本章目录
- 使用点对点信道的数据链路层
- 点对点协议PPP
- 使用广播信道的数据链路层
- 使用广播信道的以太网
- 扩展的以太网
- 高速以太网
- 其他类型的高速局域网接口
数据链路层的信道主要有以下两种类型：点对点信道，广播信道
使用点对点信道的数据链路层
链路：指从一个结点到相邻结点的一端物理线路
数据链路：硬件加上通信协议
帧：数据链路层的协议数据单元
数据链路层的三个共同基本问题：封装成帧、透明传输、差错检测
封装成帧：就是在一段数据前后分别添加首部和尾部，构成一个帧
每一种数据链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限，最大传送单元MTU
控制字符SOH放在帧最前面表示帧开始，EOT放在最后面表示帧结束
解决透明传输中数据部分出现SOH或EOT控制字符的方式是字节填充或字符填充，在数据部分中的SOH和EOT前加上转义字符
传输过程中0变为1,1变为0称为比特差错，
传输错误的比特占传输比特总数的比率称为误码率BER
差错检测技术：循环冗余检验CRC
CRC检验只能检验有无差错，并不知道那里出错
除了比特差错外还有：帧丢失、帧重复或帧失序等差错
点对点协议PPP
高级数据链路控制HDLC可以实现链路层的数据可靠传输
由于现在链路层不要求进行可靠传输，HDLC已经很少使用了
点对点协议PPP称为最广泛的数据链路层协议
PPP协议设计的需求：
- 简单：IETF把因特网体系结构最富在的部分防在TCP协议中，网际协议IP需要简单的实现
- 封装成帧：PPP协议必须规定特殊字符作为帧定界符，将数据封装成帧
- 透明性：PPP必须保证数据传输的透明性
- 多种网络层协议：PPP协议必须能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议。
- 多种类型链路：PPP必须能够在多种类型的链路上运行。
- 差错检测：PPP协议必须能够对接受端的帧进行检测。
- 检测连接状态：PPP必须具有一种机制能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。
- 最大传送单元：PPP协议必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元MTU的标准默认值。
- 网络层地址协商：PPP协议必须提供一种机制使通信的两个网络层的实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地质。
- 数据压缩协商：PPP协议必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。
运行在以太网上的PPP称为PPPoE，把PPP帧再封装在以太网帧中
PPP协议不需要的功能：
- 纠错：PPP协议是不可靠传输协议，只检错而不纠错。
- 流量控制：在TCP/IP协议族中，端到端流量控制由TCP负责，PPP不需要流量控制
- 序号：PPP是不可靠传输协议，因此不需要使用帧的序号。
- 多点线路：PPP协议不支持多点线路，只支持点对点的链路通信
- 半双工或单工链路：PPP协议只支持全双工链路
PPP协议的组成：一个将IP数据报封装到串行链路的方法，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，一套网络控制协议NCP
PPP帧的首部和尾部分别是四个字段和两个字段，首部第一个字段和尾部第二个字段都是标志位，如下图：
字段A规定为0xFF（11111111），控制字段C规定为0x03（00000011）
第四个字段是是2个字节的协议字段，当值为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。若值为0xC021时，则信息字段是PPP链路控制协议LCP的数据。0x8021表示是网络层的控制数据。
当信息字段中出现和标志字段一样的比特（0x7E）组合时，需要转义，PPP把转义字符定义为0x7D，并使用字节填充，方法如下：
- 将0x7E转换成（0x7D，0x5E），
- 0x7D转换成（0x7D，0x5D），
- ASCII的控制字符前加一个0x7D，
- 0x03（传输结束字符“ETX”）转换成（0x7D，0x31）
零比特填充：PPP协议用在SONET/SDH链路时，使用同步传输，在这种情况下采用零比特填充。在每个连续的5个1后面添加一个0
PPP协议的工作状态
PPP链路初始化过程：
1.链路静止： 初始和终止都是链路静止状态，这时PC机和ISP的路由器之间不存在物理层的连接。
2. 连接建立：拨号进入链路建立状态，发送协议字段为LCP对应码的PPP帧进行LCP配置协商，配置包括链路上最大帧长、使用的鉴别协议、PPP帧中的地址和控制字段，
3. 鉴别：协商结束后进入鉴别状态，鉴别状态只允许发送协议的分组、鉴别协议的分组以及监测链路质量的分组，
4. 链路终止：鉴别失败进入链路终止状态，
5. 网络层协议：鉴别成功进入网络层协议状态，网络控制协议NCP选择使用的网络层协议，
6. 最后进入链路打开状态，当发送终止请求后回到链路终止状态，链路故障也会到链路终止状态，调制解调器载波停止则转到链路静止状态
鉴别协议：口令鉴别协议PAP，口令握手鉴别协议CHAP
使用广播信道的数据链路层
局域网的最主要特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限
局域网的主要优点：具有广播功能、设备位置可以灵活调整和改变、提高系统的可靠性、可用性和生存性
局域网的网络拓扑如下图：
是众多用户能够合理而方便地共享通信媒体的技术上的两种方法：
- 静态信道划分：复用技术如频分复用、时分复用、波分复用和码分复用等用户只要分配到了信道就不会和其他用户发送冲突。
