计算机网络笔记3-数据链路层

目录

• 功能概述
  • 基本概念
  • 功能概述
• 帧
  • 封装成帧
  • 透明传输
  • 组帧的四种方法
    • 字符计数法
    • 字符填充法
    • 零比特填充法
    • 违规编码法
• 差错控制
  • 差错
  • 检错编码
    • 奇偶校验码
    • CRC循环冗余码
  • 纠错编码
    • 海明码
• 流量控制与可靠传输机制
  • 流量控制
  • 流量控制的方法
    • 停止-等待协议
    • 后退N帧协议(GBN)
    • 选择重传协议(SR)
• 访问控制
  • 传输数据使用的两种链路
  • 介质访问控制
    • 信道划分介质访问控制
    • 随机访问MAC协议
    • 轮询访问MAC协议/轮流协议/轮转访问MAC协议
    • 静态划分信道
      • 频分多路复用FDM
      • 时分多路复用TDM
      • 波分多路复用WDM
      • 码分多路复用CDM
    • 动态分配信道
      • 轮询协议
      • 令牌传递协议
      • AlOHA协议
      • CSMA协议
      • CSMA/CD协议
      • CSMA/CA协议
• 局域网
  • 拓扑结构
  • 传输介质
  • 介质访问控制方法
  • 局域网分类
  • MAC子层和LLC子层
  • 以太网
    • 10BASE-T以太网
    • 适配器和MAC地址
    • 以太网MAC帧
    • 高速以太网
  • 无线局域网
    • IEEE 802.11
    • 分类
      • 有固定基础设施无线局域网
      • 无固定基础设施无线局域网的自组织网络
• 广域网
  • 广域网
  • PPP协议
  • HDLC协议*
  • PPP协议&HDLC协议
• 链路层设备
  • 网桥&交换机
    • 网桥
    • 多接口网桥--以太网交换机
  • 冲突域和广播域

功能概述

基本概念

结点:主机丶路由器

链路:网络两个结点之间的物理通道,链路的传输介质主要有双绞线丶光纤和微波.分为有线链路丶无线链路.

数据链路:网络中两个结点之间的逻辑通道,把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成了数据链路.

帧:链路层的协议数据单元,封装网络层数据报.

数据链路层负责通过一条链路从一个结点向另一个物理链路直接相连的相邻结点传送数据报.

功能概述

数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务,其最基本的服务是讲源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层.其主要作用是加强物理层传输原始比特流的功能,讲物理层提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路,使之对网络层表现为一条无差错的链路.

• 功能一:为网络层提供服务.无确认无连接服务,有确认无连接服务,有确认面向连接服务.(有连接一定有确认)
• 功能二:链路管理,即连接的建立丶维持丶释放(用于面向连接的服务)
• 功能三:组帧
• 功能四:流量控制
• 功能五:差错控制(帧错/位错)

帧

封装成帧

在一段数据的前后部分添加首部和尾部,这样就构成了一个帧.在接收端在收到物理层上交的比特流后,就能根据首部和尾部的标记,从收到的比特流中识别帧的开始和结束.

首部和尾部包含许多的控制信息,他们的一个重要作用:帧定界(确定帧的界限)

帧同步:接收方应当能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始和终止.

透明传输

指无论所传数据是什么样的比特组合,都应当能够在链路上传送.因此,链路层就"看不见"有什么妨碍数据传输的东西.

当所传数据中的比特组合恰巧与某一控制信息完全一样,就必须采取适当的措施,是收方不会将这样的数据误认为某种控制信息.这样才能保证数据链路层的传输时透明的.

组帧的四种方法

字符计数法

帧首部使用一个计数字段(第一个字节,八位)来标明帧内字符数.

痛点:鸡蛋装在一个篮子里

字符填充法

①.当传送的帧是由文本文件组成(ASCII码)时,不管从键盘上输入什么字符都可以放在帧里传过去,即透明传输

②.当传送的帧是由非ASCII码的文本文件组成时(二进制代码的程序或图像等)就要采用字符填充方法实现透明传输.

