计算机网络基础（三） 数据链路层

  使用的信道类型：

1. 点对点信道
2. 广播信道

链路与数据链路区别：

1. 链路：从一个结点到相邻结点的一段物理线路（有线或无线），中间没有任何其他的交换结点。链路只是一条路径的组成部分，也称作物理链路
2. 数据链路：链路的基础上加上必要的通信协议，也称作逻辑链路。我们使用网络适配器来实现这些协议

数据链路层的三个基本问题：

1. 封装成帧：在一段数据的前后分别添加首部和尾部，构成了帧，帧长等于帧的数据部分长度加上帧首和帧尾长度。首部和尾部的作用是：帧定界
2. 透明传输：方法：在发送端的数据链路层中数据部分中出现控制字符“SOH”或“EOT”前插入一个转义字符“ESC”，这种方法称为字节填充或字符填充
3. 差错检测：一段时间内，传输错误的比特占所传输的比特总数的比率称为误码率，误码率与信噪比有很大关系。广泛采用循环冗余检验的检错技术（CRC）。CRC是检测帧是否出现比特错误，但还有帧丢失，帧重复，帧失序的错误

通信差的时代，采用高级数据链路控制（HDLC）协议，现在采用点对点协议（PPP）

PPP协议组成：

1. 一个将ip数据报封装到串行链路的方法，PPP既支持异步链路，也支持面向比特的的同步链路。
2. 一个用来建立，配置和测试数据链路连接的数据链路控制协议（LCP）
3. 一套网络控制协议NCP，其中的每一个协议支持不同的网络层协议

PPP协议的帧格式：PPP帧的首部和尾部分别为4个字段和两个字段

F

A

C

协议

信息部分

FCS

F

首部的第一个字段和尾部的第二个字段是标志字段F，表示一个帧的开始或结束。

A：地址字段  C：控制字段  首部的第四个字段是2字节的协议。

字节填充：当PPP使用异步传输时，转义字符为0x7D

方法：

1. 信息字段中出现的每一个0x7E字节变成2字节的序列的（0x7D,0x5E）
2. 若信息字段中出现0x7D,则转变成2字节序列的（0x7D，0x5D）
3. 若信息字段中出现ASCII码中的控制字符，则在前面加一个0x7D字符

PPP协议工作状态：

1. 起初，PPP链路的起始和终止状态永远是“链路静止”状态，这时，在PC与ISP的路由器之间不存在物理层的连接
2. 用户通过调制解调器呼叫路由器时，路由器收到信号。在双方建立了物理层连接后，PPP进入“链路建立”状态，目的是建立LCP连接。
3. LCP开始协商配置选项，即发送LCP的配置请求帧（PPP帧），协议字段为LCP相应代码，信息字段包含特定配置请求。另一端可以的发出的几种响应：配置确认帧，配置否认帧，配置拒绝帧
4. 协商结束后，建立了LCP链路，进入“鉴别”状态。鉴别两种协议：口令鉴别协议PAP和口令握手鉴别协议CHAP（更为复杂）。若鉴别身份成功，则进入网络层协议状态。失败，进入到“链路静止”状态。
5. 在“网路层协议”状态，PPP链路的两端的网络控制协议（NCP）根据网络层的不同协议互相交换特定的网络控制分组。即PPP协议两端的网络层可以运行不同的网络层协议，但仍然可以使用同一个PPP协议通信
6. 网络层配置结束后，链路进入可通信的“链路打开”状态。链路两端的两个PPP端点可以彼此向对方发送分组，还可以发送回送请求LCP分组和回送回答请求LCP分组，检查链路的状态。数据传输结束后，由一端发送终止请求LCP分组，另一端收到分组后，转到“链路终止”状态，当调制解调器载波停止后，回到“链路静止”状态。

局域网按网络拓扑进行分类：星型网，环形网，总线网

局域网的数据链路层早起别拆分成两个子层：逻辑链路控制子层（LLC）和媒体接入控制子层（MAC）。现在大多数局域网只有MAC，不存在LLC了。

计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器（俗称网卡），适配器上带有处理器和存储器（RAM和ROM）

适配器和局域网间通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的。而适配器和计算机之间的通信是通过计算机主板上的I/O总线以并行方式传输。所以适配器的一个重要功能就是：进行数据串行传输和并行传输之间的转换。

