计算机网路之数据链路层笔记

先言

1. 数据链路层的功能
2. 数据链路层的两种信道
3. 局域网、广域网
4. 数据链路层的设备

数据链路层的入门

1.1、数据链路层的基本概念

（1）结点（节点）：主机、路由器；

（2）链路：网络中两个结点之间的物理通道，链路的传输介质主要有双绞线、光纤和微波。分为有线链路、无线链路。

（3）数据链路：网络中两个结点之间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成数据链路。

（4）帧：链路层的协议数据单元，封装网络层数据报。

1. 数据链路层：负责通过一条链路从一个结点向另一个物理链路直接相连的相邻结点传送数据报。
2. 数据链路层可说个是搬运工！

1.2、数据链路层的功能简述

（1）数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是：将源自网络层的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络。其主要作用是：加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路。

（2）数据链路层的具体功能：

• 功能1：为网络层提供服务。无确认无连接服务，有确认无连接服务，有确认面向连接服务。

  有连接一定有确认！俗话：即想（合规合法）牵手就得有同意！

• 功能2：链路管理，即连接的建立、维持、释放（用于面向连接的服务）。

• 功能3：组帧。

• 功能4：流量控制。限制发送方的发送

• 功能5：差错控制（帧错/位错）。

封装成帧 & 透明传输

2.1、封装成帧

（1）封装成帧：就是在一段数据的前后部分添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束。

首部和尾部包含许多的控制信息，它们的一个重要作用：帧定界（确定帧的界限）。

（2）帧同步：接收方应当能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始和终止。

（3）组帧的4种方法：

1. 字符计数法；
2. 字符（节）填充法；
3. 零比特填充法；
4. 违规编码法；

2.2、透明传输

（1）透明传输：指不管所传输的数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。因此，链路层就"看不见"有什么妨碍数据传输的东西。

（2）当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时，就必须采取适当的措施，使接收方不会讲这样的数据误认为是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输是透明的。

2.3、组帧的4种方法

1）字符计数法

• 帧首部使用一个计数字段（第一个字节，8位）来标明帧内的字符数。
• 痛点：鸡蛋装在一个篮子里了。

1. 当上图的第1个帧的第一个字节出错(由5出错为4)时，就会导致告诉接收方这个帧有4个字符，进一步导致第2个帧的首个字符由原来的5向前换成原来第一个帧的最后一个字符4；最终导致后面的帧都发生错误。
2. 即一步错，步步错。因而不常用。

2）字符（节）填充法；

1. SOH、EOT为定界符，用来定界帧的起始和终止；
2. 当接收方看到00000001时，就知道是帧的开端；当接收方收到00000010，就知道是帧的末端；但这种方式只适合文本文件。文本文件的字符都是从键盘上输入的，都是ASCII码，不会有重复字符（字节）；
3. 当传送的帧是由非ASCII码的文本文件组成时（二进制代码的程序或图像等），可能会有重复字符（字节）；进而导致错误地找到帧的边界，也把帧后面的数据丢弃了；

• 字符（节）填充法的具体实现过程：
  • 加入转义字符 ESC；
    
• 当传送的帧是由文本文件组成时（文本文件的字符都是从键盘上输入的，都是ASCII码）。不管从键盘上输入什么字符都可以放在帧里传过去，即透明传输。
• 当传送的帧是由非ASCII码的文本文件组成时（二进制代码的程序或图像等），就要采用字符填充方法实现透明传输。

3）零比特填充法；

1. 利用标志符01111110，在发送时数据部分逢5个1填充0，在接受时数据部分逢5个1删掉0；
2. 过程简单，很好地实现了透明传输；

操作：

1. 在发送端，扫描整个信息字段，只要连续5个1，就立即填入1个0。
2. 在接收端，收到一个帧时，先找到标志字段确定边界，再用硬件对比特流进行扫描。发现连续5个1时，就把后面的0删除。
   

保证了透明传输：在传送的比特流中可以传送任意比特组合，而不会引起对帧边界的判断错误。

4）违规编码法；

1. 如曼切斯特编码：每个比特都是高-低、低-高其实是在物理层比特编码的时候来实现透明传输的一种方法，如曼切斯特编码：每个比特都是高-低、低-高这两种，因而可以用"高-高"，"低-低"来定界帧的起始和终止。

