导图社区 数据链路层
计算机网络数据链路层，包含使用广播信道的数据链路层、使用点对点信道的数据链路层、点对点PPP协议、扩展以太网等。
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数据链路层
使用点对点信道的数据链路层
数据链路和帧
链路和数据链路
链路：结点到相邻结点的一段物理线路(物理链路)数据链路：链路+协议+必要硬件(逻辑链路)
帧
链路层协议的数据单元
点对点数据链路层进行通信的主要步骤
P71封装成帧：结点A将网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧透明传输：结点A将封装好的帧发送给结点B的数据链路层差错检验：结点B检查是否有差错，然后提取IP数据报上交给结点B对应的网络层
三个基本问题
P72-75封装成帧：数据前后加首尾部(包括开始与结束标识符)。重要作用：帧定界。控制信息。网络层下来的IP数据包作为帧的数据部分，加上首部SOH和尾部EOT形成完整的帧。透明传输：当帧的数据部分出现帧定界控制字符时使用字节填充或者字符填充(在前面插入转义字符)差错检验：数据链路层广泛使用循环冗余检验。凡接收端数据链路层接受的帧均无差错(有差错的已丢失)。只是检验比特差错，不能实现无差错传输(还有帧丢失、帧重复、帧失序) 循环冗余检验：实质上就是将原来的数据M后面加上冗余码(通过在数据后面加n个0，然后除以协定好的除数P，得到n位余数，这个余数就是冗余码)传输过去。检验时用(数据+冗余码)除以协定好的除数，若最终余数为0则无差错 注：无差错≠可靠传输。因为还可能出现帧丢失、帧重复、帧失序。因此数据链路层不实现可靠传输
点对点PPP协议
混合协议(混合数据链路层和网络层)
定义
用户计算机和ISP进行通信时所用的数据链路层协议
组成
一个将IP数据报封装到串行链路的方法
用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP
一套网络控制协议NCP
各字段的意义
首部和尾部有标志字段F(开始和结束)若出现连续两个F则为空帧
首部的A段和C段，没有意义
协议字段(占两个字节)，说明IP数据报内是什么数据
填充
ppp为异步传输时，使用字节填充
7D5E->7E,7D5D->7D
ppp为同步传输时，使用位填充(发现来连续的5个1时，填入一个0)
工作状态
链路静止->链路建立->鉴别->网络层协议->链路打开->链路终止
使用广播信道的数据链路层
局域网的数据链路层
局域网主要特点
网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限，共享传输信道
局域网的主要优点
具有广播功能
提高系统可靠性、可用性和生存性
设备的位置可灵活的调整
局域网的分类
星形网
本质就是总线网
环形网
总线网
当一台计算机发送数据时，所有计算机都接收得到
共享信道
静态划分信道
动态媒体接入控制(多点接入)
随机接入(重点)
受控介入
以太网的两个标准
DIX Ethernet V2(最终使用)
使用MAC协议
IEEE 802(淘汰)
使用LLC协议
适配器的作用
适配器即在主机上插入网络接口卡NIC(网卡)，适配器相当于网卡
进行数据串行传输和并行传输的转换
对数据进行缓存
驱动程序
计算机和外界局域网的连接
CSMA/CD协议
MA:多点接入 CS:先听后发 CD:边听边发，使用此协议必须为半双工通信
总线传输以太网采用的措施
灵活的无连接工作方式
不可靠的交付，是否重传有高层决定，采用CSMA/CD协议
使用曼彻斯特编码的信号
有比特传输时会跳跃，没有比特传输时，不会跳跃
协议的要点
载波监听
多点接入
碰撞检测
边发送边监听
争用期(碰撞窗口)
以太网端到端的往返时间的2倍
经过这段时期还没有碰撞，才肯定这次发送不会有碰撞
截断二进制指数退避(动态退避)
确定碰撞后重传的时机