计算机的硬件地址在适配器ROM中，软件地址—IP地址在计算机存储器中。

CSMA/CD协议

CSMA/CD：载波监听多点接入/碰撞检测

为了方便通信：以太网采用了两种方法：

1. 灵活的无连接工作方式，直接发送数据（不可靠的交付）
2. 采用曼彻斯特编码的信号

要点： 

“多点接入”说明是总线型网络，协议实质是“载波监听”和“碰撞检测”

“载波监听”就是检测信道，不管在发送前还是发送中，每个站都必须不停地检测信道。

“碰撞检测”就是“边发送边监听”。电测波在1km的电缆上传播时延约为5us。

总线型以太网的缺陷：

1. CSMA/CD决定了轻负荷下以太网才能很好工作
2. 冲突域直径和最短帧长关系，限制了总线型以太网的速率和覆盖范围。

以太网使用截断二进制指数退避算法来确定重传时间。

规定了帧间最小间断为9.6us=96个比特时间。

CSMA/CD协议要点：

1. 准备发送：适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部，组成以太网帧放入缓存中，发送前检查信道
2. 信道检测：若信道忙，则应不停检测信道，一直到信道空闲并且保持了9.6us的空闲，则发送这个帧
3. 适配器要边发送边监听：若发送成功，则什么都不做，返回1.若失败，则立即停止，并发送干扰信号，执行截断二进制指数退避算法，等待r倍的512比特时间，回到2，若重传达16次仍然失败，则停止重传并向上报错。

以太网发送完每一帧，一定要把已发送的帧暂时保留。

MAC

硬件地址又称为物理地址或MAC地址

目的地址

源地址

类型

数据

FCS

数据部分的长度为46~1500。我们知道一个帧的最小长度是64字节，减去目的地址（6字节），源地址（6字节），类型（2字节）和FCS（4）。64-6-6-4-2=46。  FCS：帧检验序列（CRC检验）

无效的MAC帧：

1. 帧的长度不是整数个字节
2. 用收到的帧检验序列FCS查出有差错
3. MAC客户数据段的长度不在46~1500之间

扩展以太网

物理层扩展以太网：使用转发器，目前流行的是使用光纤和一对光纤调制解调器

优点：

1. 扩大了覆盖范围
2. 每个域内的计算机可以通过调制解调器访问其他域内的主机

缺点：

1. 把独立的冲突域合成了一个冲突域，但是吞吐量并没有增加，而且某一个域内主机通信时，其他域内的主机不能通信，否则会发生膨胀
2. 限制了所有域的以太网技术必须相同（比如速率一样），否则不能用集线器连接在一起

数据链路层扩展以太网：网桥。根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转换和过滤。

MAC地址：单播地址，广播地址，多播地址。网桥根据目的地址确定将帧发送到哪一个接口。

网桥依靠转发表来转发帧，转发表也叫转发数据库或路由目录。

优点：

1. 过滤通信量，增加吞吐量。网桥工作在MAC层，使网段成为隔离开的碰撞域。不同网段上的通信不会互相干扰。
2. 扩大物理范围
3. 提高了可靠性：出现故障时，只会影响个别网段
4. 可连接到不同的物理层，不同的MAC子层和不同不同速率

缺点：

1. 接收帧时先查找转发表和存储，转发之前，执行CSMA/CD（碰撞还要退避），增加了时延
2. MAC子层没有流量控制功能。若网络负荷严重，会丢帧
3. 适用于用户不多（不超过几百个）和通信量不太大的以太网，否则会产生网络拥塞。

透明网桥：目前使用最多的，一种即插即用的设备，刚开始连接时，转发表是空的，通过自学习算法处理帧。

网桥和集线器区别：网桥按存储转发方式工作，一定先把整个帧接受下来，集线器或转发器则是按比特处理的。

以太网交换机：就是多接口网桥，即插即用设备，内部转发表也是通过自学习算法建立的（同透明网桥）

最大优点：普通的10Mb/s方式共享以太网，共有n个用户。每个用户带宽是10Mb/s，而不是10Mb/s除N。但是，若一个用户独占时，对于有N对接口的交换机，总容量为N*10Mb/s