• 可以用"高-高"，"低-低"来定界帧的起始和终止。

• 由于字节计数法Count字段的脆弱性（其值若有差错将导致灾难性后果）及字符填充实现上的复杂性和不兼容性，目前较普遍使用的帧同步法是比特填充和违规编码法。

差错控制

1、差错从何而来？

（1）笼统地说，就是噪声引起的。

【全局性】

• 由于线路本身电气特性所产生的随机噪声（热噪声），是信道固有的，随机存在的。

• 解决办法：提高信噪比来减少或避免干扰。（对传感器下手）

【局部性】

• 外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声，是产生差错的主要原因。

• 解决办法：通常利用编码技术来解决。

（2）差错的两类·：

• 位错【比特出错，1变0，0变1】
• 帧错：发送 [#1]-[#2]-[#3]
  • 丢失：收到[#1]-[#3]
  • 重复：收到[#1]-[#2]-[#2]-[#3]
  • 失序：收到[#1]-[#3]-[#2]

（3）链路层为网络层提供服务：

• 无确认无连接服务 —— 通信质量好，有线传输链路
• 有确认无连接服务 —— 通信质量差，无线传输链路
• 有确认面向连接服务 —— 通信质量差，无线传输链路

2、数据链路层的差错控制

（1）差错控制（比特错）：

• 检错编码
  • 奇偶校验码
  • 循环冗余码
• 纠错编码
  • 海明码

（2）冗余编码

在数据发送之前，先按某种关系附加上一定的冗余位，构成一个符合某一规则的码字后再发送。当要发送的有效数据变化时，相应的冗余位也随之变化，使码字遵从不变的规则。接收端根据收到码字是否仍符合原规则，从而判断是否出错。

（3）编码的区别：

1. 数据链路层编码和物理层的编码与调制不同。
2. 物理层编码针对的是的单个比特，解决传输过程中比特的同步等问题，如曼切斯特编码。
3. 而数据链路层的编码针对的是一组比特，它通过冗余码的技术实现一组二进制比特串在传输过程是否出现了差错。

3、检错编码——奇偶校验码

小练：如果一个字符S的ASCII编码从高到低依次为1100101，采用奇校验，在下述收到的传输后字符中，哪种错误不能检测？

A. 11000011 B. 11001010 C. 11001100 D. 11010011

奇偶检验码的特点：

• 只能检查出奇数个比特错误，检错能力为50%。

4、检错编码——CRC循环冗余码

（1）CRC循环冗余码的思想

（2）使用CRC循环冗余码的所需知识

1. 最终发送的数据：
   要发送的数据 + 帧检验序列/冗余码，即FCS
2. 如何计算冗余码
（1）加0	假设生成多项式G(x)的阶为r,则加r个0
（2）模2除法  数据加0后除以多项式，余数为冗余码/FCS/
	CRC检验码的比特序列
3. 10011表示成多项式为：
	x4 + x1 + x0
= x4 + x1 + 1
阶为4

4. 区别：
   CRC是检错编码的方法；
   FCS是冗余码；

（3）接收端的检错过程：

1. 把收到的每一个帧都要除以同样的除数，然后检查得到的余数R；
2. 余数为0，则判定这个帧没有差错；接收；
3. 余数不为0，则判定这个帧由差错（无法确定到位）；丢弃；

FCS的生成以及接收端CRC检验都是硬件实现的，处理很迅速，因此不会延误数据的传输。

（4）例题：

1. 例如：要发送的数据是1101 0110 11，采用CRC校验，生成多项式是10011，那么最终发送的数据应该是？

（6）CRC循环冗余码的补充知识

1）在数据链路层仅仅使用循环冗余检验CRC差错检测技术，只能做到对帧的无差错接收，即"凡是接收端数据链路层接收的帧，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"。接收端丢弃的帧虽然曾收到了，但是最终还是因为有差错被丢弃。“凡是接收端数据链路层接收的帧均无差错”。

2）“可靠传输”：数据链路层发送端发送什么，接收端就接收什么。

3）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。

5、纠错编码——海明码

工作流程：

1. 确定校验码
2. 确定校验码和数据的位置
3. 求出校验码的值
4. 检错并纠错

计算过程：

补充：假设要检测的有效信息为n位，需要增加的校验码位为k位，则校验码的长度为n+k位。校验位的状态组合，应当具有指出n+k位中任意一位有错或无错的能力，即需要区别出n+k+1种状态。应满足以下关系式：2的k次幂>=n+k+1，这个关系式称为海明不等式。若信息位长度n确定后，由此可得到校验位k的最短长度。

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信道划分介质访问控制

1、传输数据使用的两种链路

1. 点对点链路
   两个相邻节点通过一个链路相连，没有第三者。
   应用：PPP协议，常用于广域网。
2. 广播式链路
   所有主机分享通信介质。
   应用：早期的总线以太网、无线局域网，常用于局域网。
   典型拓扑结构：总线型、星型（逻辑总线）
   

2、介质访问控制的简介

介质访问控制的内容就是，采取一定的措施，使得两对节点之间的通信不会发生互相干扰的情况。

3、信道划分介质访问控制

信道划分访问控制：将使用介质的每个设备与来自同一信道上的其他设备的通信隔离开，把时域和频域资源合理地分配給网络上的设备。

4、频分多路复用 FDM

• 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽（频率带宽）资源。
• 充分利用传输介质宽带，系统效率较高；由于技术比较成熟，实现也比较容易。

