数据链路层

一张思维导图带你学习数据链路层，知识点有链路、广播信道、扩展的以太网、点对点信道等，收藏下图参考学习吧！

数据链路层知识点总结

• 链路
  • 物理链路/链路
    • 从一个结点到相邻结点的一段物理线路
  • 数据链路/逻辑链路
    • 在链路的基础上增加一些必要的硬件(如网络适配器)和软件(如协议的实现)
• 广播信道
  • 局域网的数据链路层
    • 特点
      • 网络为一个单位所拥有
      • 地理范围和站点数目均有限
    • 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
      • 提高了系统的可靠性、可用性和残存性
    • 媒体共享技术
      • 静态划分信道
        • 频分复用
        • 时分复用
        • 波分复用
        • 码分复用
      • 动态媒体接入控制(多点接入)
        • 随机接入
        • 受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询
    • 适配器的作用
      • 进行串行/并行转换
      • 对数据进行缓存
      • 在计算机的操作系统安装设备驱动程序
      • 实现以太网协议
  • 为了通信的简便，
    • 以太网采取了两种重要的措施
    • 采用较为灵活的无连接的工作方式
      • 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付
      • CSMA/CD协议
        • 要点
          • 准备发送
            • 在发送之前，必须先检测信道
          • 检测信道
            • 若检测到信道忙，则应不停地检测，一直等待信道转为空闲
            • 若检测到信道空闲，并在96比特时间内信道保持空闲（保证了帧间最小间隔）， 就发送这个帧
          • 检查碰撞
            • 在发送过程中仍不停地检测信道， 即网络适配器要边发送边监听
              • 发送成功
                • 在争用期内一直未检测到碰撞。这个顿肯定能够发送成功。 发送完毕后，其他什么也不做。然后回到准备发送状态
              • 发送失败
                • 在争用期内检测到碰撞。这时立即停止发送数据，并按规定发送 人为干扰信号。适配器接着就执行指数退避算法，等待r倍512比 特时间后，返回到检测信道状态
                • 继续检测信道。但若重传达16次仍不能成功，则停止重传而向上报错
        • 碰撞检测
        • 重要特性
          • 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)
          • 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性
          • 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率
        • 争用期
          • 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间2t（两倍的端到端往返时延） 就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞
          • 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞
          • 长度
            • 10 Mbit/s以太网取51.2 μs为争用期的长度
            • 对于10 Mbit/s以太网，在争用期内可发送512 bit，即64字节
            • 以太网发送数据时，若前64字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突
        • 二进制指数类型退避算法
          • 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据
          • 基本退避时间取为争用期2t
        • 最短有效帧长
          • 如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送， 这时已经发送出去的数据一定小于64 字节
          • 以太网规定了最短有效顿长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧
        • 强化碰撞
          • 发现发生了碰撞时
            • (1)立即停止发送数据
            • (2)再继续发送若干比特的人为干扰信号
    • 以太网发送的数据都使用曼彻斯特
      • 缺点：所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍
  • 使用集线器的星形拓扑
    • 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
    • 集线器很像一个多接囗的转发器，工作在物理层
  • 以太网的信道利用率
    • 当发生碰撞时，信道资源实际上是被浪费了
    • 当扣除碰撞所造成的信道损失后，以太网总的信道利用率并不能达到100%
  • 以太网的MAC层
    • MAC层的硬件地址
      • 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址
      • “发往本站的帧”包括以下三种帧
        • 单播
        • 广播
        • 多播
    • 以太网V2的MAC帧格式
    • 无效的MAC帧
      • 数据字段的长度与长度字段的值不一致
      • 帧的长度不是整数个字节
      • 用收到的帧检验序列FCS查出有差错
      • 数据字段的长度不在46~1500字节之间
        • 最小长度64字节-18字节的首部和尾部 =数据字段的最小长度46字节
      • 有效的MAC帧长度为64~1518字节之间
      • 对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃，
        • 以太网不负责重传丢弃的帧
• 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的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信
        • 扩大了以太网覆盖的地理范围
      • 缺点
        • 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高
        • 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来
  • 在数据链路层扩展以太网
    • 网桥
      • 网桥工作在数据链路层
      • 它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤
    • 以太网交换机
      • 特点
        • 实质上就是个多接囗的网桥
        • 每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式
        • 能同时连通多对接囗，使多对主机能同时通信
