计算机网络笔记-数据链路层(一)

第三章 数据链路层

数据链路属于计算机网络的低层

数据链路层使用的信道主要有：

• 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，较复杂
  • 需使用专用的共享信道协议来协调主机的数据发送
• 从整个互联网来看，局域网仍属于数据链路层的范围

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本章概要

点对点信道和广播信道的特点

PPP协议和CSMA/CD协议

封装成帧

透明传输

差错检测

以太网MAC层的硬件地址

适配器、转发器、集线器、网桥、以太网交换机的作用以及使用场合

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正文

• 点对点信道的数据链路层在进行通信时的主要步骤：
  • 发送端数据链路层将网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧
  • 发送端把封装好的帧发送给接收端的数据链路层
  • 若接收端的数据链路层收到的帧无差错，则从帧中提取出IP数据报交给上面的网络层，否则丢弃这个帧
  • 发送端可以是主机和边缘部分
• 链路和数据链路 link and data link
  • 链路 = 传输数据的物理线路
  • 数据链路 = 传输数据的物理线路 + 链路上的硬件和软件协议
  • 一般使用 网络适配器 来实现协议
  • 网络适配器包括了数据链路层和物理层这两层的功能
  • 也有将链路分为：物理链路 + 逻辑链路（数据链路）
  • 早期的通信协议叫做 通信规程 因此数据链路层中 规程和协议是同义的
  • 数据链路层的协议数据单元PDU --帧
  • 数据链路层：
    • 将网络层交下来的数据构成帧发送到链路上
    • 将接收到的帧中的数据取出并上交给网络层
    • 网络层协议数据单元就是IP数据报（或称为数据报、分组、包）

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三个基本问题

• 封装成帧
  • 在数据前后分别添加首部和尾部，构成一个帧
  • 帧长 = 帧的书部分长度 + 帧首和帧尾的长度
  • 首部和尾部的作用
    • 进行帧定界
    • 包含许多必要的控制信息
    • 从帧首开始发送数据
  • 帧的数据部分长度上限---最大传送单元MTU Maximum Transfer Unit
  • 帧定界
    • 可以使用特殊的帧定界符（当数据由可打印的ASCII码组成）
    • SOH start of header
      • 处于帧的最前面
      • 表示帧的开始
      • 01 十六进制
    • EOT end of transmission
      • 表示帧的结束
      • 04
• 透明传输
  • 不管怎样的字符都可以放在帧中传输，为透明传输
  • 透明的概念：
    • 某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样
  • 一般使用字符填充或字节填充
    • 例如使用ESC EOT 转义字符
• 差错检测
  • 0 可能变成 1 1 可能变成 0 叫做比特差错 是传输差错的一种
  • 传输错误的比特占所有的传输比特总数的比率叫做误码率 BER
  • 误码率不能为 0 所以有了循环冗余校验CRC
  • CRC
    • 在数据M的后面添加供差错检测用的n位冗余码，然后构成一个帧发送出去，
    • 一共发送（k + n）位
    • 当传输可能出现差错时，这种增大数据传输开销的差错检测往往是很值得的
    • n位冗余码的的得出方法：
      • 用二进制的 模2运算 进行2ⁿ 乘M的运算，这相当于在M后面添加 n个0
      • 得到的（k + n）位的数除以收发双方事先商定的长度（n + 1）位的除数P
      • 得出商是Q而余数是R（n位， 比P少一位）
      • 余数R作为冗余码拼接在数据M的后面发送出去，这种冗余码常称为帧检测序列FCS Frame Check Sequence
      • 因此加上FCS后发送的帧2ⁿM + FCS共有 k + n位
      • CRC是检测方法
      • FCS 是检错的冗余码
      • 若得出的余数R = 0 则判定无差错 就接受
      • 若余数R ！= 0则判定有差错，但无法判断是哪一位出错，就丢弃
      • 传输差错可分为：
        • 比特差错
        • 帧丢失
        • 帧重复
        • 帧失序
        • 帧编号 确认 重传机制
        • 数据链路不被要求向上提供可靠传输的服务
        • 由上层协议来完成改正差错
    • 数据链路层的协议都不是可靠传输协议