过程:

首先下面是帧的原始数据(其中帧数据中有一些控制信息)

发送端需要把无关的控制信息通过转义字符把其转义掉(如图中的ESC)

接收端收到数据后需把转义字符给删掉即可得到原始的数据

零比特填充法

(5 "1" 1 "0")

操作:

1.在发送端,扫描整个信息字段,只要连续5个1,就立即填入1个0。

2.在接收端收到一个帧时,先找到标志字段确定边界,再用硬件对比特流进行扫描。发现连续5个1时,就把后面的0删除。

保证了透明传输:在传送掉的比特流中可以传送任意比特组合,而不会引起对帧边界的判断错误。

违规编码法

如上图的曼切斯特编码中,"高-低"表示1,"低-高"表示0

则可以用"高-高","低-低"来定界帧的起始和终止。

由于字节计数法中Count字段的脆弱性(其值若有差错将导致灾难性后果)以及字符填充实现上的复杂性和不兼容性,目前较普通使用的的帧同步法是比特填充法和违规编码法。

差错控制

差错

传输中的差错都是由于噪声引起的。

全局性:1.由于线路本身电气特性所产生的随机噪声(热噪声),是信道固有的,随机存在的。

解决办法:提高信噪比来减少或避免干扰。

局部性:2.外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声,是产生差错的主要原因。

解决办法:通常利用编码技术来解决。

差错主要分为:

• 位错:比特位出错,1变为0,0变为1。
• 帧错:丢失,重复,失序

检错编码

奇偶校验码

(n-1位信息元 1位校验元)

奇校验码:"1"的个数为奇数

偶校验码:"1"的个数为偶数

特点:

只能检查出奇数个比特错误,检错能力为50%。

CRC循环冗余码

发送端: 最终发送的数据=要发送的数据+帧检验序列FCS(冗余码)

计算冗余码:

(1).加0 假设生成多项式G(x)的阶的r,则加r个0 注:多项式N位,阶N-1位

(2).模2除法 数据加0后除以多项式,余数为冗余码/FCS/CRC检验码的比特序列

接收端检错过程:

把收到的每一帧都除以同样的除数,然后检查得到的余数R。

1.余数为0,判定这个帧没有差错,接受。

2.余数不为0,判断这个帧有差错(无法确定到位),丢弃。

FCS的生成以及接收端CRC检验都是由硬件实现,处理很迅速,

因此不会厌恶数据的传输。

纠错编码

海明码

具体体看计组笔记2那里

流量控制与可靠传输机制

流量控制

较高的发送速度和较低的接收能力的不匹配,会造成传输出错,因此流量控制也是数据链路层的一项重要工作。

数据链路层的流量控制是点对点的,而传输层的流量控制是端到端的。

数据链路层流量控制手段:接收方收不下就不回复确认。

传输层流量控制手段:接收端给发送端一个窗口公告。

流量控制的方法

停止-等待协议

（发送窗口与接收窗口均等于1）

除了比特出差错,底层信道还会出现丢包问题;实现流量控制。

丢包:物理线路故障、设备故障、病毒攻击、路由信息错误等原因,会导致数据包的丢失

"停止-等待"就是每发送完一个分组就停止发送,等待对方确认,在收到确认后再发送下一个分组。

停等协议--无差错情况:

每发送一个数据帧就停止并等待,因此用1bit来编号就够。

停等协议--有差错情况:

1. 数据帧丢失或检测到帧出错

   超时计时器:每次发送一个帧就启动一个计时器。(超时计时器设置的的重传时间应当比帧传输的平均RTT更长一些。)

   

   • 发送完一个帧后必须保留它的副本。
   • 数据帧和确认帧必须编号。

2. ACK丢失:

   

3. ACK迟到

   

性能分析:

信道利用率:发送方在一个发送周期内,有效地发送数据需要的时间占整个发送周期的比率。

\[信道利用率=(L/C)/T \]

L:T内发送L比特数据 C:发送方数据传输率 T:发送周期(从开始发送数据,到收到第一个确认帧为止)

