2.2数据链路层

数据链路层

一.点对点的数据链路层

1.数据链路和帧

①链路: 一个结点连接到相邻节点的一段物理线路
②数据链路： 链路+实现通信协议的软件和硬件

2.通信协议实现

网络适配器（软件+硬件）: 一般都具有数据链路层和物理层的功能
①物理链路（链路）+逻辑链路（实现数据链路的协议）

3.帧

①帧： 数据链路层的协议数据单元
②数据报： 网络层协议数据单元

4.点对点传输

数据链路层不必考虑物理链路的传输问题

①结点A将网络层下发的IP数据报添加首部和尾部封装成帧
②结点A将帧方式给结点B
③结点B检查帧，无错提取数据报上传，错误则抛弃

5.封装成帧

基于分组（IP数据报）传输的原理封装（打包）

首部和尾部能起到帧定界的作用
帧定界： 让计算机明确帧的完整性

6.透明传输

字节填充： 在数据部分中的SOH/EOT（干扰识别）前面添加转义字符ESC使其透明化

7.差错检查

比特差错： 数据传输中产生差错0变成1，1变成0
误码率BER: 一段时间内传输错误与传输数据总数的比例
循环冗余检验： 确定长度为（n+1）的p，进行CRC检验
举例：
①假定传输的数据M=101001
②假定商定好的传输除数P=1101（4位）
③得出
被除数据2ⁿM=2101001000=M+([4-1]个零)
商Q=110101
余数R=001作为FCS

发送端发送数据为：101001001
结论:
发送端发送： 2ⁿM（数据）x FCS冗余码
接收端： 接受数据后进行CRC检验若余数为0 则数据无差错，接受数据，反之有差错，丢弃数据。
①只能保证数据的无差错接受
②将可靠传输问题抛出到下一层

二.点对点协议ppp

PPP： 计算机和ISP进行通信时的数据链路层协议
MTU： 数据链路层的帧可负载的数据长度最长部分

1.ppp协议的组成

①封装IP数据的方法
②LCP链路控制协议： 建立，配置，测试，数据链路连接的协议
③NCP网络控制协议

2.PPP协议的特点

①简单: 对数据链路层的帧无需纠错，序号，流量控制
②封装成帧: 规定特殊的字符为帧定字符
③透明性: 保证数据的透明
④多种物理层协议: 保证同一物理连接上支持多种网络协议
⑤多种类型链路层: 保证在多种线路上的运行
⑥差错检测: 保证数据无差错接受
⑦检测连接状态: 保证在几分钟内检测出链路是否正常工作
⑧最大传送单元: 对每一类型点对点连接设置MTU的标准默认值，若分组超过MTU则抛出数据，并返回差错
⑨网络层地质协商: 保证通信的两个网络层能够相互知道，配置彼此的网络层地址
⑩数据压缩协商: 提供协商使用数据压缩的算法

3.ppp协议的帧

二.点对点协议ppp

PPP： 计算机和ISP进行通信时的数据链路层协议
MTU： 数据链路层的帧可负载的数据长度最长部分

1.ppp协议的组成

①封装IP数据的方法
②LCP链路控制协议： 建立，配置，测试，数据链路连接的协议
③NCP网络控制协议

2.PPP协议的特点

①简单: 对数据链路层的帧无需纠错，序号，流量控制
②封装成帧: 规定特殊的字符为帧定字符
③透明性: 保证数据的透明
④多种物理层协议: 保证同一物理连接上支持多种网络协议
⑤多种类型链路层: 保证在多种线路上的运行
⑥差错检测: 保证数据无差错接受
⑦检测连接状态: 保证在几分钟内检测出链路是否正常工作
⑧最大传送单元: 对每一类型点对点连接设置MTU的标准默认值，若分组超过MTU则抛出数据，并返回差错
⑨网络层地质协商: 保证通信的两个网络层能够相互知道，配置彼此的网络层地址
⑩数据压缩协商: 提供协商使用数据压缩的算法

3.ppp协议的帧

①标志字段： 确定帧的开始与结束
②地址字段： 无信息携带
③控制字段： 无信息携带
④协议字段： 确定信息部分的种类
⑤检验字段： 用来进行冗余检验

4.字节填充

原因： ppp在异步传输时，把转义字符定义为0X7D并用字节填充，会使字节数超过MTU
填充规则：
①信息字段中出现的0X7E变为 （0X7D，0X5E） 两个字节
②信息字段中出现的0X7D变为 （0X7D，0X5D） 两个字节
③信息字段中出现ASCII码控制符在该字符前添加0X7D并改变该字符
①标志字段： 确定帧的开始与结束
②地址字段： 无信息携带
③控制字段： 无信息携带
④协议字段： 确定信息部分的种类
⑤检验字段： 用来进行冗余检验

