 的限制。

(2) 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) 。通信的双方可协商一些选项。在 RFC 1661 中定义了 11 种类型的 LCP 分组。

(3）一套网络控制协议 NCP (Network Control Protocol户，其中的每一个协议支持不同的 网络层协议，如 IP OSI 的网络层、 DECnet ，以及 AppleTalk 等。

2.2  ppp协议的帧格式

 2.2.1 各字段意义

2.2.2 透明传输问题

• 当 PPP 用在异步传输时，使用字节填充法。
• 当 PPP 用在同步传输链路时，采用零比特填充法。 

（1）字节填充法

 

 （2） 零比特填充法

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

 3.1.1 局域网可按网络拓扑分类

 由于集结器(hub) 的出现和双绞 线大量用于局域网中，星形以太网以及多级星形结构的以太网获得了非常广泛的应用。环形网，总线网，各站直接连在总线上。总线两端的匹配电阻吸收在 总线上传播的电磁波信号的能量，避免在总线上产生有害的电磁波反射。总线网以传统以太 网最为著名。

3.1.2  局域网传输媒体

1、双绞线
主要特点：
(1)可以传输模拟信号、数字信号。
(2)双绞线容易受到外部高频电子波的干扰，误码率高。
(3)价格便宜、安装方便、既适用点到点连接、又可用于多点连接。
2、同轴电缆
主要特点：
(1)在局域网发展的初期曾广泛的使用同轴电缆作为传输媒体。
(2)具有很好的抗干扰特性。
3、光导纤维
(1)传输损耗小，可实现长距离传输。
(2)体积小、重量轻。
(3)传输速率高，通信容量大。
(4)抗雷电和电磁干扰性能好，保密性好、误码率低。
4、无线电微波通信
(1)通信容量大，传输频率宽。
(2)受外界干扰小、传输质量高。
(3)初建成本低、易于跨越山区、江河。

 

 随机接入 随机接入的特点是所有的用户可随机地发送信息。但如果恰巧有两个 或更多的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(即发生了冲 突)，使得这些用户的发送都失败。因此，必须有解决碰撞的网络协议。

 受控接入 受控接入的特点是用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制。 这类的典型代表有分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探询(polling) 或称为轮询。

 

 

      计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器(adapter)进行的。适配器本来是在主机箱 内插入的一块网络接口板(或者是在笔记本电脑中插入一块 PCMCIA 卡一一个人计算机存 储器卡接口适配器)。这种接口板又称为网络接口卡 NIC (Network Interface Card)或简称为 "网卡".

      适配器和局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的， 而适配器和计算机之间的通信则是通过计算机主板上的 1/0 总线以并行传输方式进行的。

3.2 CSMA/CD协议

 

 

 

 

 检测到碰撞后

1、适配器立即停止发送

2、等待一段随机时间后再次发送

 

 

 

3.3 使用集线器的星型拓扑

 

 

 

 

 

3.4 以太网的信道利用率

 

 

3.5 以太网的MAC层

3.5.1 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(因为这种地址用在 MAC 中)。

 

3.5.2  MAC 帧的格式

常用的以太网 MAC 帧格式 有 2 种标准：

1. DIX Ethernet V2 标准

2. IEEE 的 802.3 标准

最常用的 MAC 帧是 以太网 V2 的格式。

        

  

 

 

 

四、扩展的以太网

4.1在物理层扩展以太网 

 

 

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 

l 又称为 快速 以太网 ( Fast Ethernet) 。

l 在双绞线上 传送 100 Mbit/s 基带信号 的星形拓扑 以太网。

l 仍使用 IEEE 802.3 的 CSMA/CD 协议。

l 1995 定 为正式 标准： IEEE 802.3u 。

特点：

1.可在全双工方式下工作而无冲突发生。

2.在全双工方式下工作时，不使用 CSMA/CD 协议。

3.使用 IEEE 802.3 协议规定的 MAC 帧格式。

4.保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 米。

5.帧间时间间隔从原来的 9.6 ms 改为现在的 0.96 ms。

5.2 吉比特以太网

特点：

1. 允许在 1 Gbit /s 下 以全双工和 半双工 2 种 方式 工作。

2. 使用 IEEE 802.3 协议 规定 的 MAC 帧格式 。

3. 在 半双工 方式下 使用 CSMA/CD 协议 ，而在 全双工 方式不 使用 CSMA/CD 协议 。

4. 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术 向后兼容。

 

 

 

5.3 10吉比特以太网(10GE)和更快的以太网 

10 吉比特以太网（ 10GE ）主要特点：

1. 万兆 比特。

2. 与 10 、 100 Mbit/s 和 1 Gbit /s 以太网的 帧格式 完全相同。

3. 保留了 IEEE 802.3 标准规定的 以太网最小和最大帧长。

4. 只 使用 光纤 作为传输媒体。

5. 只工作在全双工方式， 没有 争用问题 ， 不 使用 CSMA/CD 协议。

 

5.4使用以太网进行宽带接入

IEEE 在 2001 年初成立了 802.3 EFM 工作组，专门研究高速以太网的宽带接入技术问题。

以太网宽带接入具有以下 特点 ：

1. 可以提供 双向 的宽带通信。

2. 可以根据用户对带宽的需求灵活地进行 带宽升级。

3. 可以实现端到端的以太网传输，中间 不需要 再进行帧格式的转换 。

4. 但 不支持 用户身份鉴别。

 声明：以上仅作为个人学习笔记，不做商业用途！