信道吞吐率:

\[信道吞吐率=信道利用率*发送方的发送速率 \]

停止-等待协议的信道利用率太低。

后退N帧协议(GBN)

后退N帧协议的滑动窗口

• 发送窗口(\(\ge 1\)):发送方维持一组连续的允许发送的帧的序号。

• 接口窗口(1):接收方维持一组连续的运行接收帧的序号。

滑动窗口长度:若采用n个比特对帧编号,那么发送窗口的尺寸\(W_T\)应满足:\(1\le W_T \le 2^n-1\)。因为发送窗口尺寸过大,就会使得接收方无法区别新帧和旧帧。

GBN发送方必须相应的三件事:

1. 上层的调用

   上层要发送数据时,发送方先检查发送窗口是否已满,如果未满,则产生一个帧并将其发送;如果窗口已满,发送方只需将数据返回给上层,暗示上层窗口。上层等一会再发送。(实际实现中,发送方可以缓存这些数据,窗口不满时再发送帧)。

2. 收到了一个ACK

   GBN协议中,对n号帧的确认采用累积确认的方式,标明接收方已经收到n号帧和它之前的全部帧。

3. 超时事件

   协议的名字为后退N帧/回退N帧,来源于出现丢失和时延过长时发送方的行为。就像停等协议中一样,定时器将再次用于恢复数据帧或确认帧的丢失。如果出现超时,发送方重传所有已发送但未确认的帧。

GBN接收方要做的事:

• 如果正确收到n号帧,并且按序,那些接收方为n帧发送一个ACK,并将该帧的数据部分交付给上层。
• 其余情况都丢失帧,并为最近按序接收的帧重新发送ACK。接收方无需缓存任何失序帧,只需要维护一个信息:expectedseqnum(下一个按序接收的帧序号)。

GBN协议重点总结：

1. 累积确认（偶尔捎带确认）
2. 接收方只按顺序接收帧。不按序无情丢弃
3. 确认序列号最大的，按序到达的帧
4. 发送窗口最大为\(2^n-1\)，接收窗口大小为1

GBN协议性能分析:

优点:因连续发送数据帧而提高了信道利用率。

缺点:再重传时必须把原来已经正确传送的数据帧重传,使传送效率降低。

选择重传协议(SR)

选择重传协议的滑动窗口

发送窗口最好等于接收窗口。(大了会溢出,小了没意义)

\(W_{Tmax}=W_{Rmax}=2^{(n-1)}\)

SR发送方必须响应的三件事

1. 上层的调用

   从上层收到数据后,SR发送方检查下一个可用于该帧的序号,如果序号位于发送窗口内,则发送数据帧;否则就像GBN一样,要么将数据缓存,要么返回给上层之后再传输。

2. 收到了一个ACK

   如果收到ACK,加入该帧序号在窗口内,则SR发送方将那个被确认的帧标记为已接收。如果该帧序号是窗口的下界(最左边第一个窗口对应的序号),则窗口向前移动到具有最小序号的未确认帧处。如果窗口移动了并且有序号在窗口内的未发送帧,则发送这些帧。

3. 超时事件

   每个帧都有自己的定时器,一个超时事件发生后只重传一个帧。

SR接收方要做的事

来者不拒(窗口内的帧):

SR接收方将确认一个正确接收的帧而不管其是否按序。失序的帧将被缓存,并返回给发送方一个该帧的确认帧(收谁确认谁),直到所有帧(即序号更小的帧)皆被收到为止,这时才可以将一批帧按序交付给上层,然后向前移动滑动窗口。

如果收到了窗口序号外( 小于窗口下界)的帧,就返回一个ACK。

其他情况,就忽略该帧。

SR协议重点总结

1. 对数据帧逐一确认，收一个确认一个
2. 只重传出错帧
3. 接收方有缓存
4. \(W_{Tmax}=W_{Rmax}=2^{(n-1)}\)

访问控制

传输数据使用的两种链路

• 点对点链路:两个相邻节点通过一个链路相连,没有第三者。

  应用:PPP协议,常用于广域网。

• 广播式链路:所有主机共享通信介质。

  应用:早期的总线以太网、无线局域网,常用于局域网。

  典型拓扑结构:总线型、星型(逻辑总线型)