5.零比特填充

零比特填充： 在SONET/SDE链路时，采用同步传输，发送端，扫描发现连续5个1就在5个1后面加个0

6.ppp协议的工作状态

①ppp初态和终态： 链路静止

1.LCP配置中的响应：**

①配置确认帧（ACK）: 所有选项都接受
②配置否人帧（Nak）：所有选项接受但不理解
③配置拒绝帧（Reject）：选项出现无法识别/不能接受，需要协商

三.广播信道传输的数据链路层

1.局域网

局域网工作层次跨越了网络层和数据链路层
①局域网拓扑结构

②局域网优势：

• 具有广播功能，从站点访问全网
• 便于系统的扩张和演变
• 提高了设备的可靠性，可用性，生存性

③共享信道的技术方法

• 静态划分信道（物理层中详细解释过）
• 动态媒体接入控制（多点接入）：分为随机接入，动态接入
  1.随机接入: 所有用户可随机发送信息，但可能会出现碰撞想象
  2.动态接入: 用户服从控制发送信息（令牌环局域网，多点线路询）

④IEEE 802.3局域网： 现在业界默认的是IEEE 802.3的局域网而非DLX 创造的局域网

2.适配器

①适配器： 连接计算机与外界局域网，介于数据率不同同时配有缓存器
②适配器和主机通信： 通过计算机主板上的I/O总线并行传输
③适配器的特点： 在接受和发送数据时，不使用CPU，能独立的进行数据鉴别不通知计算机

3.CSMA/CD 协议

CSMA/CD 协议： 所有节点都共享网络传输信道，节点在发送数据之前，首先检测信道是否空闲，如果信道空闲则发送，否则就等待；在发送出信息后，再对冲突进行检测，当发现冲突时，则取消发送。
①载波监听： 无论数据是否在发送，每个站都必须不停的检测信道
②碰撞检测： 通过检测电压变化，判断是否产生了传输冲突
③截断二进制指数退避： 确定了数据碰撞后的重传时间

四.使用集线器的星型拓扑

以太网为了使用更便宜更灵活的双绞线，采用了星型拓扑图，在中心增加集线器
集线器：采用了大规模集成电路

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1.集线器的特点

①使用集线器的以太网，在逻辑上仍是总线网，各站共享逻辑上的总线，采用CSMA/CD协议。
②具有8个以上的接口，是多接口的转发器
③集线器工作在物理层，不进行碰撞建设
④集线器采用专门的芯片，进行自适应串音回波抵消

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2.以太网的信道利用率

碰撞会存在时间浪费

在该图中可知
①帧的传播时间为n2r+ T₀ +r
②帧发送时间为T₀ +r
③以太网端到端的时延r与发送时间T₀的比

\[σ=\frac{r}{N(T_0)} \]

σ越→0，越快检测碰撞。σ越大，检测碰撞越慢

④极限信道利用率S_(MAX)

\[ ^S(MAX)=\frac{T_0}{N(T_0+r)} \]

3.以太网的MAC层

MAC层的硬件地址(MAC地址)： 指出资源的位置。对站而说相当于标识符，名字

Ⅰ.（一般指代）固化在ROM中的地址

①更换适配器，就更改了计算机局域网的地址，
②地理位置不影响局域网的地址，唯有适配器影响

Ⅱ.适配器与MAC帧

当适配器接受到MAC帧时，先识别帧目标地址，如果放往本站就收下，否则丢弃。
1.收下三种帧
①单播帧（一对一） 收到的帧与本地的MAC地址相同
②广播帧（一对全体） 发送给本局域网上所有站点的帧
③多播帧（一对多） 发送给本局域网上部分站点的帧

Ⅲ.V2的MAC帧的格式

4.以太网扩展

Ⅰ.物理层扩展以太网

逐级的扩展

Ⅱ.在数据链路层扩展以太网

网桥（已淘汰）： 接收MAC帧先识别目的地址，再查找网桥中的地址表，进行数据的转发或丢弃。在物理层和数据链路层进行工作，进行了判断和碰撞考虑

交换交换式集线器（以太网交换机/第二层交换机）： 工作在数据链路层，多接口网桥
1.以太网交换机的特点：
①多接口网桥，全双工方式工作
②并行性，同时连接多对接口，使其同时通信
③多主机独占传输媒体，无碰撞传输数据
④有存储器，可以缓存帧，能保证繁忙时不丢失信息
⑤即插即用，内有自学算法，建立帧交换表
⑥使用交换架构芯片（硬件转发），转发率高于使用软件转发的网桥

Ⅲ.交换机的转换方式**

①存储转换： 将帧存储，进行检验
②直通： 接收帧就按地址转发

Ⅳ.交换机的自学习功能

①初始表为空 在每次传输，记录信息发出端的接口（地址—接口）记进不记出

• 交换机对发出端:记录接口对应的表
• 交换机对接受端：不知道接口，将数据广播

②表不为空 若存储对应接口的输入输出端方式帧，直接发送接口，而不广播。否则同①的步骤
③广播风暴 当数据发生重复的接口传输（广播风暴：广播包激增）
④交换机生成树协议 将物理的环状变化为逻辑（数据链路层）的树状

4.虚拟局域网

虚拟局域网（VLAN）： 以太网提供的服务

• 将多个交换机下的局域网虚拟合成一个 （物理位置无关的逻辑组）
• 将同个交换机下，设立标签，进行分组。同一个标签同一局域网 （物理位置相关的逻辑组）

五.高速以太网(自行搜索了解)

1.100BASE-T以太网

在双绞线上传输100Mbit/s基带信号的星型拓扑以太网

2.吉比特以太网

IEEE 802.3z