数据链路层思维导图

这是一篇关于数据链路层思维导图,包含使用点对点信道的数据链路层、使用点对点协议PPP、扩展的以太网等。

数据链路层

• 使用点对点信道的数据链路层
  • 数据链路层和帧
    • 链路
      • 一条无源的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。
      • 或物理链路。
    • 数据链路
      • 把实现控制数据传输的协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
      • 或逻辑链路。
      • 典型实现：适配器（即网卡）
    • 数据链路层协议数据单元：帧
  • 三个基本问题
    • 封装成帧
      • 在一段数据的前后分别添加首部和尾部，构成一个帧。
      • 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界（即确定帧的界限）
    • 透明传输 指某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样
    • 差错控制 在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)
      • 循环冗余检验 CRC (Cyclic Redundancy Check) 原理
• 使用点对点协议PPP
  • 特点 对于点对点的链路，目前使用得最广泛的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。 PPP 协议在 1994 年就已成为互联网的正式标准 [RFC 1661, STD51]
  • 要求
    • 1，简单 ——首要要求。
    • 2，封装成帧 —— 必须规定特殊的字符作为帧定界符。
    • 3，透明性 —— 必须保证数据传输的透明性。
    • 4，多种网络层协议 —— 能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议。
    • 5，多种类型链路 —— 能够在多种类型的链路上运行。
    • 6，差错检测 —— 能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。
    • 7，检测连接状态 —— 能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。
    • 8，最大传送单元 —— 必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元 MTU 的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性。
    • 9，网络层地址协商 —— 必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。
    • 10，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。
  • 组成
    • 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
    • 一个链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。
    • 一套网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)
  • 工作状态
• 高速以太网
  • 100BASE-T 以太网 在双绞线上传送 100 Mbit/s 基带信号的星形拓扑以太网
    • 特点
      • 可在全双工方式下工作而无冲突发生。
      • 在全双工方式下工作时，不使用 CSMA/CD 协议。
      • 使用 IEEE 802.3 协议规定的 MAC 帧格式。
      • 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 米。
      • 帧间时间间隔从原来的 9.6 μs 改为现在的 0.96 μs。
  • 吉比特以太网
    • 特点
      • 允许在 1 Gbit/s 下以全双工和半双工 2 种方式工作。
      • 使用 IEEE 802.3 协议规定的 MAC 帧格式。
      • 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议，而在全双工方式不使用 CSMA/CD 协议。
      • 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容
• 使用广播信道的数据链路层
  • 局域网的数据链路层
    • 局域网最主要的特点：网络为一个单位所拥有；地理范围和站点数目均有限。
    • 局域网具有如下主要优点：具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。提高了系统的可靠性、可用性和生存性。
  • 以太网的两个标准 DIX Ethernet V2：世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。 IEEE 802.3：第一个 IEEE 的以太网标准。
  • CSMA/CD 协议
    • 最早的以太网：将许多计算机都连接到一根总线上。
    • 总线特点：易于实现广播通信，简单，可靠。
    • 总线缺点：多个站点同时发送时，会产生发送碰撞或冲突，导致发送失败。
  • CSMA/CD 协议的要点
    • 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。
    • 载波监听：即“边发送边监听”。不管在想要发送数据之前，还是在发送数据之中，每个站都必须不停地检测信道。
    • 碰撞检测：适配器边发送数据，边检测信道上的信号电压的变化情况。电压摆动值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（或冲突）。
  • 争用期 以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口，具体的争用期时间 = 51.2 μs
    • 截断二进制指数退避 (truncated binary exponential backoff
    • 发生碰撞的站停止发送数据后，要退避一个随机时间后再发送数据 基本退避时间 = 2 从整数集合 [0, 1, … , (2k - 1)] 中随机地取出一个数，记为 r 重传所需的时延 = r ⅹ 基本退避时间。 参数 k = Min[重传次数, 10] 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。
  • 集线器
    • 使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线 很像一个多接口的转发器，工作在物理层 采用了专门芯片，进行自适应串音回波抵消，减少了近端串音
  • MAC 层 硬件地址又称为物理地址
    • 当“长度/类型”字段值大于 0x0600 时，表示“类型”；小于 0x0600 时，表示“长度”。 当“长度/类型”字段值小于 0x0600 时，数据字段必须装入逻辑链路控制 LLC 子层的 LLC 帧。 在 802.3 标准的文档中，MAC 帧格式包括了 8 字节的前同步码和帧开始定界符。
• 扩展的以太网
  • 在物理层扩展以太网
    • 使用光纤扩展
    • 使用集线器扩展
    • 优点 使原来属于不同碰撞域（冲突域）的计算机能够跨碰撞域通信。 扩大了以太网覆盖的地理范围。 缺点 碰撞域增大了，总的吞吐量未提高。 如果使用不同的以太网技术（如数据率不同），那么就不能用集线器将它们互连起来。
    • 碰撞域（collision domain）又称为冲突域，指网络中一个站点发出的帧会与其他站点发出的帧产生碰撞或冲突的那部分网络。
  • 在数据链路层扩展以太网
    • 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。或者转发，或者丢弃。
    • 交换机 工作在数据链路层。 多端口的网桥。 可明显地提高以太网的性能。
      • 特点 接口有存储器。 即插即用。 使用专用的交换结构芯片
      • 优点 N 个用户共享集线器提供的带宽
      • 自主学习功能
  • 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。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机是属于哪一个 VLAN
    • 优点：
      • 改善了性能
      • 简化了管理
      • 降低了成本
      • 改善了安全性