介质访问控制

介质访问控制的内容就是,采取一定的措施,使得两对节点之间的通信不会发生互相干扰的情况。

信道划分介质访问控制

信道划分介质访问控制:将使用介质的每个设备与来自同一信道的其他设备的通信隔离开,把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备。

多路复用技术:把多个信号组合在一条物理信道上进行传输,使得多个计算机或终端设备共享信道资源,提高信道利用率。

把一条广播信道,逻辑上分成几条用于两个结点之间通信的互不干扰的字信道,实际就是把广播信道转变为点对点信道。

网络负载重:共享信道效率高,且公平。

网络负载轻:共享信道效率低。

随机访问MAC协议

冲突

用户根据意愿随机发送信息,发送信息时可独占信道带宽。

网络负载重:产生冲突开销。

网络负载轻:共享信道效率高,单个结点可利用信道全部带宽。

轮询访问MAC协议/轮流协议/轮转访问MAC协议

既要不产生冲突,又要发送时占全部带宽。

静态划分信道

频分多路复用FDM

用户在分配到一定的频道后,在通信过程中自始至终都占用整个频带。频分复用的所有用户在同样的事件占用不同的带宽(频率带宽)资源。

优点:充分利用传输介质带宽,系统效率较高;由于技术比较成熟,实现也比较容易。

时分多路复用TDM

将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧占用固定序号的时隙,所有用户轮流占用信道。

TDM帧是在物理层传送的比特流所划分的帧,标志一个周期。

改进的时分复用--统计时分复用STDM

STDM帧是在物理层传输的。

每一个STDM帧中的时隙小于连接在集中器的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存,然后集中器按顺序依次扫描输入缓存,把缓存中的输入数据放入STDM帧中,一个STDM帧满了就发出。STDM帧不是固定分配时隙,而是按需动态分配时隙。

波分多路复用WDM

波分多路复用就是光的频分多路复用,在一根光纤中传输多种不同波长(频率)的光信号,由于波长(频率)不同,所以各路光信号互不干扰,最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。

码分多路复用CDM

码分多址(CDMA)是码分复用的一种方式。

1个比特分为多个码片/芯片(chip),每一个站点被指定一个唯一的m位的芯片序列。

发送1时站点发送芯片序列,发送0时发送芯片序列的反码(通常把0写成-1)

如何不打架:多个站点同时发送数据的时候,要求各个站点芯片序列相互正交。(规格化内积)

如何合并:合路数据在信道中被线性相加。

如何分离:合并的数据和源站规格化内积。

动态分配信道

轮询协议

主节点轮流"邀请"从属结点发送数据。

问题:1. 轮询开销 2.等待延迟 3.单点故障

令牌传递协议

令牌:一个特殊格式的MAC空指针,不含任何信息。控制信道的使用,确保同一时刻只有一个结点独占信道。(令牌环网无碰撞)

每个结点都可以在一定的时间内(令牌持有时间)获得发送数据的权力,并不是无限制地持有令牌。

问题: 1. 令牌开销 2.等待延迟 3.单点故障

应用于令牌环网(物理星型拓扑,逻辑环形拓扑)

采用令牌传送方式的网络常用于负载较重、通信量较大的网络中。

AlOHA协议

纯ALOHA协议

纯ALOHA协议思想:不监听信道,不按时间槽发送,随机重发。想发就发

如果发生冲突,接收方在就会检测出差错,然后不予确认,发送方在一定时间内收不到就判断发生冲突。超时后等一随机时间再重传。

时隙ALOHA协议

时隙ALOHA协议思想:把时间分成若干个相同的时间片,所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道,若发生冲突,则必须等到下一个时间片开始时刻在发送。控制想发就发的随意性。

关于ALOHA要知道的事

1. 纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低,效率更低。
2. 纯ALOHA想法就发,时隙ALOHA只有在时间片段开始时才能发。

CSMA协议

载波监听多路访问协议CSMA(carrier sense multiple access)

