数据链路层

全网最全的数据链路层思维导图，包括包括概述、共同问题、点对点协议PPP、扩展的以太网、使用交换机扩展以太网等内容。

数据链路层

• 概述
  • 点对点信道
    • 一对一
  • 广播信道
    • 一对多，必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送
  • 不同链路层可能采用不同的数据链路层协议
• 共同问题
  • 链路（link）：从一个节点到相邻节点的物理线路，只是一条通信路径的组成部分
  • 数据链路（data link）：传送数据时，必须要有相应的通信协议来控制数据的传输，把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
    • 一般使用网络适配器来实现这些协议，一般的网络适配器包括了数据链路层和物理层这两层功能。
  • 协议数据单元：帧
  • 三个基本问题
    • 封装成帧
      • 在一段数据前后分别添加首部和尾部，把他们构成一个帧，首部和尾部的一个重要作用就是帧定界（确定帧的界限）
      • 首部和尾部有很多的控制信息，不同的链路层协议中，首部和尾部的格式不同，但都规定了所能传送的最大数据单元MTU，帧定界一般使用特殊的控制字符：SOH(首部)和EOT（尾部）
    • 透明传输
      • 采用字节填充的方法，为了避免发送的数据中出现控制字符SOH和EOT从而导致数据不完整，在数据中的控制字符前面加上ESC转义字符，在检测到ESC则跳过下一个字节，并将ESC删除，当然数据中的ESC序列前也加上一个ESC。
    • 差错检测
      • 使用循环冗余检验CRC
        • 在原始数据后添加n个0，然后进行模2除法，得到n位余数即为冗余码，冗余码常被称为帧检验序列FCS
      • 传输差错
        • 通过CRC检验可以实现无比特差错，但不能保证无传输差错，可能出现帧丢失、帧重复、帧失序，不是可靠传输
• 点对点协议PPP
  • 是目前使用最广泛的数据链路层协议，用户计算机和ISP（互联网服务提供商）进行通信时，使用的就是PPP协议
  • 要求
    • 简单：不要求可靠传输
    • 可以解决封装成帧、透明传输、差错检测
    • 可以支持多种网络层协议，能在多种类型的链路上运行
  • 需求
    • 可以自动检测出链路是否处于正常工作状态
    • 对数据的最大传送单元MTU规定为1500字节
    • 可以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彼此的网络层地址，并且可以提供一种方法协商数据压缩算法
  • 传输方式
    • 同步传输
      • 采用零比特填充的方法
        • 在发送端只要发现5个连续的1，后面立即填入一个0
        • 接收端每发现5个连续的1，就把后面的一个0删除
    • 异步传输
      • 帧格式
        • 在发送数据时，需要在转义字节的前面插入转义符0x7D，并把需要转义的字节从左到右的第三个二进制位取反
        • 在接收端每检测到一个0x7D字节，就把它删掉，并把下一个字节从左到右的第3个二进制位取反
• 局域网使用的就是广播信道
  • 为一个单位所拥有，地理范围和主机数目均有限
    • 优点：1.具有广播功能，主机可共享连在同一个局域网上的各种硬件和软件资源 2.便于系统的扩展演变 3.提高系统的可靠性、可用性和生存性
  • 拓扑结构：星形网、环形网、总线网、树形网
  • 传输媒体：双绞线、光纤
  • 信道共享方法
    • 信道复用（静态）
      • 频分复用
      • 时分复用
      • 波分复用
      • 码分复用
    • 多点接入（动态）
      • 随机接入
        • 以太网采用的方式，提供的是不可靠交付，当收到的数据有比特差错时，就把帧丢弃，其他的什么也不做，是否重传由高层协议决定
      • 受控接入
      • 当多台计算机同时发送数据时，会发生碰撞，导致发送失败，以太网使用CSMA/CD协议解决这一问题。CSMA/CD载波监听多点接入/碰撞检测
        • 多点接入
          • 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，计算机发送数据时，先检测总线上有没有发送数据，如果有，暂停发送
        • 碰撞检测
          • 计算机边发送数据边检测信道上的信号电压变化情况，如果发现总线上的电压大幅度增大，则认为发生了碰撞
          • 发生碰撞的计算机在停止发送数据后，等信道空闲后不是立即发送而是要推迟一个随机时间才能发生数据
        • 使用CSMA/CD协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）
          • 一台计算机在发送数据帧后最多经过2τ就知道自己是所发送的数据帧是否遭到碰撞，以太网规定争用期时间为51.2μs
