数据链路层
2019-10-24 10:04:02 0 举报AI智能生成
计算机网络数据链路层
作者其他创作
大纲/内容
使用点对点信道的数据链路层
数据链路和帧
链路：一个结点到相邻结点的一段物理线路（有线或者无线），中间没有任何其他的交换结点
数据链路：物理线路+通信协议（硬件/软件）
数据链路层使用的信道
点对点信道
广播信道
网络适配器：包括数据链路层和物理层两个层的功能
协议数据单元-帧：讲网络层交下来的IP数据报/数据报/分组/包封装成帧发送到链路上，以及把接收到的帧中的数据交给网络层
三个基本问题---协议的三个问题
封装成帧
最大传输单元MTU：数据部分长度上限
帧：帧首部+帧的数据部分（IP数据报<=MTU）+帧尾部
帧定界符
SOH：帧首部
EOT：帧尾部
透明传输
某一个实际存在的事物看起来却像是不存在一样
解决透明传输
字节填充/字符填充
差错检测
比特差错
误码率BER
循环冗余检验CRC
方法1
k个比特+n个冗余码
n个冗余码：用二进制的模2运算进行2的n次乘M运算，相当于在M后面加n个0
被除数（k+n的0）除以n+1位的除数P，得到商是Q而余数是R（n位，比P少一位）【无进位加法】
帧检测序列FCS：n位余数/冗余码
发送的数据：2的n次M+FCS
方法2
利用多项式
接收的数据以帧为单位进行CRC检测：把收到的每一个帧都除以相同的除数P，检查得到的余数
无误：R为0
有误：R不为u
注意
数据链路层仅仅使用循环冗余检验CRC差错检测技术：只能对帧的无差错接受
凡是接收端数据链路层接受的帧均无差错
使用CRC检验，能够实现无比特差错的传输，而这不是可靠的传输
循环冗余检验CRC是一种检错方法，帧检验序列FCS是添加在数据后面的冗余码
传输差错
比特差错
复杂差错
帧丢失
帧重复
帧失序
点对点协议PPP
PPP协议的特点
PPP协议应该满足的需求
简单
封装成帧
透明性
多种网络层协议
当点对点链路所连接的是局域网或者路由器时候，PPP协议必须同时支持在链路所连接的局域网或者路由器上运行的各种网络层协议
多种类型链路
差错检测
检测连接状态
最大传送单元MTU（数据部分的最大长度）
网络层地址协商
数据压缩协商
不需要
纠错
设置序号
流量控制
不支持多线路，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
异步链路
同步链路
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协议的帧格式
各字段的意义
首部
标志字段1
地址字段1
控制字段1
协议2
信息字段是IP数据报
信息字段是PPP链路控制协议
这是网络层的控制数据
信息字段
尾部
FCS2
标志字段1
字节填充
零比特填充
PPP协议的工作状态
使用广播信道的数据链路层
局域网的数据链路层
局域网（物理层/数据链路层）
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
主要优点
具有广播功能，从一个站点很方便地访问全网
便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的地理位置科灵活调整和改变
提高了系统的可靠性、可用性和生存性
根据网络拓扑分类
星形网
集线器
双绞线
环形网
总线网
传统以太网
无连接
对发送的数据帧不进行编号
不要求对方发回确认
目的方接受有差错的数据帧就把它丢弃，什么都不做
传输媒体
双绞线
光纤
共享信道
静态划分信道
代价高
各种复用技术
动态媒体接入控制/多点介入
随机接入
碰撞/冲突
解决碰撞的网络协议
受控接入
分散控制的令牌环局域网
集中控制的多点线路探询/轮询
传统以太网的两个标准
DIX Ethernet V2
IEEE 802.3
局域网数据链路层
逻辑链路控制LLC（失去作用）
媒体介入控制MAC：存放传输媒体（适配器装有MAC协议）
适配器的作用（物理层与数据链路层）
计算机与外界局域网的连接
网络接口板（PCMCIA个人计算机存储器接口适配器）/网络接口卡NIC/网卡
适配器组成
处理器
存储器（对数据进行缓存）
RAM
ROM---计算机的硬件地址
重要功能
进行数据串行传输和并行传输的转换
串行传输
适配器与局域网
通过电缆和双绞线
串行传输方式
并行传输
适配器与计算机
通过计算机主板的I/O总线
并行传输方式
实现以太网协议
过滤功能
CSMA/CD协议
局域网上的计算机
主机、工作站、站点、站
通信
采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据
以太网提供的服务是尽最大努力的交付，即不可靠交付
对有差帧是否重传由高层决定