CS:载波侦听/监听,每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。

MA: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。

协议思想:发送帧之前,监听信道。

监听结果:信道空闲-->发送完整帧;信道忙-->挺迟发送

1-坚持CSMA

坚持指的是对于监听信道忙之后的坚持。

1-坚持CSMA思想:如果一个主机要发送信息,那么它先监听信道。

空闲则直接传输,不必等待。忙则一直监听,直到空闲马上传输。

如果有冲突(一段时间内未收到肯定回复),则等待一个随机长的时间再监听,重复上述过程。

优点:只有媒体空闲,站点就马上发送,避免了媒体利用率的损失。

缺点:假如有两个或两个以上的站点有数据要发送,冲突就不可避免。

非坚持CSMA

非坚持指的是对于监听信道忙之后就不继续监听。

非坚持CSMA思想:如果一个主机要发送信息,那么它想监听信道。

空闲则直接传输,不必等待。忙则等待一个随机的时间再进行监听。

优点:采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。

缺点:可能存在大家都在延迟等待过程中,使得媒体仍可能处于空闲状态,媒体使用率降低。

p-坚持CSMA

p-坚持指的是对于监听信道空闲的处理。

p-坚持CSMA思想:如果一个主机要发生信息,那么它先监听信道。

空闲则以p概率直接传输,不必等待;概率1-p等待到下一个时间槽再传输。

忙则持续监听直到信道空闲再以p概率发送。

若冲突则等到下一个时间槽再监听并重复上述过程。

优点:既能像非坚持算法那样减少冲突,又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的这种方案。

发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完,造成了浪费。

CSMA/CD协议

载波监听多路访问协议/碰撞检测 CSMA/CD(carrier sense multiple access with collision detection)

CS:载波侦听/监听,每一个站在发送数据之前以及发送数据时要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。

CD:碰撞检测(冲突检测),"边发送边监听",适配器边发送数据边检测信道上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。（半双工网络）

传播时延对载波监听的影响

单程端到端传播时延:\(\tau\)

最多是两倍的总线端到端的传播时延(\(2\tau\))可以直到自己发送的数据没和别人发送碰撞。(总线的端到端往返传播时延/争用期/冲突窗口/碰撞窗口)(通常取51.2微秒为争用期时间)

只要经过\(2\tau\)时间还没有检测到碰撞,就能肯定这次发送不会发生碰撞。

确定重传时间

截断二进制指数规避算法:

1. 确认基本退避(推迟)时间为争用期\(2\tau\)。
2. 定义参数k,它等于重传次数,但k不超过10,即\(k=min[重传次数,10]\)。当重传次数不超过10时,k等于重传次数;当重传次数大于10,看就不在增大而一直等于10。
3. 从离散的整数集合\([0,1,\cdots,2^k-1]\)中随机取一个数r,重传所需要退避的时间就是r倍的基本退避时间,即\(2r\cdot \tau\)。
4. 当重传达16次仍不能成过时,说明网络太拥挤,认为此帧永远无法正确发出,抛弃此帧并向高层报告出错。

若连续多次发生冲突,就表明可能有较多的站参与争用信道。使用此算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数的增大而增大,因而减小发生碰撞的概率,有利于整个系统的稳定。

最小帧长问题

为了使可以在帧发送时可以检测到冲突(即CSMA/CD协议有效)

帧的传输时延至少要两倍于信号在总线中的传播时延。

\[\frac{帧长(bit)}{数据传输速率} \ge 2\tau \]

\[最小帧长=总线传播时延 \times 数据传输速率 \times 2(2\tau \times 数据传输速率) \]

以太网规定最短帧长为64B,凡是长度小于64B的都式由于冲突而异常终止的无效帧。

CSMA/CA协议

载波监听多路访问协议/碰撞避免 CSMA/CA(carrier sense multiple access with collision avoidance)

为什么会有CSMA/CA协议

• CSMA/CD无法做到\(360^{\circ}\)全面检测碰撞。
• 隐蔽站:当A和C都检测不到信号,认为信道空闲时,同时向终端B发送数据帧,就会导致冲突。