1. 频率由高到低，波形的周期的宽度由小到大。

5、时分多路复用 TDM

• 将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙，所有用户轮流占用信道。
• TDM帧是在物理层传送的比特流所划分的帧，而不是数据链路层的封装成的帧。

频分复用 —— 类似于操作系统的"并行"
时分复用 —— 类似于操作系统的"并发"

6、改进的时分复用——统计时分复用STDM

每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，一个STDM帧满了就发出。STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙。

1. 假设TDM的信道最高输速率为8000b/s，则其每人（A,B,C,D）最高传输速率为2000b/s。而在当TDM的信道最高传输速率为8000b/s，则其每人（A）最高传输速率为8000b/s。

7、波分多路复用 WDM

波分多路复用就是光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长（频率）的光信号，由于波长（频率）不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。

8、码分多路复用 CDM

码分多址（CDMA）是码分复用的一种方式。

1个比特分为多个码片/芯片（chip）,每一个站点被指定一个唯一的m位的芯片序列。

发送1时，站点发送芯片序列；发送0时，发送芯片序列反码（通常把0写出-1）

1. 如何不打架：多个站点同时发送数据的时候，要求各个站点芯片序列相互正交。
2. 如何合并：各路数据在信道中被线性相加。
3. 如何分离：合并的数据和源站规格化内积。

例题：

ALOHA协议

ALOHA一词来源于美国的夏威夷的ALOHA!，读作“鹅落哈”

1、纯ALOHA协议

纯ALOHA协议思想：不监听信道，不按时间槽发送，随机发送。 想发就发

1. 冲突如何检测？
如果发生冲突，接收方就会检测出差错，然后不予确认，发送方在一定时间内收不到确认，就会判断发生冲突。
2. 冲突如何解决？
超时后等一随机时间再重传。

2、时隙ALOHA协议

时隙ALOHA协议的思想：把时间分成若干个相同的时间片（时间槽），所有用户在时间片开始时刻接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。

本质：控制想发就发的随意性。

3、关于ALOHA要知道的事

1. 纯ALOHA协议比时隙ALOHA吞吐量更低，效率更低。
2. 纯ALOHA协议想发就发，时隙ALOHA只有在时间片段开始时才能发。

CSMA协议

1、CSMA协议的简介

CSMA协议，即载波监听多路访问协议；CSMA，即carrier sense multiple access

CS：载波监听/侦听，每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其它计算机在发送数据。

# 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号 电压摆动值 将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号 电压摆动值 超过一定门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞，即发生了冲突。

MA：多点接入，表示很多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

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CSMA协议的思想：发送帧之前，监听信道。

2、1-坚持CSMA

（1）坚持指的是对于监听信道忙之后的坚持。

（2）1-坚持CSMA协议的思想：

如果一个主机要发送信息，那么它先监听信道。
空闲则直接传输，不必等待。
忙则一直监听，直到空闲马上传输。
如果有冲突(一段时间内未收到肯定回复)，则等待一个随机长的时间再监听，重复上述过程。

（3）1-坚持CSMA协议的优缺点：

• 优点：只要媒体空闲，站点就马上发送，避免了媒体利用率的损失。

• 缺点：假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。

3、非坚持CSMA

（1）非坚持指的是对于监听信道忙之后就不继续监听。

（2）非坚持CSMA协议的思想：

如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。
空闲则直接传输，不必等待。
忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。

（3）非坚持CSMA协议的优缺点：

• 优点：采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。
• 缺点：可能存在大家都在延迟等待过程中，使得媒体仍可能处于空闲状态，媒体使用率降低。

4、p-坚持CSMA

（1）p-坚持指的是对于监听空闲的处理。

（2）p-坚持CSMA协议的思想：

如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。
空闲则以p概率直接传输，不必等待；概率为1-p等待到下一个时间槽再传输。
忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。

