第3章 数据链路层

第3章 数据链路层

3.1 使用点对点信道的数据链路层

• 封装成帧
• 透明传输
• 差错检测

3.1.1 数据链路和帧

链路(link)

物理线路段

数据链路(data link)

通信协议

3.1.2 三个基本问题

• 封装成帧
• 透明传输
• 差错控制

封装成帧(framing)

就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧,一个控制字符 SOH (Start Of Header)放在最前面，表示帧的首部开始。另一个控制字符 EOT （End Of Transmission）表示帧的结束。

透明传输

字节填充 (byte stuffing)或 字符填充 (character stuffing)——接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符

差错检测

传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为 误码率 BER (Bit Error Rate)

CRC
1. 若得出的余数 R=0 ，则判定这个帧没有差错，就接受。
2. 若余数 R≠0 ，则判定这个帧有差错，就丢弃。

仅用循环冗余检验 CRC差错检测技术只能做到无差错接受。
无差错接受是指：凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错。

无差错接受不是可靠传输！

• 比特差错
• 帧丢失， 帧重复， 帧失序

3.2 点对点协议PPP

3.2.1 PPP协议的特点

图3-9 用户到ISP的链路使用PPP协议

1. PPP 协议应满足的需求
2. PPP 协议不需要的功能
3. PPP 协议的组成

1. 一个将IP数据报封装到串行链路的方法
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）
3. 一套网络控制协议NCP（Network Control Protocol）

PPPoE是将PPP帧封装于以太网帧中。

MTU 是数据部分的最大长度，而不是帧总长度！

3.2.2 PPP协议的帧格式

1. 各字段的意义

图3-10 PPP帧的格式

• 标志字段 F = 0x7E
• 地址字段 A 和控制字段 C 没有用
• 信息字段的长度是可变的，不超过 1500 字节

最大帧长度为 1508B  !

2. 字节填充

ESC ←→ 异步传输

3. 零比特传输

5 个连续的 1 加一个 0 ←→ 同步传输

不提供使用序号和确认的可靠传输

3.2.3 PPP协议的工作状态

图3-12 PPP协议的状态图

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

局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

1. 以太网的两个标准

• DIX Ethernet V2
• IEEE 的 802.3

数据链路层的两个子层

• 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层
• 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层

2. 适配器的作用

• 进行串行/并行转换
• 对数据进行缓存
• 在计算机的操作系统安装设备驱动程序
• 实现以太网协议

3.3.2 CSMA/CD协议

1. 以太网的广播方式发送

2. 为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施

（1）采用较为灵活的无连接的工作方式
（2）以太网发送的数据都是用曼彻斯特编码的信号

3.以太网提供的服务

不可靠交付
非智能检测

4. 载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD

• “载波监听”发送前先监听
• “多点接入”总线型
• “碰撞检测”边发送边监听

图3-17 传播时延对载波监听的影响

争用期的长度

以太网取 51.2 μs 为争用期的长度。
对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送 512 bit ，即 64 B 。
以太网在发送数据时，若前 64 B 没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

电磁波

1 km←→5 μs

0.1μs←→1 bit

半双工

512 bit=64 B

3.4 使用广播信道的以太网

3.4.1 使用集线器的星形拓扑

10BASE-T

10 代表 10 Mb/s 的数据率， BASE表示连接线上的信号是 基带信号， T代表双绞线

使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。

图3-20 具有三个接口的集线器

3.4.2 以太网的信道利用率

在以太网中定义了参数 a ，它是以太网单程端到端时延 τ 与帧的发送时间 T0 之比：

a=τT0

a→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。

信道利用率的最大值

Smax=T0T0+τ=11+a

1 μs→10 bit

3.4.3 以太网的MAC层

1. MAC 层的硬件地址

48 位的 MAC 地址
注册管理机构 RA 负责分配高位 24 位

2. MAC 帧的格式

图3-22 以太网V2的MAC帧格式

数据字段

其长度在 46 B 到 1500 B 之间

46 B 是这样的出来的：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

第一个字段是7个字节的前同步码（1和0交替码）
第二个字段是帧开始定界符，定义为10101011

帧间最小间隔

一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 μs 才能再次发送数据。

3.5 扩展的以太网

3.5.1 在物理层扩展以太网

用集线器扩展局域网

图3-24 用多个集线器连成更大的以太网

3.5.2 在数据链路层扩展以太网

1.网桥的内部结构

图3-26 网桥工作在链路层的MAC子层，可以使以太网各网段成为隔离开的碰撞域

网桥和集线器（或转发器）不同

• 集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测
• 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法

2.透明网桥

“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。

3.源路由网桥
源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。

4. 多接口网桥——以太网交换机

• 全双工方式
• 无碰撞地传输数据

使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是 10 Mb/s ，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 对接口的交换机的总容量为 N×10 Mb/s 。这正是交换机的最大优点。

虚拟局域网使用的以太网帧格式：

虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。

3.6 高速以太网

3.6.1 100BASE-T以太网

3.6.2 吉比特以太网

3.6.3 10吉比特和100吉比特以太网

3.6.4 使用以太网进行宽带接入