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点对点协议PPP

HDLC High-level-Data Link Control 高级数据链路控制

PPP Point-to-Point Protocol 点对点协议

PPP

• 简单
  • 首要需求
  • 不需要纠错
  • 不需要序号
  • 不需要流量控制
  • 只进行CRC检验，如检测正确，就收下， 反之则丢弃
  • 其他什么都不做
• 封装成帧
  • PPP协议必须规定特殊的字符作为帧定界符
• 透明性
  • PPP协议必须保证数据传输的透明性
  • 解决数据中碰巧与帧定界符一样的比特组合
• 多种网络层协议
  • PPP协议必须能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议
• 多种类型链路
  • PPP还需要能够在多种类型的链路上运行
  • 例如串行的或并行的
  • 同步的或异步的
  • 低速的或高速的
  • 电的或光的
  • 交换的（动态的）或非交换的（静态的）点对点链路
• 差错检测
  • 丢弃有差错的帧
  • 减少往后的网络资源浪费
• 检测连接状态
  • 自动检测链路是否处于正常工作状态
• 最大传送单元
  • MTU 载荷的数据部分的最大长度，而不是帧的总长度
• 网络层地址协商
  • 提供机制让通信的两个网络层能知道彼此的网络层地址
• 数据压缩协商
  • 必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法
  • 但并不要求数据压缩算法进行标准化
  • 在TCP/IP协议族中，可靠传输由运输层的TCP协议负责
• 此外，PPP协议只支持全双工链路

PPP协议的组成

• 三个部分
  • 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，也支持面向比特的同步链路
    • IP数据报在PPP帧中就是其信息部分
    • 这个信息部分受MTU限制
  • 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 link control protocol
  • 一套 网络控制协议NCP network control protocol
    • 其中每一个协议支持不同的网络层协议

PPP协议的帧格式

• 各字段的意义
  • 首部 四个字段
    • 第一个字段 F（Flag）0x7E 01111110
    • 第二个地址字段 A 0xFF 11111111
    • 第三个控制字段 C 0x03 00000011
    • 第四个2字节协议字段
      • 0x0021 IP数据报
      • 0xC021 PPP链路控制协议LCP的数据
      • 0x8021 网络层的控制数据
  • 信息字段
    • 长度可变
    • 不超过1500字节
  • 尾部 两个字段
    • 第一个字段 2字节 CRC的帧检测序列FCS
    • 第二个字段 F
• 字节填充
  • 当信息字段中出现和标志字段一样时
  • 当使用异步传输
    • 转义为 0x7D 01111101 并使用字节填充
    • 把信息字段中的每一个0x7E 转变为2字节序列 0x7D 0x5E
    • 当出现0x7D 转变为 2字节序列 0x7D 0x5D
    • 若出现ASCII码控制字符，在该字符前面加入0x7D
• 零比特填充
  • PPP协议在SONET/SDH 链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送）而不是异步传输
  • （逐个字符的传送），这种情况下，PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输。
  • 具体做法
    • 在发送端，先扫描整个信息字段 只要发现五个连续的1则立即插入一个0，因此不会
    • 不会出现6个连续的1，接收端在收到一个帧时，先找到标志字段F以确定帧的边界，接着再用硬件对比特流进行扫描，每发现五个连续的1时，就将5个连续1后面的一个0删除，还原为原来的比特流
    • 而不会引起对帧边界的误判断

PPP协议的工作状态

• 用户拨号接入ISP

• 建立一条从用户到ISP的物理连接

• 这是，用户电脑发送一系列链路控制协议LCP分组，封装成多个PPP帧到ISP

• 建立LCP连接

• 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给新接入的用户分配一个IP地址，这样用户的电脑就成为互联网上一个有IP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，最后释放物理层的连接