（3）p-坚持CSMA协议的优缺点：

• 优点：既能像非坚持CSMA协议那样减少冲突，又能像1-坚持CSMA协议那样减少媒体空闲时间。
• 缺点：发生冲突后还是坚持把数据帧发送完，造成了浪费。

有没有什么办法可以减少资源浪费，一冲突就能发现呢？ 先思考思考！

5、3 种CSMA对比总结

将3种CSMA协议看做是三个想喝奶茶的人儿~

CSMA/CD协议

1、CSMA/CD协议的简介

CSMA/CD：（carrier sense multiple access with collision detection）,即载波监听多点接入/碰撞检测。

CS：载波监听/侦听，每一个站在发送数据之前以及发送数据时都要检测一下总线上是否有其它计算机在发送数据。

MA：多点接入，表示很多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

CD：碰撞检测（冲突检测），“边发送边监听”，适配器边发送数据边检测信道上信号电压的情况，来判断自己在发送数据时其它站是否也在发送数据。

1. 为什么先监听后发数据还是会发生冲突呢？
答：因为电磁波在总线上总是以有限的速率传播的，加上传输数据的信道可能很长(出现传播时延)，因而会发生冲突。

2、传播时延对载波监听的影响

1. A站正在向B站发数据，B站也想向A站发数据。但由于信道太长，A站发的数据还在信道上，B站还没接收A的数据，B站检测到信道是空闲的，这时B站就发数据，A-->B A<--B，这时碰撞(冲突)就出现了。
2. 单程端到端传播时延：τ，读作"涛"。即数据从A站端到B站端的所花的时间。

3. 最迟多久才能知道自己发送的数据没和别站碰撞？
做多是两倍的总线端到端的传播时延（2τ）
2τ也是 总线的端到端往返传播时延
2τ也叫做 争用期/冲突窗口/碰撞窗口
4. 启示：
只要经过2τ的时间还没有检测到碰撞，就能肯定这次发送不会发生碰撞。

3、如何确定碰撞后的重传时机？

重传时间随意的话，还是会发生碰撞。

这部分慢慢琢磨,这是重点

• 使用截断二进制指数规避算法
  

例题：在以太网的二进制回退算法中，在11次碰撞之后，站点会在 0~？ 之间选择一个随机数。

先思考一下~

# 解：11次碰撞,k不再增大，k=10, ? 等于2的10次幂减去1，即？等于1023

4、最小帧长问题

现象：A站发了一个很短的数据帧，但发生碰撞，不过帧在发送完毕后才能检测到发生碰撞，没法停止发送。因为发完了帧。

处理方式：令

也就是：

5、小结

CSMA/CA协议

1、CSMA/CA协议的简介

CSMA/CA：（carrier sense multiple access with collision avoidance）,即载波监听多点接入/碰撞避免。

2、CSMA/CA协议工作原理：

1. 发送数据前，先检测信道是否空闲。

2. 信道空闲则发出RTS（request to send）,RTS包括发射端的地址、接收端的地址、下一份数据将持续发送的时间等信息；信道忙则等待。

3. 接收端收到RTS后，将响应CTS（clear to send）。

4. 发送端收到CTS后，开始发送数据帧（同时预约信道：发送方告诉其它站点自己要传多久数据）。

5. 接收端收到数据帧后，将用CRC来检测数据是否正确，正确则响应ACK帧。

6. 发送方收到ACK帧，就可以进行下一个数据帧的发送，若没有则一直重传至规定重发次数为止（采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间）。

# 理解记住这些玩意：
1. 预约信道
2. ACK帧
3. RTS/CTS帧（可选）

3、CSMA/CD 与 CSMA/CA 的异同点

相同点：

CSMA/CD 与 CSMA/CA机制都从属于CSMA的思路，其核心是先停再说。换句话说，就是两个在接入信道之前都需要进行监听。当发现信道空闲后，才能进行接入。

不同点：

1. 传输介质不同：CSMA/CD用于总线式以太网【有线】，而CSMA/CA用于无线局域网【无线】。
2. 载波检测方式不同：因传输介质不同，CSMA/CD 与 CSMA/CA的检测方式也不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测（ED）、载波检测（CS）和能量载波混合检测3种检测信道空闲的方式。
3. CSMA/CD检测冲突，CSMA/CA避免冲突，二者出现冲突后都会进行有上限的重传。

轮询访问介质访问控制

1、介质访问控制

信道划分介质访问控制（MAC Multiple Access Control）协议：

• 基于多路复用技术划分资源。
• 网络负载重：共享信道效率高，且公平。
• 网络负载轻：共享信道效率低。

随机访问 MAC协议：冲突

• 用户根据意愿随机发送信息，发送信息时可独占信道带宽。
• 网络负载重：产生冲突开销。
• 网络负载轻：共享信道效率高，单个节点可利用信道全部带宽。

轮询访问 MAC协议/轮流协议/论转访问 MAC协议：

• 既要不产生冲突，又要发送时占全部带宽。

• 包括轮询协议、令牌传递协议。

1. 多个主机需要通过一条“共享介质”发送和接收数据被称为“多路访问/多路存取”。
2. 这里的MAC可以是多路访问控制(Multiple Access Control)、介质访问控制(Mediu Access Control)。
	原因：是由于1。

