三、数据链路层

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数据链路层的基本概念及基本问题

• 在数据链路层中只需要关注数据链路层到数据链路层的传输

基本概念

数据链路层的信道类型（广域网，ADSL等）

• 点到点信道。一对一通信
• 广播信道。一对多通信，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专业的共享信道协议来协调这些主机的数据发送

链路与数字链路

链路（link）：是一条点对点的物理线路段，中间没有任何其他的交换节点

• 一条链路只是一条通路的一个组成部分

数据链路（data link）：除了物理线路外，还必须由通信协议来控制这些数据的传输。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

• 最常用的方法是使用适配器（网卡）来实现这些协议的硬件和软件
• 一般的适配器都包括了数据链层和物理层这两层的功能

帧

• 数据链路层把网络层的信息加上帧头、检验码、物理层地址、帧尾等

三个基本问题

封装成帧

• 首部尾部的重要作用就是进行帧定界

透明传输

• 解决数据内容中出现了不是仅有”可打印字符”组成的数据传输的问题
• 在数据内容中出现”SOH”或”EOT”前插入一个转义字符”ESC”（十六进制编码是1B）
• 如果转移字符出现在数据中，那么在转移字符前再加一个转义字符
• 接收端的数据链路层将数据送往网络层之前删除插入的转义字符

差错检测

• 数据链路层不纠错，可靠传输由传输层完成

循环冗余检验

• 模二运算
• 除数P位数足够长误差更小
• FCS：帧检验序列（添加到数据后面的冗余码）
• 图中经过计算后在网上传输的数据就变成了：
• 接收端接收到后把带有帧检验序列的数据进行CRC运算，余数是0则接收，余数非0则丢弃

两种情况下的数据链路层

使用点到点信道的数据链路层

PPP协议

• 用户使用拨号电话线接入因特网时们一般是用PPP协议
  

具备功能

• 简单–这是首要要求
• 封装成帧
• 透明性
• 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

不具备

• 纠错
• 流量控制
• 序号
• 多点线路
• 半双工和单工链路

PPP协议组成

• LCP：建立并维护数据链路连接（身份验证，记录）

• F：标记字段
• A：地址字段，地址字段实际上不起作用
• C：控制字段，通常置为0x03

字节填充

• 将信息字段中出现的每个0x7E字节转变成为两个字节序列（0x7D,0x5E）
• 将信息字段中出现的每个0x7D字节转变成为两个字节序列（0x7D,0x5D）
• 将信息字段中出现ASCII码的控制字符，则在字符前加一个0x7D

零比特填充方法

PPP协议用在SONET/SDH链路时，是使用同步传输（一连串的比特持续传输）。这时PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输

在发送端，只要发现有5个连续1，则立即填入一个0。接收端对帧中的比特流进行扫面。每当发现5个连续的1时就把5个连续的1后的一个0删除

不使用序号和确认机制

• 在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的PPP协议较为合理
• 在因特网的环境下，PPP的信息字段放入的数据是IP数据报。数据链路层的可靠传输并不能确保网络层的传输也是可靠的
• 帧检验序列FCS字段可以保证无差错接收

PPP协议的工作状态

当用户接入ISP时，路由器的调制解调器对拨号进行确认，并建立一条物理连接
PC机向路由器发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧）
这些分组机器相应选择一些PPP参数，和进行网络层配置，NCP给新接入PC机分配一个临时IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。
通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。接着，LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层连接

使用广播信道的数据链路层（局域网、总线型、集线器）

局域网拓扑结构

共享通信媒体

静态划分信道（很麻烦，一般不使用）

• 频分复用
• 时分复用
• 波分复用
• 码分复用

动态媒体接入技术（多点接入）

• 随机接入（主要被以太网使用）
• 受控接入，如多点线路探询（polling），或轮询。（目前已不被采用）

认识以太网

• 最初的以太网是将许多计算机连接到一根总线上。当初认为这样的连接方式既简单又可靠，因为总线上没有有源器件

• 总线上的每一台计算机都能检测到B发送的数据信号只有目的地址的计算机才会接受B的数据信号
• 其他计算机会丢弃这个数据帧
• 具有广播特性的总线（或集线器）上实现了一对一的通信

载波监听多点接入/碰撞检测 以太网使用CSMA/CD协议

• 多点接入：许多台计算机都能接入到一根总线上
• 载波监听：每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不发，避免发生碰撞
• 碰撞检测：计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小
  • 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）
  • 当一个站检测到信号电压摆动值超过一定的电压时，就认为总线上至少有两个站在发送数据，表明发生了碰撞
  • “碰撞检测”也称“冲突检测”
• 检测到碰撞后
  • 发生碰撞后，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来
  • 没一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就立即停止发送，免得浪费网络资源，等待一段随机时间后再次发送

传播时延对载波监听的影响

• 单程端到端传播时延为X，则接收到冲突信号的极限时间时2*X
• 在2*X的时间后无碰撞信号才能确定未发生碰撞

CSMA/CD协议的重要特性

• 只能进行半双工通信
• 这种发送的不确定性使整个以太网的品骏通信量远小于以太网的最高速率

争用期（2*X）

• 通常取51.2us为争用期长度
• 对于10Mb/s的以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节
• 以太网发送数据时，若前64字节未发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突