• 链路静止 link dead

  • 此时用户与ISP的路由器之间不存在物理层的连接

• 链路建立 link establish

  • 用户通过调制解调器呼叫路由器

• 路由器检测到调制解调器发出的载波信号，双方建立物理层连接后

  • PPP进入Link Establish状态

• 此时LCP开始协商一些配置选项，

  • 发送LCP配置请求帧
    • 配置确认帧
  • 配置否认帧
    • 配置拒绝帧
    • 配置选项
      • 连路上的最大帧长
      • 所使用的鉴别协议 authentication protocol
      • 不使用PPP帧中的地址和控制字段
  • 协商结束后建立链路层的LCP连接
    • 鉴别状态
    • 只允许传送LCP协议的分组
      • 鉴别协议的分组
    • 监测链路质量的分组
    • 口令鉴别协议PAP password authentication protocol
      • 发起通信的一方发送身份标识符和口令，系统可允许用户重试若干次
      • 增加复杂性可用 口令握手鉴别协议CHAP challenge-handshake Authentication protocol
  • 若鉴别身份失败，则转入链路终止 link terminate
  • 若鉴别成功，则进入‘ 网络层协议‘ Network-layer protocol状态
  • NCP根据不同协议互相交换网络层特定的网络控制分组。
    • 不同网络层协议，同一个PPP协议
  • IPCP分组
  • 链路打开
  • 可以发送分组
    • 可以发送回送请求分组 Echo-Request
  • 回送回答LCP分组 Echo-Reply
  • 终止请求
  • 终止确认
  • 链路终止
  • 链路静止

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使用广播信道的数据链路层

局域网

• 较高的数据率
• 较低的延迟
• 较低的误码率
• 具有广播功能
• 局域网上的主机共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源
• 设备的位置可灵活调整和改变
• 提高了reliability available 和 survivability
• 集线器 hub 和 双绞线的使用 星型以太网获得了广泛应用

以太网

• 几乎成了局域网的同义词

• 如何使众多用户能够合理而方便地共享通信媒体资源

  • 静态划分信道

    • 复用
    • 代价较高

  • 动态媒体接入控制

    • 多点接入
    • 并非在通信时固定分配给用户
      • 随机接入
        • 所有用户可随机的发送信息
        • 如果恰巧有多个用户同时发送信息，在共享媒体上就会产生碰撞或冲突
        • 使得发送失败，因此必须要有解决碰撞的网络协议
      • 受控接入
        • 用户不能随机的发送信息而必须服从一定的控制，
        • 分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探询或轮询
        • 用的比较少

  • 逻辑链路控制 LLC logic link control 子层和媒体接入控制 MAC medium Access Control 子层

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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adapter进行的
• 有接口板网络接口卡NIC network interface card 网卡

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CSMA/CD协议

• 常把局域网上的计算机称为 主机 工作站 站点 站

• 采用无连接的工作方式

  • 不对发送的帧进行编号，也不要求对边发回确认
  • 以太网提供的服务是尽最大努力的交付，即不可靠交付
  • 使用CRC校验
  • 对是否重传由高层来决定

• 协调总线上各计算机的工作就是以太网要解决的一个重要问题

  • 载波监听多点接入/碰撞检测 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
  • 以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号

• 多点接入

  • 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
  • 协议的实质是 载波监听 和 碰撞检测

• 载波监听

  • 就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机也在发送
  • 其实总线上并欸有什么 载波 .只不过是借用一下这个名词
  • 载波监听就是检测信道
  • 不管在发送前，还是在发送中，每个站都必须不停的检测信道
  • 发送前检测信道是为了获取发送权
  • 发送中检测信道，是为了及时发现碰撞

• 碰撞检测

  • 边发送边监听
  • 适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况，以便判断其他站是否也在同时发送数据，
  • 当多个站同时在总线上发送数据时，总线上的电压变化幅度将会增大，互相叠加
  • 当发现总线上出现了碰撞，适配器就要立即停止发送等待一段时间后再次发送
  • 电磁波在1km电缆的传播时延约为5us
  • 帧最小间隔时间为9.6us