2、轮询协议

轮询协议：主机结点轮流"邀请"从属结点发送数据。这个头儿真体贴！

问题：1）轮询开销 2）等待往返 3）单点故障

3、令牌传递协议

令牌：

• 一个特殊格式的 MAC 控制帧，不含任何信息。

• 控制信道的使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道。

• 令牌环网无碰撞

• 每个结点都可以在一定的时间内（令牌持有时间）获得发送数据的权利，并不是无限制地持有令牌。
  

令牌传递协议：

• 应用于令牌环网（物理上星型拓扑，逻辑上环形拓扑）。
• 问题：1）令牌开销 2）等待延迟 3）单点故障
• 采用令牌传送方式的网络常用于负载较重、通信量较大的网络。

# 为什么令牌传递协议常用于负载较重、通信量较大的网络？
先思考一下~
# 答：（1）因为在负载较轻、通信量较小的网络中，也说明该网络中想发数据的结点少，比如此时间自由结点A想发很多的数据，其它的结点都不想发数据。结点A在令牌持有时间中发数据，时间一到，就要等一轮的循环时间才能再次发数据，而且在这循环时间中，其它结点都不想发数据，就降低通信效率。
#  （2）因为在负载较重、通信量较大的网络中，也说明该网络中想发数据的结点很多，用于令牌传递协议，可以让各结点的都能分配到一定的令牌持有时间，来发数据，避免“某个结点想发数据却没法发数据”的现象。
#  （3）采用令牌传送方式的网络常用于负载较重、通信量较大的网络。

局域网

1、局域网的基本概念

局域网（Local Area Network）:简称LAN，是指在某一个区域内由多台计算机互联成形成的计算机组，使用广播信道。

局域网的特点：

• 特点1：覆盖的地理范围较小，只在一个相对独立的局部范围内联，如同一座或集中的建筑群内。

• 特点2：使用专门铺设的传输介质（双绞线、同轴电缆）进行联网，数据传输速率高。

• 特点3：通信延迟时间短，误码率低，可靠性较高。

• 特点4：各站为平等关系，共享传输信道。

• 特点5：多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播。

局域网的特点是由局域网的主要要素决定的，包括网络拓扑、传输介质、介质访问控制方法。

2、局域网拓扑结构

星型拓扑：中心节点是控制中心，任意两个节点的通信最多只需两步，传输速度快，并且网络拓扑结构简单、建网容易、便于控制和管理。但这种网络系统，网络可靠性低，网络共享能力差，有单点故障问题。

总线型拓扑：网络可靠性高、网络节点间响应速度快、共享资源能力强、设备投入量少、成本低、安装使用方便，当某个工作站节点出现故障时，对整个网络系统影响小。

环形拓扑：系统中通信设备和线路比较节省。有单点故障问题；由于环路是封闭的，所以不便于扩充，系统响应延时长，且信息传输效率相对较低。

树型拓扑：易于拓展，易于隔离故障，也容易有单点故障问题。

3、局域网传输介质

4、局域网介质访问控制方式

1. CSMA/CD 常用于总线型局域网，也用于树型网络。
2. 令牌总线 常用于总线型局域网，也用于树型网络。
   • 它是把总线型或树型网络中的各个工作站按一定顺序（如按接口地址大小排列形成一个逻辑环0）。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送消息的权力。
3. 令牌环 用于环形局域网，如令牌环网。

5、局域网的分类

1. 以太网
   • 以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网（10Mbps）、快速以太网（100Mbps）、千兆以太网（1000 Mbps）和 10G以太网，它们都符合 IEEE802.3 系列标准规范。逻辑拓扑是总线型，物理拓扑是星型或拓展星型。使用 CSMA/CD。
2. 令牌环网
   • 物理上采用了星型拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。可以说是早过时辽。
3. FDDI网（Fiber Distributed Data Interface）
   • 物理上采用了双环拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。
4. ATM网（Asynchronous Transfer Mode）
   • 算是较新型的单元交换技术，使用53个字节的固定长度的单元进行交换。
5. 无线局域网（Wireless Local Area Network，即WLAN）
   • 采用 IEEE 802.11 标准。

6、IEEE 802标准

IEEE 802 系列标准是 IEEE 802 LAN/MAN 标准委员会制定的局域网、城域网技术标准（1980年2月成立）。其中最广泛使用的有以太网、令牌环、无线局域网等。这一系列标准中的每一个子标准都由委员会中的一个专门工作组负责。

# 上图画红色下划线的4个标准协议得记记！

7、MAC子层 和 LLC子层

IEEE 802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层。

LLC子层：负责识别网络层协议，然后对它们进行封装。LLC 报头告诉数据链路层一旦帧被接收到时，应当对数据包做如何处理。为网络层提供服务：无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送。

MAC子层：负责对数据帧的封装/卸装、帧的寻址和识别、帧的接收与发送、链路的管理、帧的差错控制等。MAC子层的存在 屏蔽了不同物理链路种类的差异性。

8、小结

以太网

1、以太网概述

（1）以太网（Ethernet）指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带总线局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术。