协议CSMA/CD，载波监听多点接入/碰撞检测
以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号
缺点：所占的频带宽度比原始的基带信号增加了（每秒传送的码元数加倍了）
特点：每个码元（不管是０还是１）的正中间一定有一次电压的转换（从高到低或者从低到高）
CSMA/CD协议
载波监听
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
发送前：获得发送权
发送中：及时发现有没有其他站的发送和本站发送的碰撞---碰撞检测
多点接入
总线型网络
碰撞检测/冲突检测
边发送边检测
采用CSMA/CD协议只能双向交替通信（半双工通信）
其他
以太网的发送不确定性，如果希望以太网发生碰撞机会很小，必须使得整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率
争用期/碰撞窗口
以太网的端到端往返时间（最长检测是否发生碰撞）
经过争用期这个时间还没有检测到碰撞，则这次的发送不会发生碰撞
截断二进制指数退避算法
确定碰撞后的重传时机
停止发送后，推迟（退避）一个时间再发送数据
基本退避时间为争用期，具体争用期时间是51.2微秒（512bit时间，1bit时间就是发哦是那个1比特所需要的时间）。对于10Mb/s以太网，在争用期可以发送512bit即64字节
k为重传次数，不超过10次，k=Min【重传次数，10】；但是重传次数超过10时候，k就不再增加而是一直等于10
重传达到16次仍不能成功，抛弃该帧，并向高层报告
以太网规定了一个最短帧长64字节，即512bit，对于10Mb/s以太网，发送512bit的时间需要51.2微秒
凡是长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧，应当丢弃
争用期确定为51.2微秒的因素
以太网端到端时延小于争用期的一半
转发器增加的时延
强化碰撞的干扰信号持续时间
发生碰撞
立即停止发送数据
继续发送32bit或48bit的认为干扰信号
以太网规定帧间最小间隔为9.6微秒，即96bit时间
归纳
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，组成以网帧，放入适配器缓存，发送之前，先检测信道
检测信道：检测到信道忙，应不停地检测，直到信道空闲；空闲时候，在96bit时间内信道保持空闲（保证了帧间最小间隔），发送帧
发送过程中不断检测，网络适配器要边发送边监听
发送成功
争用期内一直未检测到碰撞
发送失败
立即停止发送，并按规定发送认为干扰信号
适配器接着执行指数退避法，等待r倍512bit时间后，返回继续检测信道
若重传16次仍不成功，则停止重传而向上层报错
以太网发送完一帧，必须把发送的帧暂时保存，如果在只能用其内检测到发生了碰撞，啧要在推迟一段时间后重传帧一次
使用广播信道的以太网
使用集线器的星型拓扑
双绞线以太网与集线器一起使用
10BASE-T双绞线以太网
10Mb/s的数据率
BASE表示连接线上的信号是基带信号
T表示双绞线
集线器特点
使用集线器的以太网逻辑上是总线网，各站共享逻辑上的总线，（各站适配器）使用的还是CSMA/CD协议
同一时刻至多允许一个站发送数据
一个集线器有很多接口
集线器像一个多接口的转发器
集线器通过双绞线与适配器相连
集线器工作在物理层
仅仅简单地转发比特，不进行碰撞检测
集线器采用专门的芯片，进行自适应串音回波抵消
以太网的信道利用率
以太网的MAC层
MAC层的硬件地址
局域网中，硬件地址=物理地址=MAC地址
IEEE 802规定地址是指局域网上的每一台计算机中固化在适配器的ROM中的地址
局域网的“地址”应当是每一个站的“名字”或者标识符
局域网适配器实际上使用的都是6字节（48位）MAC地址
“MAC地址”实际上就是适配器地址或者适配器标识符EUI-48
适配器的过滤功能
每接收到一个MAC帧，先用硬件检查MAC帧的目的地址
发往本站
单播帧
广播帧
多播帧
丢弃帧
MAC帧的格式
以太网MAC帧格式的两种标准
ＤＩＸ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ V２标准（以太网Ｖ２标准）
ＩＥＥＥ８０２.３标准
以太网传送数据主要是以帧为单位的，以太网不需要使用帧结束定界符，也不需要使用字节插入来保证透明传输
无效帧ＭＡＣ帧
帧的长度不是整数个字节
用收到的帧检验序列ＦＣＳ查出有差错
收到的帧的ＭＡＣ客户数据字段的长度不再４６～１５００字节之间（有效帧的长度６４～１５１８）
扩展的以太网
在物理层扩展的以太网（集线器／转发器）【仍然是一个网络】