工作原理:

发送数据前,先检测信道是否空闲。

空闲则发出RTS(request to send),RTS包括发射端的地址、接收端的地址、下一份数据将持续发送的时间等信息;信道忙则等待。

接收端收到RTS后,将响应CTS(clear to send)。

发送端收到CTS后,开始发送数据帧(同时预约信道:发送方告知其他站点自己要传多久数据)。

接受端收到数据帧后,将用CRC来检验数据是否正确,正确则响应ACK帧。

发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧的发送,若没有则一直重传至规定次数为止。(采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间)。

CSMA/CD与CSMA/CA

相同点:CSMA/CD与CSMA/CA机制都是属于CSMA的思路,其核心是先听再说。换言之,两个再接入信道之前都须要进行监听。当发现信道空闲后,才能进行接入。

不同点:

• 传输介质不同:CSMA/CD用于总线式以太网(有线),而CSMA/CA用于无线局域网(无线)。
• 载波检测方式不同:因传输介质不同,CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测,当数据发生碰撞时,电缆中的电压就会随着发生变化;而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。
• CSMA/CD检测冲突,CSMA/CA避免冲突,二者出现冲突后都会进行有上限的重传。

局域网

局域网(Local Area Network):简称LAN,是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组,使用广播信道。

• 特点1:覆盖的地理范围较小,只在一个相对独立的局部访问内联,如一座或集中的建筑群内。
• 特点2:使用专门铺设的传输介质(双绞线、同轴电缆)进行联网,数据传输速率高(10Mb/s~10Gb/s)。
• 特点3:通信延迟时间短,误码率低,可靠性较高。
• 特点4:各站为平等关系,共享传输信道。
• 特点5:多采用分布式控制和广播式通信,能进行广播和组播

决定局域网的主要要素为:网络拓扑,传输介质和介质访问控制。

拓扑结构

星型拓扑:中心节点是控制中心,任意两个节点间的通信最多只需两步,传输速度快,并且网络构形简单、建完容易、便于控制和管理。但这种网络系统,网络可靠性低,网络共享能力差,有单点故障问题。

总线型拓扑:网络可靠性高、网络节点间响应速度快、共享资源能力强、设备投入量少、成本低、安装使用方便,当某个工作站节点出现故障时,对整个网络系统影响小。

环型拓扑:系统中通信设备和线路比较节省。有单点故障问题;由于环路是封闭的,所以不便于扩充,系统响应延时长,且信息传输效率相对较低。

树型拓扑:易于拓展,易于隔离故障,也容易有单点故障。

传输介质

有线局域网:常用介质:双绞线、同轴电缆、光纤

无线局域网:常用介质:电磁波

介质访问控制方法

1. CSMA/CD: 常用于总线型局域网,也用于树型网络
2. 令牌总线:常用于总线型局域网,也用于树型网络
3. 令牌环:用于环型局域网,如令牌环网

局域网分类

• 以太网:以太网是应用最为广泛的局域网,包括标准以太网(10Mbps)、快速以太网(100Mbs)、千兆以太网(1000Mbps)和10G以太网,它们都符合IEEE802.3标准规范。逻辑拓扑总线型,物理拓扑是星型或拓展星型。使用CSMA/CD。
• 令牌环网:物理上采用星形拓扑结构,逻辑上是环型拓扑结构。已是"明日黄花"。（IEEE802.5）
• FDDI网(Fiber Distributed Data Interface):物理上采用了双环拓扑结构,逻辑上是环型拓扑结构。
• ATM网(Asynchronous Transfer Mode):较新型的单元交换技术,使用53字节固定长度的单元进行交换。
• 无线局域网(Wireless Loacl Area network;WLAN):采用IEEE 802.11标准。

MAC子层和LLC子层

IEEE 802标准所描述的局域网参考模式只对应OSI参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层。

LLC负责识别网络层协议,然后对它们进行封装。LLC报头告诉数据链路层一旦帧被接收到时,应当对数据报做何处理。为网络层提供服务:无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送。