（2）以太网在局域网各种技术中占统治性地位。为啥它这么强呢？

1. 造价低廉（以太网网卡不到100元）；
2. 是应用最广泛的局域网技术；
3. 比令牌环网、ATM网便宜，简单；
4. 满足网络速率要求：10Mb/s~10Gb/s；

（3）以太网的两个标准：

• DIX Ethernet V2 ：第一个局域网产品（以太网）规约。
• IEEE 802.3：IEEE 802委员会802.3工作组制定的第一个IEEE的以太网标准。（帧格式有一丢丢改动）

802.3局域网 AKA以太网

2、以太网提供无连接、不可靠的服务

（1）无连接：发送方和接收方之间"握手过程"。

（2）不可靠：不对发送方的数据帧编号，接收方不向发送方进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠正由高层负责。

（3）以太网只实现无差错接收，不实现可靠传输。

3、以太网传输介质与拓扑结构的发展

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

以太网拓扑：逻辑上总线型，物理上星型。

4、10BASE-T以太网

10BASE-T是传送基带信号的双绞线以太网，T表示采用双绞线，现10BASE采用的是无屏蔽双绞线（UTP）,传输速率是10Mb/s。

• 物理上采用星型拓扑，逻辑上总线型，每段双绞线最长为100m。

• 采用曼切斯特编码。

• 采用CSMA/CD介质访问控制。

5、适配器 与 MAC地址

（1）计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器的。

（2）网络接口板，即网络接口卡 NIC（Network Interface Card）。但现在，不再使用单独网卡。

（3）现在，适配器上装有处理器和存储器（包括RAM 和 ROM），ROM 上有计算机硬件地址——MAC 地址。

（4）在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC 地址。【实际上是标识符】

（5）MAC 地址：每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家（由IEEE规定），后24位厂家自己指定。常用6个十六进制数表示，如02-60-8a-dc-21。

6、以太网 MAC 帧

最常用的是以太网V2的格式。

与IEEE 802.3的区别：

1. 第三个字段是长度/类型；
2. 当长度/类型字段小于0x0600时，数据字段必须装入LLC子层。

7、高速以太网

速率 大于或等于 100Mb/s 的以太网称为高速以太网。

1. 100BASE-T以太网
   • 在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型太网，仍使用IEEE 802.3的CSMA/CD协议。
   • 支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突。
2. 吉比特以太网
   • 在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号。
   • 支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突。
3. 10吉比特以太网
   • 10吉比特以太网在光纤上传送10Gb/s信号。

8、小结

IEEE 802.11 无线局域网

1、IEEE 802.11

IEEE 802.11是无线局域网通用的标准，它是由IEEE所定义的无线网络通信的标准。

1. 无线局域网 与 Wifi是一样的不？
答：当然是不一样诶！无线局域网所覆盖的范围要比Wifi所覆盖的范围大得多，如无线局域网覆盖范围为一个大村庄，WiFi覆盖范围为一栋楼房。

MAC帧的帧头是MAC帧最重要的部分嘀~

2、802.11的MAC 帧头格式

1. 假如A主机要跟B主机通信，离A主机最近的基站是AP1，离B主机最近的基站是AP2；AP称为无线接入点，也叫基站。通信过程是怎样的？
A主机发数据给AP1，然后AP1把数据发给AP2，最后AP2再把数据发给主机2。
MAC帧存的就是MAC地址。
地址1(RA)存的是MAC(AP2),地址2(TA)存的是MAC(AP1)，地址3(DA)存的是MAC(B)，地址4(SA)存的是MAC(A)。
2. 为什么我们过省出差、过省旅游，通常会接收“某某省，欢迎你！”的手机消息？
答：因为在我们生活中，存在着很多很多的基站，若是上午离你的手机最近的基站为AP3，那你的手机号就存储于AP3的数据库；但你是大忙人，需要过省出差，下午的时候离你的手机最近的基站为AP4、离AP3已经很远了,那你的手机号就存储于AP4的数据库；基站的数据库时常在更新着，且更新速率很快。

除了上面的这种MAC帧头格式，还有其它的，看看就行~

3、无线局域网的分类

• 有固定基础设施的无线局域网
  

无线局域网的服务标识符:

• 无固定基础设施的无线局域网的自组织网络
  

PPP协议 & HDLC协议

1、广域网

广域网（WAN，Wide Area Network）,通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。

广域网的通信子网主要使用分组交换技术，广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。如因特网（Internet）是世界范围内最大的广域网。