- 动态媒体接入控制（多点接入）：随机接入（用户可随机地发送信息，但如果同一时刻多个用户发送信息会发生碰撞，所以需要解决碰撞的网络协议），受控接入（用户不能随机地发送信息，必须服从一定的控制）
以太网是美国施乐公司的Palo Alto研究中心在1975年研制成功的
数据链路层被拆分为两个子层：逻辑链路控制子层和媒体接入控制MAC子层
适配器的作用：计算机与外界局域网的链接是通过通信适配器，适配器是主机箱内的一块网络接口板称为网络接口卡NIC简称“网卡”，适配器上装有处理器RAM和存储器ROM，RAM用于对外部串行与内部主机并行传输方式的转换，
以太网提供的是不可靠的交付，即尽最大努力的交互
以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号
曼彻斯特编码将每一个码元再分成两个相等的间隔，1表示电压前高后低，0表示电压前低后高
载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD协议进行协调线路上的数据发送
多点接入：表示总线型网络
载波监听：发送前监听线路是否有其他主机发送数据，有则等待，无则发送
碰撞检测：边发送边监听
CSMA/CD协议不能进行全双工通信，只能进行半双工通信
争用期：以太网端到端往返时间
以太网规定争用期为51.2us对于10Mb/s的网来说发送512比特的数据
强化碰撞措施：在检测到碰撞后发送一个32比特或48比特的人为干扰信号
以太网规定帧间最小间隔是9.6us
指数退避算法：在检测到碰撞后从[0,1,3,……(2的k次方-1)]中随机取一个数记为r，k=[重传次数，10]，推迟时间t=争用期 * r
CSMA/CD协议的流程：
- 适配器准备发送分组
- 若适配器检测到信道空闲，就发送帧，若信道忙，则继续检测并等待信道转为空闲。
- 在发送过程中继续检测信道，若一直未检测到碰撞，就发送完毕。若检测到碰撞，就停止发送，并发送人为干扰信号
- 中止发送后，适配器就执行指数退避算法，等到r被512比特时间后返回步骤2。
使用广播信道的以太网
集线器的一些特点：
- 物理星型，逻辑总线型，称为星型总线或盒中总线
- 有多个接口
- 工作在物理层，每个接口仅仅简单地转发比特，比进行碰撞检测。
- 采用专门的芯片，进行自适应的串音回波抵消。
MAC地址被固化在适配器的ROM中
MAC地址是6字节48位
IEEE的注册管理机构RA负责分配MAC的前三个字节（唯一组织标识符OUI），后面三个字节有公司自行指派称为扩展标识符EUI
MAC地址第一个字节最后一位是I/G为，用来进行多播，为0时标识一个单个站地址，为1时标识组地址，第一个字节最低第二位是G/L位，标识Global/Local，为1时表示全球管理，为0是表示本地管理
主机接收到的帧有三种：单播，广播，多播
以太网适配器还可以设置为一种特殊工作方式：混杂方式，混杂方式会接收所有帧
MAC帧的格式有两种标准：DIX Ethernet V2标准和IEEE的802.3标准
帧在传输媒体上还需要在MAC帧前加8个字节，前7个字节是同步码，同步收发两端的时钟率，第八个字节是帧开始定界符
IEEE802.3与以太网MAC帧的区别：1.IEEE802.3规定MAC帧第三个字段是长度/类型，当值大于0x0600时表示类型，否则表示长度，V2 MAC的只表示类型。2.当长度/类型字段表示长度是必须装上LLC子层的LLC帧
扩展的以太网
集线器扩展以太网的缺点：1.产生更多的冲突域，2.当一个主机发送数据时，其他主机不能发送信息
网桥和交换机可以对MAC帧的目的地址进行转发和过滤
网桥的好处：1.过滤通信量，增大吞吐量2.扩大物理范围，3.提高可靠性，4.可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网
网桥的缺点：1.增加时延2.没有流量控制功能3.可能出现广播风暴
网桥在转发帧时不改变帧的源地址
透明网桥：一种即插即用设备，不需要人工配置转发表，通过自学习来填充转发表
网桥表记录了地址，接口及帧进入网桥的时间
网桥自学习和转发步骤：1.收到一帧后先自学习，2.转发帧，查找转发表，如果查到则转发，如果没有查到则向除接收接口外的所有接口转发帧
透明网桥还是用一个生成树算法，避免产生转发的帧在网络中不断兜圈子
源路由网桥：发送帧时将详细的路由信息放在帧首部中
多接口网桥（交换机）：实质上是一个多接口网桥
虚拟局域网VLAN
VLAN标记长4个字节，用来指明发送该帧的工作站属于哪个虚拟局域网，前两个总是0x8100称为IEEE802.1Q标记类型，后面两个字节中前3位是用户优先级字段，接着以为是规范格式指示符CFI，最后12位是VLAN标识符VID
高速以太网
100BASE-T被称为快速以太网
快速以太网的争用期是5.12us，帧间最小间隔是0.96us都是10BASE-T的十分之一
100BASE-T有三种不同的物理层标准：100BASE-TX, 100BASE-FX,100BASE-T4
吉比特网的特点：1.允许1Gb/s下全双工和半双工2.使用IEEE802.3协议规定的帧格式3.半双工时使用CSMA/CD协议，全双工不需要使用该协议4.与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容
吉比特以太网物理层有两个标准：1000BASE-X（802.3z标准）基于光纤，1000BASE-T（802.3ab标准）使用4对UTP5类线
吉比特网最大长度100m，采用载波延伸方法是最短帧长仍为64字节，争用期发送长度为512字节
10GE的帧格式与前面的吉比特网帧一致，保留了802.3的最小和最大帧长，只使用光纤最为传输媒体
10GE只工作在全双工方式，所以不需要CSMA/CD协议
10GE有两种不同的物理层：局域网物理层LAN PHY，广域网物理层WAM PHY
其他类型的高速局域网或接口
除了高速以太网外，还有一些其他的高速局域网，如：光纤分布式数据接口FDDI，高性能并行接口HIPPI