MAC子层的主要功能包括数据帧的封装/卸装,帧的寻址和识别,帧的接收与发送,链路的管理,帧的差错控制等。MAC子层的存在屏蔽了不同链路种类的差异性。

以太网

以太网(Ethernet)指的时由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带总线局域网规范,是当今现有局域网采用的最通用的通信的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD技术。

以太网在局域网各种技术中占统治性低位:

1. 造价低廉(以太网卡不到100快);
2. 是应用最广泛的局域网技术;
3. 比令牌环网、ATM网便宜,简单;
4. 满足网络速率要求:10Mb/s~10Gb/s。

以太网提供无连接、不可靠的服务

无连接:发送方和接收方之间无"握手过程"。

不可靠:不对发送方的数据帧编号,接收方不向发送方进行确认,差错帧直接丢弃,差错纠正由高层负责。

以太网只实现无差错接收,不实现可靠传输。

10BASE-T以太网

10BASE-T以太网是传送基带信号的双绞线以太网,T表示采用双绞线,现10BASE-T采用的是无屏蔽双绞线(UTP),传输速率是10Mb/s。

**采用曼切斯特编码。采用CSMA/CD介质访问控制 **

物理上采用星型拓扑,逻辑上总线型,每段双绞线最长为100m。

适配器和MAC地址

计算机与外界有局域网的连接是通过通信适配器的。

适配器上装有处理器和存储器(包括RAM和ROM)。

ROM上有计算机硬件地址MAC地址。

在局域网中,硬件地址又称为物理地址,或MAC地址(实际上是标识符)

MAC地址:每一个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址,前24位代表厂家(由IEEE规定),后24位厂家自己指定。常用6个十六进制数表示,如02-60-8c-e4-b1。

以太网MAC帧

最常用的MAC帧是以太网V2的格式。

与IEEE 802.3的区别:

1. 第三个字段是长度/类型
2. 当长度/类型字段值小于0x0600时,数据字段必须装入LLC子层。

高速以太网

速率\(\ge100Mb/s\)的以太网称为高速以太网。

1. 100BASE-T以太网

   在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网,仍使用IEEE802. 3的CSMA/CD协议。

   支持全双工和半双工,可在全双工方式下工作而无冲突。

   保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到100m。帧间时间间隔从原来的9.6us改为了现在的0.96us。

2. 吉比特以太网

   在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号。

   支持全双工和半双工,可在全双工方式下工作而无冲突。

3. 10吉比特

   10吉比特以太网在光纤上传送10Gb/s信号。

无线局域网

IEEE 802.11

IEEE 802.11是无线局域网通用的标准 ,它是由IEEE所定义的无线网络通信标准。

802.11的MAC头格式

分类

有固定基础设施无线局域网

无固定基础设施无线局域网的自组织网络

广域网

广域网

广域网(WAN,Wide Area Network),通常跨接很大的物理范围,所覆盖的范围从几十公里到几千公里,它能连接多个城市或国际,或横跨几个洲并能提供远距离通信,形成国际性的远程网络。

广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网,它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来,达到资源共享的目的。如因特网(Internet)是世界上范围内最大的广域网。

PPP协议

点对点协议(Point-to-Point Protocol)是目前使用最广泛的数据链路层协议,用户使用拨号电话接入因特网时一般都使用PPP协议。

只支持全双工链路。

PPP协议应满足的要求

• 简单:对于链路层的帧,无需纠错,无需序号,无3需流量控制。
• 封装成帧:帧定界符
• 透明传输:与帧定界符一样比特组合的数据应该如何处理:异步线路用字节填充,同步线路用比特填充。
• 多种网络层协议：封装的IP数据报可以采用多种协议
• 多种类型链路:串行/并行,同步/异步,电/光...
• 差错检测:CRC检错，错就丢弃。
• 检测连接状态:链路是否正常工作。
• 最大传送单元:数据部分最大长度MTU。
• 网络层地址协商:知道通信双方的网络层地址。
• 数据压缩协商

