计算机网络基础知识总结（三）数据链路层

三、数据链路层

3.1 基础概念

1）协议数据单元： 帧

2）数据链路层使用的信道主要有以下两种类型

• 点对点信道：这种信道使用一对一的点对点通信方式。（使用PPP协议）
• 广播信道：这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。（使用CSMA/CD协议）

3）数据链路层的三个基本问题

• 封装成帧：封装成帧（framing）就是在一段数据（IP数据报）的前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。

• 透明传输：“在数据链路层透明传送数据”表示无论什么样的比特组合的数据，都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层。由于帧的开始和结束的标记使用专门指明的控制字符，因此，所传输的数据中的任何8比特的组合一定不允许和用作帧定界的控制字符的比特编码一样，否则就会出现帧定界的错误。

  解决方法是字节填充（字符填充）：在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”，接受方处理时删除这个插入的转义字符。

• 差错检测：使用循环冗余检验CRC（Cyclic Redundancy Check），检验范围是整个帧（包括首尾部和数据部分）。

  

3.2 使用点对点信道的数据链路层

1）链路和数据链路

• 链路：从一个结点到相邻结点的一段物理线路（有线或无线），而中间没有任何其他的交换结点。
• 数据链路：把实现控制数据运输的协议的硬件和软件加到链路上就构成了数据链路。

2）PPP（Point-to-Point Protocol ）协议：点对点协议。即用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。

• PPP帧格式
  

  • 标志字段F（Flag）规定为0x7E（符号“0x”表示它后面的字符是用十六进制表示的。十六进制的7E的二进制表示是01111110）。

  • 地址字段A规定为0xFF（即11111111），实际并不起作用。

  • 控制字段C规定为0x03（即00000011）。

  • PPP首部的第四个字段是2字节的协议字段。

  • 信息字段的长度是可变的，不超过1500字节。

  • 尾部中的第一个字段（2字节）是使用CRC的帧检验序列FCS。

• PPP协议实现透明传输

  • 异步：字节填充（字符填充）。

    在数据部分，(0x7E->0x7D,0x5E)、(0x7D->0x7D,0x5D)、(小于0x20的在前面添加0x7D，0x20->0x7D,0x23)。

  • 同步：零比特填充。

    即每遇到5个1，马上在后面添加一个0。

3.3 使用广播信道的数据链路层

1）局域网的拓扑结构：总线网、星形网、环形网和树形网。

2）共享通信媒体资源的方法

• 静态划分信道：各种信道复用技术。
• 动态媒体接入控制：又称为多点接入，分为随机接入或受控接入。

3）CSMA/CD协议

• CSMA/CD协议要点

  • 多点接入：就是说明这是总线型网络，许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。
  • 载波监听：不管在发送前，还是在发送中，每个站都必须不停地检测信道。
  • 碰撞检测：当适配器检测到的信号电压变化幅度超过一定的门限值时，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。

• 若检测到发生碰撞，等到一段时间后再发送。具体的等待时间采用截断二进制指数退避算法。即：在区间[0,1,3,…(2^k-1)]内随机选出一个数r，等待r×2t时间。即随机r个争用期的时间。
  具体k为：重传次数k = Min(重传次数，10)。另外，规定重传次数达到16次，则表示想发送数据的站点太多，丢弃该帧，向高层报告。

4）以太网的信道利用率

要提高以太网的信道利用率，就必须减小τ（单程端到端时延）与T（发送时延）之比。

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T之比： $a={\frac{τ}{T}}$，我们希望a越小越好。

5）MAC硬件地址：在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址（因为这种地址用在MAC帧中），有48位。

6）MAC帧

• MAC帧格式

  

  • 前两个字段分别为6字节长的目的地址和源地址字段。
  • 第三个字段是2字节的类型字段，用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。
  • 第四个字段是数据字段，其长度在46到1500字节之间（46字节是这样得出的：最小帧长度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）。
  • 最后一个字段是4字节的帧检验序列FCS（使用CRC检验）。

• 为了接收端迅速实现位同步，从MAC子层向下传到物理层时还要在帧的前面插入8字节（由硬件生成），它由两个字段构成。第一个字段是7个字节的前同步码，第二个字段是1个字节的帧开始定界符，定义为10101011。

• MAC帧长度范围：64字节~1518字节。IP数据报长度范围：46字节~1500字节。

3.4 扩展的以太网

1）物理层上扩展以太网

工作在物理层的转发器、集线器，将多个局域网连接起来，扩大碰撞域，但并不增加吞吐量。

2）数据链路层扩展以太网

• 网桥：可以转发、过滤帧，一次只能分析和转发一个帧。

• 交换机：可以实现全双工，并行（可以同时分析和转发帧），存储数据帧缓存，以及自学习交换表（地址表）进行转发。这种方式隔绝冲突域，增加了吞吐量。

  详情参考：https://blog.csdn.net/qq_42780289/article/details/103357141

3）虚拟局域网VLAN（Virtual LAN）：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属于哪一个VLAN。

VLAN的帧增加了4个字节的VLAN标识符，标记此站点属于哪个VLAN。虚拟局域网VLAN可以防止广播风暴。

4）器件

• 工作在物理层：转发器、集线器hub。
• 工作在数据链路层：网桥、交换机。

3.5 高速以太网

1）10BASE-T以太网：传统以太网。意义10：10Mbit/s，BASE：基带信号，T：双绞线。附：F代表光纤。

2）100BASE-T以太网：快速以太网，又称高速以太网。

3）吉比特以太网

4）10吉比特以太网（10GE）和更快的以太网