        • 相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据
        • 接囗有存储器，能在输出端囗繁忙时把到来的帧进行缓存
        • 一种即插即用设备，其内部的顿交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的
        • 专用的交换结构芯片,，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网快很多
      • 优点
        • 用户独享带宽，增加了总容量
        • 从共享总线以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、适配器等都不需要做任何改动
        • 以太网交换机一股都具有多种速率的接囗，方便了各种不同情况的用户
      • 交换方式
        • 存储转发方式
        • 直通(cut-through)方式
          • 接收数据顿的同时就立即按数据帧的目的MAC地址决定该帧的转发接口，因而提高了帧的转发速度
          • 缺点：它不检查差错就直接将帧转发出去，因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站
      • 自学习功能
        • 考虑到可能有时要在交换机的接口更换主机，或者主机要更换其网络适配器，这就需要更改交换表中的项目。
          • 为此，在交换表中每个项目都设有一定的有效时间，过期的项目就自动被删除
        • 以太网交换机的这种自学习方法使得以太网交换机能够即插即用，不必人工进行配置，因此非常方便
        • 使用了生成树协议
          • 要点：不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有 其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象
    • 从总线以太网到星形以太网
      • 总线以太网使用CSMA/CD协议，以半双工方式工作
      • 以太网交换机不使用共享总线，没有碰撞问题，因此不使用CSMA/CD协议，而是以全双工方式工作，
        • 但仍然采用以太网的帧结构
  • 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
    • 当B1向VLAN2工作组内成员发送数据时，工作站B2和B3将会收到广播的信息
    • B1发送数据时，工作站A1，A2和C1都不会收到B1发出的广播信息
    • 虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息（即“广播风暴”）而引起性能恶化
• 点对点信道
  • 通信步骤
    • 1.结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部
    • 2.结点A把封装好的帧发给结点B的数据链路层
    • 3.若结点B的数据链路层收到所谓帧无差错，则从收到的帧中提取出IP数据报交给网上面络层
  • 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，这样就构成了帧。首部与尾部的重要的作用是进行顺定界，此外还
        • 包含了许多必要的控制信息。对于每一种数据链路层协议都规定了顿的数据部分的长度上限——最大传送单元MTU
      • SOH(start of header)
        • EOT(end of transmission) 当数据在传输中出现差错时，帧定界符的作用更加阴显,明显，假定发送端尚未发送完一个帧时突然出现了故障， 中断了发送。但随后很快又恢复正常，于是重新从开始发递才未发送完的帧。由使用了帧定界，在接收端就知道 前面收到的数据是个不完整的帧（只有首部没有尾部），必须丢弃。而后面收到的数据有明确的帧定界符 （SOH和EOT），因此这是一个完整的顿，应当收下
    • 透明传输
      • 方法：字节填充（byte stuffing）或字符填充（character stuffing）
        • ——接收端的数据链路层在将数据送往网络层之间删除插入的转义字符
        • 发端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入
          • 一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是1b)
        • 如果转义字符也出现在数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。
          • 当接端收到连续的两个转义字符，就删除前面的一个
    • 差错检测
      • 检错技术
        • 循环冗余检验CRC
          • (Cyclic Redundancy Check)
          • 在发送端，先把数据划分为组。假定每组k个比特 假设待传送的一组数据M = 101001（现在k=6）。我们在M的后面再添加 供差错检测用的n位冗余码一起发送
          • 冗余码的计算 用二进制的模2运算进行2^n*M运算，这相当于在M后面添加n个0 得到的（k+n）位的数除以事先选定好的长度为（n+1）位的除数P，得出商 是Q而余数是R，余数R比除数P少1位，而R是n位
          • 检验
            • 把收到的每一帧都除以同样的除数P（模2运算），然后检查得到的余数R， 若R=0，则判定这个帧没有差错，就接受， 若R ≠0，则判定这个帧有差错，就丢弃。 这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错，只要经过严格挑选， 并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小
          • 注意
            • 仅用循环冗余检验CRC差错检验技术只能做到无差错接受
              • 凡是接受的帧(即不包括丢弃的帧)，我们都能以非常接近 于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错
            • 要做到“可靠传输(即发送什么就收到什么)”就必须加上确认和重传机制
  • 点对点协议PPP(Point-to-Point Protocol)
    • 要求
      • 简单(首要的要求)
      • 封装成帧
      • 透明性
        • 同步传输:：采用硬件来完成比特填充
        • 异步传输：字符填充法
          • 零比特填充
            • 在发送端,，只要发现有5个连续1,，则立即填入一个0
            • 接收端对帧中的待流进行扫描。每当发现5个连续1时， 就这5个连续1后的一个0删余
      • 多种网络层协议
      • 多种类型链路
      • 差错检测
      • 检测连接状态
      • 最大传送单元
      • 网络层地址协商
      • 数据压缩协商
      • 不需要：纠错；流量控制：序号；多点线路；半双工或单工链路
    • 组成部分
      • 一个将IP数据报封装到串行链路的方法
      • 链路控制协议LCP (Link Control Protocol)
      • 网络控制协议NCP (Network Control Protocol)
    • 帧格式
      • PPP是面向字节的，所有的PPP帧的长度都是整数字节
    • PPP协议状态图