PPP协议无需满足的要求

纠错,流量控制,序号,不支持多点线路。

PPP协议的三个组成部分

1. 一个将IP数据报封装到串行链路(同步串行/异步串行)的方法
2. 链路控制协议LCP:建立并维护数据链路连接。(身份验证)
3. 网络控制协议NCP:PPP可支持多种网络层协议,每个不同的网络有层协议都要一个相应的NCP来配置,为网络层协议建立和配置逻辑连接。

PPP协议的状态图:

PPP协议的帧格式:

(面向字节)

HDLC协议*

高级数据链路控制(High-Level Data Link Control或简称HDLC),是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议,它是由国际标准化组织(ISO)根据IBM公司的SDLC(SynchrounousData Link Control)协议扩展开发而成的。

数据报文可透明传输,用于实现透明传输的"0比特插入法"易于硬件实现。

采用全双工通信。

所有帧采用CRC检验,对信息帧进行顺序编号,可防止漏收或重份,传输可靠性高。

HDLC的站

1. 主站的主要功能是发送命令(包括数据信息)帧、接收响应帧,并负责对整个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错检测或恢复等。
2. 从站的主要功能是接收由主站发来的命令帧,向主站发送响应帧,并且配合主站参与差错恢复等链路控制。
3. 复合站的主要功能是既能发送,又能接收命令帧和响应帧,并且负责整个链路的控制。

三种数据操作方式:

1. 正常响应方式
2. 异步平衡方式
3. 异步响应方式

HDLC的帧格式:

1. 信息帧(I)第1位为0,用来传输数据信息,或使用捎带技术对数据进行确认。
2. 监督帧(S)10,用来流量控制和差错控制,执行对信息帧的确认、请求重发和请求暂停发送等功能。
3. 无编号帧(U)11,用于提供对链路的建立、拆除等多种控制功能。

PPP协议&HDLC协议

HDLC*、PPP只支持全双工链路。

都可以实现实现透明传输。

都可以实现差错检测,到不纠正差错。

PPP协议	面向字节	2B协议字段	无序号和确认机制	不可靠
HDLC协议	面向比特	没有	有编号和确认机制	可靠

链路层设备

网桥&交换机

网桥

网桥根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时,并不向所有接口转发此帧,而是先检查此帧的目的MAC地址,然后再确定将该帧转发到哪一个接口,或者把它丢弃(即过滤)。

网段:一般指一个计算机网络中使用同一物理层设备(传输介质,中继器,集线器等)能够直接通讯的那一部分。

网桥优点:

1. 过滤通信量,增大吞吐量。
2. 扩大了物理范围。
3. 提高了可靠性。
4. 可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网。

网桥分类-透明网桥:

"透明"指以太网的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥,是一种即插即用设备--自学习。

网桥分类-源路由网桥:

在发送帧时,把详细的最佳路由信息(路由最少/时间最短)放在帧的首部中。

方法:源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧。

多接口网桥--以太网交换机

独占传输媒体带宽

两种交换方式:

• 直通式交换机:查完目的地址(6B)就立刻转发。

  延迟小,可靠性低,无法支持具有不同速率的端口的交换。

• 存储转发式交换机:将帧放入高速缓存,并检查是否正确,正确则转发,错误则丢弃。

  延迟大,可靠性高,可以支持具有不同速率的端口的交换。

冲突域和广播域

冲突域:在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧。简单来说就是同一时间内只能有一台设备发送信息的范围。

广播域:网络中能接收任一设备发出的广播帧的所有设备的集合。简单的说如果站点发出一个广播信号,所有能接收收到这个信号的设备范围称为一个广播域。(相当于VLAN虚拟局域网)

	能否隔离冲突域	能否隔离广播域
物理层设备[傻瓜] (中继器、集线器)	×	×
链路层设备[路人] (网桥、交换机)	√	×
网络层设备[大佬] (路由器)	√	√
虚拟局域网（VLAN）	√	√

参考:VLAN详细可看:https://www.yuque.com/yunwuxin/computer-network/7b17be21-be92-4281-98c9-b7dda05ce4ef?language=en-us