        • 以太网规定最短有效帧长为64字节，凡是小于64字节的帧在发送时必须要填充一些字节，使帧长不小于64字节
        • 以太网还规定帧间最小间隔为9.6μs，即计算机在检测到总线空闲后还要等待9.6μs才能再次发送数据
  • 以太网
    • 拓扑结构
      • 使用双绞线的以太网往往采用星形拓扑，在星形的中心使用一种可靠性非常强的设备，叫做集线器
        • 集线器的工作在物理层，每个接口仅简单的转发比特，不进行碰撞检测
    • 信道利用率
      • a=τ/T。 T。为帧发送的时间，τ为争用期的一半
    • 硬件地址，又称物理地址或MAC地址，以太网上的数据帧又叫做MAC帧
      • 发往本站的帧
        • 单播：即帧的目的MAC地址与本站的硬件地址相同
        • 广播：发送给本局域网上所有站点帧，此帧的MAC地址全为1
        • 多播：发送给一部分站点的帧
    • 帧格式
      • 子主题
      • 数据字段最多占1500个字节，当数据字段和目的地址、源地址、类型之和少于64字节，则在后面添加FCS来使MAC帧至少为64字节
      • 因为MAC帧之间有一定的间隔，以太网不需要帧结束定界符，也不需要字节填充来保证透明传输
      • 无效帧（接受端检查出无效MAC帧就简单地丢弃）
        • 帧的长度不是整个字节
        • 用帧检验序列FCS查出有差错
        • 数据字段不在46~1500字节之间
• 扩展的以太网
  • 使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器
  • 碰撞域：又称冲突域，在任一时刻，一个碰撞域只能有一个站在发送数据
    • 集线器和其连接的主机共同构成一个碰撞域，多个碰撞域可以通过主干集线器构成一个更大的碰撞域
  • 使用集线器扩展以太网
    • 优点：使不同系的以太网上的计算机能够进行跨系通信，扩大了以太网的覆盖范围
    • 缺点：1.扩展后的以太网带宽没有提高，由于主机数增加，每台主机分配到的带宽降低 2.如果不同系的以太网使用的数据率不同，那么不能用集线器将他们互相连接起来
  • 使用交换机扩展以太网
    • 工作方式是全双工方式
    • 具有并行性，能使多对主机同时通信，相互通信的主机独占传输媒体，无碰撞传输数据，不再使用CSMA/CD协议
    • 碰撞域：以太网交换机的每个接口都是一个碰撞域
    • 交换机内部的帧交换表（地址表）通过自学习算法自动建立起来的，开始时，以太网交换机里面的交换表示空的
    • 转发表
• 使用交换机扩展以太网
  • 工作方式是全双工方式
  • 具有并行性，能使多对主机同时通信，相互通信的主机独占传输媒体，无碰撞传输数据，不再使用CSMA/CD协议
  • 碰撞域：以太网交换机的每个接口都是一个碰撞域
  • 交换机内部的帧交换表（地址表）通过自学习算法自动建立起来的，开始时，以太网交换机里面的交换表示空的
  • 转发表
    • 考虑到可能要在交换机的接口更换主机，或者主机要更换网络适配器，需要在交换表中每个项目都设有一个有效时间，过期的项目会被自动删除
    • 为了避免单点故障，以太网中往往会增加一些冗余的链路，此时自学习的过程就可能导致以太网帧在网络的某个环路无限制的兜圈
      • 为了解决这种兜圈子问题，IEEE的802.1D标准制定了一个生成树协议STP
      • STP不改变网络的实际拓扑结构，但在逻辑上切断某些链路以消除网络中的环路，使网络在逻辑上变成树状拓扑，从而消除兜圈子现象
  • 虚拟局域网
    • 以太网是一个广播域，以太网中的任何一个设备发出的广播帧都能被网络中的所有其他设备接受，可以利用以太网交换机很方便灵活的建立虚拟局域网VLAN，使广播范围缩小，提高局域网的安全性，虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务或功能，而不是一种新型局域网
    • 虚拟局域网协议允许在以太网帧格式中插入4个字节的标识符，称为VLAN标签，用来指明发送该帧的计算机属于哪一个虚拟局域网
    • 换分局域网的方法有很多，最常用的就是按交换机的接口换分，每台主机通过接入链路连接到交换机上，它们发往交换机的帧都是标准以太网帧
    • 两台交换机之间的链路称为汇聚链路，只有在汇聚链路上才会使用802.1Q帧
  • 高速以太网
    • 指速率达到或超过100Mbit/s的以太网
    • 快速以太网的最短有效帧长保持64字节不变，争用期由原来的51.2μs变为5.12μs，帧间最小间隔由原来的9.6μs变为现在的0.96μs。
  • 吉比特以太网
    • 允许在1Gbit/s下以全双工和半双工两种方式工作
    • 使用以太网V2帧格式
    • 在半双工下使用CSMA/CD协议，在全双工下不使用
    • 10BASE-T 和100BASE-T兼容
    • 10吉比特以太网只工作在全双工方式，不存在争用期，也不使用CSMA/CD协议