【计算机网络】第三章数据链路层

1. 基本概念

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数据链路层的信道类型：
点对点信道：使用一对一的点对点通信方式
广播信道：使用一对多的广播通信方式。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。
链路：是一条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：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。
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数据链路层传送的是帧

2. 三个基本问题

（1）封装成帧

封装成帧：在一段数据的前后分别添加首部和尾部，确定帧的界限。
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（2）透明传输

字节填充：接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符，如果转义字符出现在数据中，应在转义字符前插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。
字节填充法解决透明传输的问题。
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（3）差错控制

传输过程中可能会产生比特差错：1可能变成0,0可能变成1。为保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。
循环冗余检验（CRC）的计算过程：
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在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS
CRC是一种常用的检错方法，FCS是添加在数据后面的冗余码。

3. 使用点对点信道的数据链路层（PPP协议）

全世界使用的最多的数据链路层协议是点对点协议PPP
用户使用拨号电话线接入英特网时，一般都是使用PPP协议
PPP协议的组成：

数据链路层协议可用于异步串行或同步串行介质
它使用LCP（链路控制协议）建立并维护数据链路连接
网络控制协议（NCP）允许在点到点连接上使用多种网络层协议
PPP协议帧格式：

PPP协议用在SONET/SDH链路时，是使用同步传输。这时PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输。发送端只要发现有5个连续1，则立即填入0.接收端对帧中的比特流进行扫描，每当发现5个连续1时，就把这5个连续1后面的一个0删除。
PPP协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：

在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的PPP协议较为合理
在因特网环境下，PPP的信息字段放入的数据是IP数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。
帧检验序列FCS字段可保证无差错接受。

PPP协议的工作状态：
当用户拨号接入ISP(网络运营商)后，就建立了一条从用户个人电脑到ISP的物理连接。这时，用户个人电脑向ISP发送一系列的链路控制协议LCP分组（封装成多个PPP帧），以便建立LCP连接。这些分组及其响应选择了将要使用的一些PPP参数。接着还要进行网络层配置，网络控制协议NCP给新的接入的用户个人电脑分配一个临时的IP地址。这样，用户个人电脑就成为互联网上的一个有IP地址的主机了，当用户通信完毕时，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。
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PPP链路的起始和终止状态永远都是图中的“链路静止”状态，这时在用户个人电脑和ISP的路由器之间并不存在物理层的连接

4. 使用广播信道的数据链路层(局域网)

（1）局域网的数据链路层

1.共享通信媒体：
（1）静态化分信道：频分复用，时分复用，波分复用，码分复用
（2）动态媒体接入控制（多点接入）：随机接入（主要被以太网采用），受控接入（目前已不被采用）
2.局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限
3.局域网有以下有点：（1）具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网，局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。（2）便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。（3）提高了系统的可靠性、可用性和生存性。
4.局域网可按网络拓扑进行分类为：星形网，环形网，总线网（星形以太网以及多星形结构的以太网得到了广泛的应用）
5.以太网的两个标准：DIX Ethernet V2一般是指这个。IEEE 802.3 两个标准差别很小。以太网是满足DIX Ethernet V2标准的局域网。
6.适配器的作用
计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器进行的。适配器是在主机箱内插入的一块网络接口板（网络接口卡）简称为网卡。适配器和局域网之间的通信是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则是通过计算机主板上的I/O总线以并行的传输方式进行的，因此，适配器的一个重要功能就是要进行数据串行传输和并行传输的转换。
适配器在接收和发送各种帧时，不使用计算机的CPU。这时计算机中的CPU可以处理其他任务。当适配器受到有差错的帧时，就把这个帧直接丢弃而不必通知计算机。当适配器收到正确的帧时，他就使用中断来通知计算机，并交付协议栈中的网络层。当计算机要发送IP数据报时，就由协议栈把IP数据报向下交给适配器，组装成帧后发送到局域网。

（2）CSMA/CD协议

多点接入：表示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：是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。载波监听就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。
碰撞检测（冲突检测）：也就是“边发送边监听”，即适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压变化幅度将会增大（互相叠加）。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。所谓碰撞就是发生了冲突。这时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。因此，任何一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，其适配器就要立即停止发送，免得继续进行无效的发送，浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。
传播时延对载波监听的影响