主机使用光纤和一对光纤调制调解器连接到集线器
多级结构的以太网（使用集线器）
好处
不同的以太网上的ＰＣ可以相互通信
扩大了以太网覆盖的地理范围
缺点
碰撞与／冲突域 更大了
吞吐量为一个碰撞域的吞吐量
不同的以太网技术不能用集线器连接起来，集线器基本上是多接口的转发器，不能把帧进行缓存
在数据链路层扩展的以太网（网桥）【仍然是一个网络】
网桥
工作在数据链路层
根据ＭＡＣ帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤
检查此帧的目的ＭＡＣ地址
再转发到某个接口／全部接口
或者丢弃（即过滤）
内部结构
网段（以太网）－接口－网桥－接口－网段（以太网）
转发表／转发数据库／路由目录
接口管理软件，网桥协议实体
使用网桥的优点
过滤通信量、增大吞吐量
把一个以太网网段分成隔开的冲突域／碰撞域
不同网段之间不会相互干扰
多个碰撞域，吞吐量增大
扩大了物理范围
增加了整个以太网工作站的最大数目
提高了可靠性
可互连不同物理层、不同ＭＡＣ子层和不同速率
缺点
增加了延时
网桥对接收的帧要先存储和查找转发表，才转发，转发之前必须执行ＣＳＭＡ／ＣＤ算法（发生碰撞时要退避）
在ＭＡＣ子层并没有流量控制功能
可能出现广播风暴
只适合用户不多（不超过几百个）和通信量不太大的以太网，否则又是会因传播过多的广播信息而发生网络拥塞
注意：网桥转发帧的时候，不改变帧的源地址
透明网桥
透明：以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥
即插即用设备
自学习－－生成转发表
若从某个站Ａ发出的帧从接口ｘ进入某网桥，那么这个接口出发沿相反方向一定可以把一个帧传送到Ａ
查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项
没有：转发表增加一项
记下源地址（写入地址）和进入网桥的接口
有：进行更新
转发帧
查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项
没有：通过所有其他接口（进入网桥的接口除外）进行转发
有：按转发表中给出的接口进行转发（如果转发表中给出的接口是该帧的进入网桥的接口，而丢弃该帧，因为不需要经过网桥）
网桥转发表并非总是包含所有站点的信息
一段时间不转发数据，转发表中将会删掉此项目
生成树算法
互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能够找到原来的网络拓扑的一个子集
整个连通的网络不存在回路，即在任何两个站之间只有一条路径
源路由网桥（非透明）
由发送帧的源站负责路由选择
在发送帧之前，把详细的路由信息放在帧的首部
发现适合的路由方法
发现帧
探测作用：走过所有路由，再返回，选择最佳路由，以后凡是这个源站向该目的站发送的帧的首部必须携带源站所确定的最佳路由的信息
帮助源站确定整个网络可以通过的帧的最大长度
多接口网桥/交换式集线器/第二层交换机－－－以太网交换机
工作在数据链路层
特点
网桥接口一般２－４个，以太网交换机可以有十几个
以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥
普通网桥的接口往往连接到以太网的一个网段；而以太网交换机每个接口口直接与一个单个主机或者另一个集线器相连，而且是在全双工方式
每一对互相通信的主机都能像独占传输媒体那样，无碰撞地传输数据
即插即用设备
内部的帧转发表通过自学习算法逐渐建立起来
接口宽带ｂＭｂ／ｓ，对于拥有Ｎ对接口的交换机总容量为Ｎ＊ｂＭｂ／ｓ
具有多种不同速率的接口
转发
存储转发方式
直通的交换方式
提高了帧的转发速度
缺点：不检查差错就直接将帧转发出去
基于软件的存储转发方式
虚拟局域网VLAN
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
给用户提供的一种服务，并不是一种新型局域网
虚拟局域网限制了接受广播信息的工作站数，不会出现广播风暴
在以太网MAC帧上的源地址和类型中间加了VLAN标志（IEEE802.1Q），以太网最长帧1518（1500+18）->1522
网桥和集线器／转发器区别
网桥是按存储转发方式工作的，一定是先把整个帧收下来（但集线器／转发器是逐比特转发）在进行处理的，并不管其目的地址是什么
高速以太网
速率达到或者超过100Mb/s的以太网
100BASE-T以太网/快速以太网
基带信号：100Mb/s
双绞线
CSMA/CD协议
吉比特以太网
10吉比特和100吉比特以太网
使用以太网进行宽带接入
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