2、PPP 协议的特点

点对点协议PPP（Point-to-Point）是目前使用最广泛的数据链路层协议，用户使用拨号电话接入因特网时一般使用 PPP 协议。

PPP 协议只支持全双工链路。

3、PPP协议应满足的要求：

简单 对于链路层的帧，无需纠错，无需序号，无需流量控制。

封装成帧 帧定界符

透明传输 与帧定界符一样比特组合的数据应该如何处理：异步线路用字节填充，同步线路用比特填充。

多种网络层协议 封装的IP数据报可以采用多种协议。

多种类型网络 串行/并行，同步/异步，电/光等。

差错控制 错就丢弃。

检测连接状态 链路是否正常工作。

最大传送单元 数据部分最大长度MTU。

网络层地址协商 知道通信双方的网络层地址。

数据压缩协商

4、PPP协议无需满足的要求：

• 纠错

• 流量控制

• 序号

• 不支持多点线路

5、PPP协议的三个组成部分

1） 一个将IP数据报封装到串行链路（同步串行/异步串行）的方法。

2） 链路控制协议LCP：建立并维护数据链路连接。 身份验证

3） 网络控制协议NCP：PPP可支持多种网络层协议，每个不同的网络层协议都要一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。

6、PPP协议的状态图

7、PPP的帧格式

8、HDLC协议

高级数据链路控制（High-Level Data Link Control 或简称HDLC）,是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织（ISO）根据IBM公司的SDLC（Synchronous Data Link Control）协议扩展开发而成的。

• 数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入法”，易于硬件实现。

• 采用全双工通信

• 所有帧采用CRC检验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重份，传输可靠性高。

9、HDLC的站

主站、从站、复合站

1） 主站的主要功能是发送命令（包括数据信息）帧、接收响应帧，并负责对整个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错检测或恢复等。

2） 从站的主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并且配合主站参与差错恢复等链路控制。

3） 复合站的主要功能是既能发送，又能接收命令帧，并且负责整个链路的控制。

三种数据操作方式：

1. 正常响应方式

2. 异步平衡方式

3. 异步响应方式

1. 正常响应方式：如果从站想要发送数据，需要经过先经过主站的同意，主站命令从站说可以发送数据，从站才能发送数据。
2. 异步平衡方式：每一个站都可以进行数据传输，每一个的地位相对平等，但场面非常混乱。
3. 异步响应方式：从站胆子肥了，经过先经过主站的同意，就自行发送数据。

10、HDLC的帧格式

1） 信号帧（I）第1位为0，用来传输数据信息，或使用捎带技术对数据进行确认；

2） 监督帧（S）10，用于流量控制和差错控制，执行对信息帧的确认、请求重发和请求重发和请求暂停发送等功能；

3） 无编号帧（U）11，用于提供对链路的建立、拆除等多种控制功能。

11、PPP协议 & HDLC协议

• HDLC、PPP只支持全双工链路。

• 都可以实现透明传输。

• 都可以实现差错控制，但不纠正差错。

来个表比较比较~

12、小结

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链路层设备

1、回顾物理层设备——集线器

• 集线器（英语：Hub）是指将多条以太网双绞线或光纤集合连接在同一段物理介质下的设备。

• 集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。

• 它工作于OSI(开放系统互联参考模型)参考模型的物理层，与网卡、网线等传输介质一样，属于局域网中的基础设备，采用CSMA/CD（带冲突检测的载波监听多路访问技术)介质访问控制机制。

2、集线器扛不动

1. 冲突域里面的主机同一时间只有一台主机（站点）可以发送信号。上图的3个集线器同一时间就各自只有一台主机有3台可以发信号，一个主干集线器同一时间就只有一个集线器可以转发信号。集线器产生冲突域，冲突域又影响集线器，最终导致通信能力大大降低。

2. 既然集线器扛不动着冲突域的重担，就让能隔离冲突域的网桥小哥出手。

3、网桥

3.1、网桥、网段的简介

网桥，一种链路层设备。它根据 MAC 帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，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，或者是把它丢弃（即过滤）。

网段：一般指一个计算机网络中使用同一物理层设备（传输介质、中继器、集线器等）能够直接通讯的那一部分。

浅橙色含有主机E、F的冲突域就可以说是一个网段。

3.2、中继器、集线器、网桥、交换机

1. 中继器是对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度的物理层设备。
2. **集线器（Hub）**可以说是个多口中继器，不能隔离冲突。
3. **网桥（Bridge）是早期的两端口二层网络设备，用来连接不同网段。网桥的两个端口分别有一条独立的交换信道，不是共享一条背板总线，可隔离冲突域。网桥比集线器（Hub）性能更好，缓解冲突域问题，集线器上各端口都是共享同一条背板总线的。后来，网桥被具有更多端口、同时也可隔离冲突域的交换机（Switch）**所取代。