（1）B在A发送的数据到达B之前发送自己的帧（因为这时B的载波监听检测不到A所发送的信息），则必然要在某个时刻和A发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。
（2）在使用CSMA/CD协议时，一个站不可能同时进行发送和接收（但必须边发送边监听信道）。因此使用CSMA/CD协议的以太网不可能进行全双工通信而只能进行双相交替通信（半双工通信）
（3）发送的不确定性：以太网不能保证某一时间内一定能够把自己的数据帧成功的发送出去（因为存在碰撞的可能），如果希望在以太网上发生碰撞的机会很小，必须使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。
（4）争用期（碰撞窗口）：A站发送数据帧后至多经过时间2τ就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞，因此以太网的端到端往返时间2τ称为争用期，经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
（5）截断二进制指数退避：这种算法让发生碰撞的站在停止发送数据后，不是等待信道变为空闲后就立即再发送数据，而是推一个随机的时间迟（退避）。
CSMA/CD协议要点归纳：
（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，组成以太帧放入适配器的缓存中。但发送前必须检测信道。
（2）检测信道：若检测到忙，一直监测，直到空闲。若检测到信道空闲，并在96比特时间内信道保持空闲（保证了帧间最小间隔），就发送这个帧。
（3）在发送过程中任不断检测信道，网络适配器边发送边监听
a.发送成功：争用期内未检测到碰撞，发送完毕回到（1）
b.发送失败：争用期检测到碰撞，停止发送数据，发送认为干扰信号，适配器执行指数退避算法，返回（2）。

（3）使用集线器的星形拓扑

传统以太网最初使用粗同轴电缆，后来使用细同轴电缆，最后使用双绞线。这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心增加了一种可靠性非常高的设备，集线器。双绞线以太网总是和集线器配合使用。
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10BASE-T以太网的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m，10BASE-T双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个重要里程碑。
集线器的特点：
（1）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，在同一时刻至多只允许一个站发送数据。
（2）一个集线器很像一个多接口的转发器。
（3）集线器工作在物理层，简单的转发比特，不进行碰撞检测。

（4）以太网的信道利用率

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发送帧需要的时间是T0，他等于帧长除以发送速率。
占用信道时间+τ是因为在极端情况下经历τ发送站发送完的最后一比特才能被接收。
以太网的信道利用率：a=τ/T0（a淫荡尽可能的小）
理想化，发送数据不产生碰撞，极限信道利用率Smax：Smax=T0/T0+τ=1/1+a

（5）以太网的MAC层

在局域网中，硬件地址又称物理地址或MAC地址。适配器从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址，如果是发往本站的帧（单播帧：一对一，广播帧：一对全体，多播帧：一对多）则收下再进行其他处理，如果不是丢弃不进行处理。
MAC帧格式：最常用的MAC帧是以太网v2的格式
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数据字段的正式名称是MAC客户数据字段：
最小长度64字节-18字节的首部和尾部=数据字段最小长度
当数据字段的长度小于46字节，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的MAC帧长不小于64字节。
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）收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46-1500字节之间
对于检查出的无效的MAC帧就简单的丢弃，以太网不负责重传丢弃的帧。

5. 扩展以太网

扩展的以太网在网络层看来仍是一个网络。

（1）物理层扩展以太网

主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器
用集线器扩展局域网优点：

使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信
扩大了局域网覆盖的地理范围

用集线器扩展局域网缺点：

碰撞域增大，但总吞吐量并未提高
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他们互连起来

（2）数据链路层扩展以太网

（1）网桥
扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行，最初人们使用的是网桥。网桥对收到的帧根据其MAC帧的目的地址进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是根据此帧的目的MAC地址，查找网桥中的地址表，然后确定将帧转发到哪个接口，或者是把它丢弃（即过滤）。
（2）以太网交换机
以太网交换机的实质是一个多接口的网桥，每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机连接，一般都工作在全双工方式。
以太网交换机还具有并行性，既能同时连同多对接口，使多对主机能同时通信（而网桥只能一次分析和转发一个帧）。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还有存储器，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（地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
以太网交换机的性能远超于普通的集线器。

（3）虚拟局域网（VLAN）

虚拟局域网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个VLAN。虚拟局域网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。
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三个局域网 LAN1：（A1,A2,B1,C1）,LAN2：（A3,B2,C2），LAN3：（A4,B3,C3）
三个VLAN：
VLAN1：（A1,A2,A3,A4），VLAN2：（B1,B2,B3），VLAN3：（C1,C2,C3）
B1向工作组内成员发送数据时，B2、B3会收到广播信息，A1,A2,C1都收不到B1发出的广播信息。
插入VLAN标记后变成802.1Q帧
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在几个粗线链路上传输的帧是802.1Q帧，在其他链路上传输的仍是普通的以太帧。