CSMA/CD协议要点

• 准备发送
  • 封装成以太帧，发送前检测信道
• 检测信道
  • 不停检测直到信道转为空闲并在96比特时间内信道保持空闲了就发送这个帧
• 发送中不断检测信道，即适配器要边发边监听
  • 发送成功
  • 发送失败
    • 重传达16次不能成功
    • 停止重传向上报错
• 以太网每发送完一帧，要把已发送的帧暂时保留一下，等待是否重传

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使用集线器的星型拓扑

• 集线器 hub
  • 每个站需要用两对无屏蔽双绞线， 分别用于发送和接收
  • 双绞线两端使用RJ-45插头
  • 10BASE-T 10为10Mbit/s BASE为基带信号 T代表双绞线
  • 10BASE-T 是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑
  • 一个集线器有许多接口
  • 像一个多接口转发器
  • 集线器工作在物理层，每个接口仅仅简单的转发比特，不进行碰撞检测
  • 集线器本身必须非常可靠，现在的堆叠式集线器由4-8个集线器堆叠起来使用
  • 10BASE-F F为光纤

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以太网的信道利用率

• 假定一个10Mbit/s以太网同时有10个站在工作，那么每一个站所能发送数据的平均速率似乎是1/10
• 其实不然
• 因为多个站在以太网上同时工作就可能发生碰撞，信道资源实际上是被浪费了，因此，当
• 扣除碰撞所造成的信道损失后，以太网的信道利用率并不能达到100%
• a = r/ T0

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以太网的MAC层

• MAC层的硬件地址

• 计算机中固化在适配器的ROM中的地址

• 单播 一对一

• 广播 一对全体

• 多播 一对多

• MAC的帧格式

  • DIX Ethernet V2
    • 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
    • 第四个字段是数据字段，长度在46到1500字节之间
    • 最后一个字段是FCS
    • 曼彻斯特编码，当电压不在变化， 即可知道传送结束， 往前四个字节就知道是数据的结束
    • 由上层协议来判断填充字节的长度
    • 从MAC子层向物理层时还要再帧前插入八个字节，有两个字段构成
      • 第一个字段是7个字节的前同步码， 作用是使接收端的适配器在接收MAC帧时能够迅速调整其始终频率，使它和发送端的时钟同步
      • 第二个字段是帧开始定界符 定义为10101011 最后两个1就是告诉接收端适配器马上要接收MAC帧信息
    • 使用SONET/SDH进行同步传输时则不需要用前同步码和帧开始定界符
    • 由于帧之间的间隔，所以帧不需要帧结束定界符，也不需要使用字节插入来保证透明传输
  • 802.3
    • 规定了以下情况为无效的MAC帧：
      • 帧的长度不是整数个字节
      • 用收到的帧检测序列FCS查出有错误
      • 收到的帧的MAC客户数据字段长度不在46-1500字节之间。
      • 考虑到MAC帧首尾长度共有十八字节， 可以得出MAC帧的有效长度在64-1518字节之间
      • 对于检查出无效的MAC帧直接丢弃，以太网不考虑重传丢弃的帧
  • V2和802.3的区别
    • 802.3规定的MAC帧的第三个字段是 长度/类型 当这个字段值大于0x0600时，就表示 类型
    • 当 长度/类型 字段值 小于0x0600时， 数据字段必须装入上面的LLC子层大的LLC帧

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以太网交换机

• 独占传输媒体

• 无碰撞地传输数据

• 缓存存储器

• 帧交换表 地址表 自学习算法

• 生成树协议 STP Spanning Tree Protocol

  • 切断闭环

• 不使用CSMA/CD 但由于仍使用以太网帧结构， 故还称为以太网

• VLAN

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高速以太网

• 可扩展
• 灵活的
• 易于安装
• 稳健性好

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ohoh