推迟时间为:随机数*争用期(随机数取决于重传次数)，重传次数大于16则不可重传
帧的长度
最小64字节(512bit)
最大取决于IP数据报的长度
强化碰撞
发生碰撞时，不仅停止传输，还要发送人为干扰信号
帧最小间隔
即使重传时间为0，也要等待帧最小间隔才可重传
使用集线器的星形拓扑
10BASE-T标准
10 为10bit的数据率
BASE表示为基带信号
T代表双绞线
集线器的特点
使用集线器的以太网在逻辑上仍为总线网，还是使用CSMA/CD协议
集线器有许多接口，每个接口通过RJ-45插头
集线器工作在物理层，每个接口不进行碰撞检测
集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消
以太网的信道利用率
因为碰撞浪费信道资源，因此利用率不为100%
成功发送一个帧的时长为T0(帧长/速率)+t(单程端到端的时延)
参数a=t/T0
参数a越小，利用率越高
增大利用率
以太网的连线长度受到限制(t)
以太网的帧长不能太短
当完全不碰撞时，利用率Smax=T0/(T0+t)=1/(1+a)
以太网的MAC层
MAC层的硬件地址(物理地址、MAC地址)
组织唯一标识符/公司标识符(前3个字节，高位24位)，注册管理机构RA管理
扩展标识符(后3个字节，低位24位)，厂家自行指派
特殊位置
第一个字节最低位I/G，为0则为单个站地址，为1则为组地址(多播)
第一个字节倒数第二位G/L，为0全球管理，为1本地管理
三种帧(适配器的过滤功能)
单播帧
实现点对点通信
广播帧
发送给本局域网上所有站点的帧(全1地址)
多播帧
发送给本局域网上一部分的帧
MAC帧的格式
MAC帧的长度与IP数据报的长度相差18个字节
没有帧定界符
没有开始标识符是因为网络层分配了
没有结束标识符是因为采用了曼彻斯特编码，没有跳跃则没有数据
目的地址(6)、源地址(6)、类型(2)、IP数据报(46~1500)、FCS(4)
扩展以太网
在物理层扩展以太网(集线器)
使用多个集线器，可以连接成覆盖更大范围的多级星型结构的以太网。集线器使用CSMA/CD协议，半双工方式
好处
使多个以太网(域)形成一个以太网(域)
扩大以太网的地理范围
缺点
由原本独立的以太网(碰撞域)变为一个大碰撞域，总吞吐量不变，因而带宽减少
使用不同的以太网技术，不能用集线器相连
在数据链路层扩展以太网(交换机)
交换机即一个多接口的网桥
特点
交换机与主机或交换机相连时都为全双工方式
具有并行性，同时连多个接口，多主机能同时工作，相互独立，传输无碰撞
接口具有存储器，能将收到的帧缓存(并行性的原因)
具有自学习功能
自学习功能
交换表上没有源MAC地址(就新建)
新建时添加源MAC地址，接口(端口)，有效期
定期更新交换表
转发
交换表上有目标MAC地址，就单播过去
交换表上没有目标MAC地址，就广播，直到找到正确的地址(广播时避免兜圈子而使用生成树协议)
双方在同一局域网中(端口一样)，就丢弃(认为已收到)
集线器和交换机的区别
集线器使用CSMA/CD协议(半双工)，而交换机不是(全双工)
使用集线器以后吞吐量不变，主机的带宽降低。使用交换机主机带宽不变，总吞吐量升高
虚拟局域网(VLAN)
局域网中的虚拟局域网，相当于在大群里的一个小群
每一个VLAN的帧都有一个标识符，通过标识符来确定是否为一个虚拟局域网的
优点
改善性能
简化管理
降低成本
改善安全性(避免广播风暴)
高速以太网
100BASE-T以太网
仍使用CSMA/CD协议，又称快速以太网
吉比特以太网
可使用半双工(CSMA/CD协议)和全双工两种方式
10吉比特以太网(万兆以太网)
使用全双工方式，不存在争用问题，不采用CSMA/CD协议
使用以太网进行宽带接入技术(PPPoE协议)
以太网的帧格式中没有用户鉴定的信息。解决此问题于是先将数据封为ppp帧，再封装为MAC帧(将ppp协议封装到以太网上来传递)
