浅谈数据链路层

一. 数据链路和帧

1.1 第一种说法

链路 (link)： 是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

数据链路 (data link)： 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。

注：现在最常用的方法是使用适配器（网卡）来实现这些协议的硬件和软件。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

1.2 第二种说法

把链路分为物理链路和逻辑链路

物理链路：对应第一种的链路

逻辑链路：对应第一种的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议

数据链路层传送的都是帧

二. PPP协议

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)。用户使用拨号电话线接入互联网时， 用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议就是 PPP 协议。

ppp协议包括三个组成部分：

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

ppp协议的工作状态：

1. 当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。
2. PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。
3. 这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，并进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC 机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。
4. 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。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

可见，PPP 协议已不是纯粹的数据链路层的协议，它还包含了物理层和网络层的内容。

三. 局域网—以太网

3.1 以太网、适配器

局域网（Local Area Network，LAN）是在一个局部的地理范围内（如一个学校、工厂和机关内），一般是方圆几千米以内，将各种计算机，外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网。

局域网的拓扑结构有下图三种

以太网：以太网是局域网的一种，严格来说，“以太网”应当是指符合DIX Ethernet V2标准的局域网

适配器：又称为通信适配器（adapter）或网络接口卡NIC（Network Interface Card）,或“网卡”。它的一些主要功能有：

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

下图展现了计算机如何通过适配器和局域网进行通信

3.2 以太网的MAC层

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。

注意：如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器，那么这样的主机或路由器就有多个“地址”。更准确的说，这种48位“地址”应当是某个接口的标识符。

IEEE 802 标准规定 MAC 地址字段可采用 6 字节 ( 48位) 或 2 字节 ( 16 位) 这两种中的一种。IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段 6 个字节中的前三个字节 (即高位 24 位)，称为组织唯一标识符。地址字段 6 个字节中的后三个字节 (即低位 24 位) 由厂家自行指派，称为扩展唯一标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。

一个地址块可以生成 2^24 个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是 EUI-48。生产适配器时，6 字节的 MAC 地址已被固化在适配器的 ROM“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符 EUI-48。

 

 

 

四.  以太网的扩展

4.1 在物理层扩展以太网

缺点：

1. 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
2. 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。  

4.2 在数据链路层扩展以太网

扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行。早期使用网桥，现在使用以太网交换机。

网桥：工作在数据链路层。它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或把它丢弃。

以太网交换机(switch)：常称为交换式集线器 或第二层交换机 (L2 switch)，强调这种交换机工作在数据链路层。

特点：

• 以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，通常都有十几个或更多的接口。
• 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。
• 以太网交换机具有并行性。能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信。
• 相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。
• 以太网交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
• 以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
• 以太网交换机使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。

 

4.3 虚拟局域网

利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)。

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。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机是属于哪一个 VLAN。

虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。

由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合，使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。

 

• IEEE 批准了 802.3ac 标准，该标准定义了以太网的帧格式的扩展，以支持虚拟局域网。
• 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计算机属于哪一个虚拟局域网。
• 插入 VLAN 标记得出的帧称为 802.1Q 帧 或 带标记的以太网帧。