数据链路层协议――帧

 在 TCP/IP 网络中，所有 OSI 第 2 层协议均与 OSI 第 3 层的 Internet 协议配合使用。然而，实际使用的第 2 层协议取决于网络的逻辑拓扑以及物理层的实施方式。如果网络拓扑中使用的物理介质非常多，则正在使用的第 2 层协议数量也相对较大。

 

CCNA 课程中将介绍的协议包括：

• 以太网
• 点对点协议 (PPP)
• 高级数据链路控制 (HDLC)
• 帧中继
• 异步传输模式 (ATM)

每个协议执行指定第 2 层逻辑拓扑的介质访问控制。这意味着在执行这些协议时，有很多种不同的网络设备都可以充当运行在数据链路层上的节点。这些设备包括计算机上的网络适配器或网络接口卡 (NIC) 以及路由器和第 2 层交换机上的接口。

 

用于特定网络拓扑的第 2 层协议取决于实施该拓扑的技术。而技术取决于网络规模（根据主机数量和地理范围判断）以及通过网络提供的服务。

 

LAN 技术

局域网通常使用能支持大量主机的高带宽技术。由于 LAN 的地理范围相对较小（单个建筑物或多个建筑物的校园），用户的密集度高，因此这种技术比较节约成本。

 

WAN 技术

 

对于服务范围较广（例如一个城市或多个城市）的广域网，使用高带宽技术通常不够经济。长距离物理链路的成本以及长距离传送信号的技术一般都会使带宽容量降低。

 

带宽差异常会导致 LAN 和 WAN 使用不同的协议。

针对 LAN 的以太网协议

 

以太网是 IEEE 802.2 和 802.3 标准中定义的一系列联网技术。以太网标准定义第 2 层协议和第 1 层技术。以太网是最广泛使用的 LAN 技术且支持 10、100、1000 和 10,000 Mbps 的数据带宽。

 

OSI 第 1 层和第 2 层的基本帧格式和 IEEE 子层在所有以太网形式中都是一样的。但用于检测数据和将数据放置到介质上的方法在不同实施中却有所不同。

 

以太网使用 CSMA/CD 介质访问方法，通过共享介质提供没有确认的无连接服务。共享介质要求以太网数据包头使用数据链路层地址来确定源节点和目的节点。与大部分 LAN 协议一样，该地址称为节点的 MAC 地址。以太网 MAC 地址为 48 位且通常以十六进制格式表示。

 

如图所示，以太网帧具有多个字段。在数据链路层中，所有速度的以太网的帧结构都几乎相同。然而，在物理层，不同以太网将各个位放到介质上的方法各有不同。

 

Ethernet II 是 TCP/IP 网络中使用的以太网帧格式。

 

由于以太网是数据联网非常重要的一个组成部分，我们将用一个章节来专门讨论它。而且在这个系列的课程中，我们还会以它为例进行讲解。

针对 WAN 的点对点协议

 

点对点协议 (PPP) 是用于在两个节点之间传送帧的协议。PPP 标准由 RFC 定义，这和许多数据链路层协议不同，它们是由电气工程组织定义的。PPP 是一种 WAN 协议，且保持所选协议可实施多个串行 WAN。PPP 可用于各种物理介质（包括双绞线、光缆和卫星传输）以及虚拟连接。

 

PPP 使用分层体系结构。为满足各种介质类型的需求，PPP 在两个节点间建立称为会话的逻辑连接。PPP 会话向上层 PPP 协议隐藏底层物理介质。这些会话还为 PPP 提供了用于封装点对点链路上的多个协议的方法。链路上封装的各协议均建立了自己的 PPP 会话。

 

PPP 还允许两个节点协商 PPP 会话中的选项。包括身份验证、压缩和多重链接（使用多个物理连接）。

针对 LAN 的无线协议

 

802.11 是 IEEE 802 标准的扩展。它使用与其它 802 LAN 相同的 802.2 LLC 和 48 位编址方案。但是，MAC 子层和物理层中存在许多差异。在无线环境中，需要考虑一些特殊的因素。由于没有确定的物理连通性，因此，外部因素可能干扰数据传输且难以进行访问控制。为了解决这些难题，无线标准制订了额外的控制功能。

 

IEEE 802.11 标准通常称为Wi-Fi，这是一种争用系统，使用的是载波侦听多路访问/冲突避免 (CSMA/CA) 介质访问流程。CSMA/CA 为等待传输的所有节点指定了一个随机回退过程。最可能发生介质争用的时间是在介质变为可用后。使节点随机回退一段时间可大大降低冲突可能性。

 

802.11 网络还使用数据链路确认来确定帧已成功接收。如果发送站没有检测到确认帧（原因可能是收到的原始数据帧或确认不完整），就会重传帧。这样明确的确认就可以克服干扰及其它无线电相关的问题。

 

802.11 支持的其它服务有身份验证、关联（到无线设备的连通性）和隐私（加密）。

图中所示为 802.11 帧。它包含以下字段：

 

协议版本字段 — 正在使用的 802.11 帧的版本

 

类型和子类型字段 — 标识帧的以下三个功能和子功能之一：控制、数据和管理

 

目的分布系统字段 — 对于发送目的为分布系统（无线结构中的设备）的数据帧，设置为 1

 

源分布系统字段 — 对于离开分布系统的数据帧，设置为 1

 

更多分段字段 — 对于具有其它分段的帧，设置为 1

 

重试字段 — 如果帧为之前帧的重传，设置为 1

 

电源管理字段 — 设置为 1 以表示节点将处于节电模式

 

更多数据字段 — 设置为 1 以表示处于节电模式的节点，更多帧正在缓冲等待该节点

 

有线等效保密 (WEP) 字段 — 若帧包含用于确保安全性的 WEP 加密信息，则设置为 1

 

顺序字段 — 对于使用严格顺序服务类（不需重新排序）的数据帧，设置为 1

持续时间/ID 字段 — 根据帧类型的不同，代表传输帧所需时间（单位为微秒）或传输帧的站点的关联身份 (AID)

 

目的地址 (DA) 字段 — 网络中最终目的节点的 MAC 地址

 

源地址 (SA) 字段 — 发送帧的节点的 MAC 地址

 

接收方地址 (RA) 字段 — 用于标识作为帧的即时收件人的无线设备的 MAC 地址

 

发射器地址 (TA) 字段 — 用于标识传输帧的无线设备的 MAC 地址

 

序列号字段 — 表示分配给帧的序列号；重传帧由重复序列号标识

 

分段号字段 — 表示帧的各分段的编号

 

帧体字段 — 包含传输的信息；对于数据帧，通常为 IP 数据包

 

FCS 字段 — 包含帧的 32 位循环冗余校验 (CRC)

 

PPP 协议：

 

http://www.ietf.org/rfc/rfc1661.txt?number=1661

 

PPP 厂商扩展：

http://www.ietf.org/rfc/rfc2153.txt?number=2153