3.3、浅析网桥的优点：

1. 过滤通信量，增大吞吐量；
   • 网桥是工作在链路层的链路层设备，它可以把各个冲突域分隔开。
   • 如果网桥换成集线器（物理层设备），就没有这种过滤通信量，分隔冲突域的功能。
   • 不同网段的通信是互不干扰的，如上图的A主机跟B主机在通信的同时，C主机跟D主机也可以进行通信。不像物理层那样，即上图的6个主机不能同时进行通信。
   • 若是每个网段的数据传输速率为10Mb/s，经过网桥，那么3个网段合起来的（网桥）的吞吐量为30Mb/s。
2. 扩大了物理范围；
   • 上图的网桥实现了A主机能跟遥远的E、F主机通信，而物理层的集线器只能在相同的网段进行广播（传输数据），从现实角度，也说明物理范围的扩大。
3. 提高了可靠性；
   • 一个网段出现故障，其它网段不受影响。
4. 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率的以太网；
   • 生产网桥的目的。

4、网桥分类：透明网桥、源路由网桥

• 透明网桥："透明"指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，是一种即插即用设备——通过自学习的方法。

1. 网桥1对应转发表1，网桥2对应转发表2；网桥还是有点脑子嘀，自学习算法就是网桥对转发表的使用，本质就是通过记录地址-接口，来判断传来的信号是要从哪个接口转发出去还是丢弃。
2. 为啥透明？其实是网桥不知道当前网络的拓扑结构，需要通过自学习算法来对数据帧进行处理操作。

3. A主机发出信号(即数据帧)，想把信号传给B主机。上面的红色线为信号的传送踪迹。
	当这个帧传到主机G时，G判断出不是发给自己，就丢弃。
	当这个帧传到B时，B判断出是发给自己，就接收。但这个帧还是会继续传送下去。
	当这个信号传到网桥1的接口1时，网桥1会查下转发表1，发现并没有A的地址，就将这个帧的接口号1写入转发表1，并将这个帧从网桥1的接口2转发出去。
	主机C、D对这个帧的判断处理跟主机G一样，这个帧传到网桥2的接口1时，网桥2的操作跟网桥1一样，后面的E、F跟G一样。
4. F主机发出信号(即数据帧)，想把信号传给C主机。上面的铅笔画的浅灰线为信号的传送踪迹。
5. B主机发出信号(即数据帧)，想把信号传给A主机。上面的蓝色线为信号的传送踪迹。
	当这个帧传到A时，A判断出是发给自己，就接收。但这个帧还是会继续传送下去。
	当这个帧传到主机G时，G判断出不是发给自己，就丢弃。
	当这个信号传到网桥1时，网桥1会查下转发表1，发现并存有A的地址，就将这个帧丢弃，这个帧就不再通过网桥1的接口出去。这个帧在网桥上就传送终止。
	
6. 转发表的存储内容是有限的，未满时，继续写入信息；满时，就刷新清除。

• 源路由网桥：在发送帧时，把详细的最佳路由信息（路由最少/时间最短）放在帧的首部。

  方法：源站以广播方式向想要通信的目的站发送一个发现帧。

# 其实就是让炮灰（小的帧）探路，然后返回最佳路由的路径信息，再将其放在数据帧的首部。

5、多接口网桥——以太网交换机

# 就个人理解，以太网交换机：实际上可以类似于多个网桥并在一起，形成的更多接口的以太网交换机，具有隔离冲突域等能力。

以太网交换机的两种交换方式

• 直通式交换机

  查完目的地址（6B）就立刻转发；

  延迟小，可靠性低，无法支持具有不同速率的端口的交换。

• 存储转发式交换机

  将帧放入高速缓存，并检查是否正确，正确则转发，错误则丢弃；

  延迟大，可靠性高，可以支持具有不同速率的端口的交换。

还有这两种交换方式混合使用

6、冲突域与广播域

冲突域：在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧。简单地说，就是同一时间内只能有一台设备发送信息的区域（或范围）。

广播域：网络中能接收任一设备发出的广播帧的所有设备的集合。简单地说，某站点发出一个广播信号，所有能接收到这个信号的设备所围成的区域（或范围）。

隔离冲突域、隔离广播域

俗话开始~

冲突就是一个人说话其他人都得闭嘴，而交换机连的多个集线器各自都能由一个人说话且相互不影响，一个集线器如同一个人。冲突域就是该地方同一时间只允许一个人说话的区域。广播域就是我说出一句话，所有能够听见我所说的这句话的人的位置所围成的区域。

答：4个冲突域，1个广播域。

7、小结

1. MAC帧是以太网的帧格式，用于局域网；PPP用于广域网；
2. 为什么PPP协议帧没有目的地址？
答：因为PPP协议是点对点传输的，不需要用到目的地址；它不光没用地址位，控制位也不携带PPP帧的信息。