最短有效帧长（与网速和网线长度（以太网规定网线有长度限制）有关）

• 如果发生冲突则一定是在发送的前64字节之内
• 由于一检测到冲突就会立即终止发送，这是发送的数据一定小于64字节
• 以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡是长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧

二进制指数类型退避算法（发送碰撞的站在停止发送数据后，要退避一个随机时间才能再发送数据）

• 确定基本退避时间，一般是取为2*k
• 定义参数k
  • k=Min[重传次数,10]
• 从整数集合[0,1,…,(2的k次方-1)]中随机的取出一个树，记作r。重传所需时延就是r*(2*k)
• 当重传达16此任不能成功时丢弃该帧，并向高层报告

以太局域网（以太网）

• 一般只要满足CSMA/CD的都认为是以太网

概述

以太网的两个标准

1. DIX Ethernet V2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约
2. IEEE的802.3标准

• 两者只有很小的差别，因此可以将802.3局域网简称为“以太网”
• 严格来说，“以太网”应当是指符合DIX Ethernet V2标准的局域网

以太网与数据链路层的两个子层

1. 逻辑链路控制LLC子层
2. 媒体接入控制MAC子层

• 很多厂商生产的适配器上就仅装有MAC协议而没有LLC协议

以太网提供的服务

• 以太网提供的服务是不可靠交付，即最大努力的交付
• 差错纠正由高层来决定，以太网并不知道当前的数据是否为重传的帧

拓扑

星型拓扑

• 以集线器为中心进行信号转发和放大（单条网线最长100m，可用集线器连接集线器来扩展）

集线器的一些特点

• 集线器很像一个多借口的转发器，工作在物理层
• 10BASE-T标准：通信距离短，每个站到集线器的距离不超过100m
  • 10：10M的带宽
  • BASE：基带信号（数字信号）
  • T：双绞线

以太网的信道利用率（发送数据的时间占整个时间的比值）

• 帧长为L（bit），数据发送速率C（b/s），因而帧的发送时间为L/C=T0(s)
• 参数a：a = X / T0（X为单程端到端传播时延，也就是争用期的一半）
  • a->0表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并且立即停止发送，因而信道利用率越高
  • a越大表示争用期所占时间比例增大，没发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低

最大值

对以太网的要求

• 当数据一定时，以太网的连线的长度收到受到限制，否则X的数值对太大
• 以太网的帧长不能太短，否则T0的值会太小，使a的值太大

信道利用率的最大值

• 在理想话的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲下来就有某一个站立即发送数据
• 发送一帧占用的时间是T0+X，而帧本身发送的时间时T0。于是我们可计算出理想情况极限信道利用率Smax：
  • Smax = T0 / (T0 + X) = 1 / (1 + a)

MAC层（媒体控制层）

MAC层的硬件地址（MAC地址）

• 在局域网中硬件地址又叫物理地址或者是MAC地址
• 802标准所说的“地址”严格来说应当是每一个站的“名字”或标识符
• IEEE的RA机构向厂家分配前3个字节（即高24位）
• 地址字段的低24位由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证不重复

适配器检查MAC地址

发往本站的帧

• 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他处理
• 否则就将此帧丢弃，不再进行其他处理

“发往本站的帧”包括一下三种帧

• 单播帧（一对一）
• 广播帧（一对全体）：MAC地址为全F
• 多播帧（一对多）

MAC帧格式

• 最常用的帧是以太网V2的格式

• 当数据字段的长度小于46字节，应在数据字段后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的MAC帧长度不小于64字节
• 在帧前面插入的8个字节中的第一个字段共7个字节，是前同步码，用来迅速实现MAC比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的是MAC帧

无效MAC帧

• 帧的长度不是整个字节
• FCS有差错
• 数据长度不在46~1500字节之间
• 无效则丢弃，以太网不重传

帧最小间隔

• 帧间最小间隔为9.6us，相当于96bit的发送时间
  一个站检测到总线开始空闲后，还要等9.6us才能再次发送数据
  这样做是为了是刚刚接收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备

抓包工具分析数据帧格式

• Weireshark

扩展以太网

• 距离扩展（使用光纤可扩展到几公里）

• 数量扩展：集线器级联（碰撞域增大，效率低）

优化以太网

网桥：隔离冲突

• 网桥具有过滤帧功能
• 网桥可以在数据传输中学习到MAC地址是来源于那个端口，并记录下来
• 当网桥收到一个帧并不是向所有接口转发，而是先检查再确定把帧转发到那个接口

网桥 —进化—> 交换机！

• 随着网桥的接口越来越多，渐渐的不需要再通过HUB来进行转发，发展成了交换机
• 交换机是存储转发（数据在接口处排队）
• 交换机并不像所有设备转发，不占用线路，所以可以实现全双工
• 端口宽带独享（不占用线路）
• 安全
• 基于MAC地址转发
• 通过学习来构建MAC表

高速以太网

• 速率达到100Mb/s的以太网称为高速以太网
• 在双绞线上传送100Mb/s基带信息的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。、
• 100BASE-T又称为高速以太网

100Base-T以太网的物理层

• 100BASE-TX：使用两对UTP 5类线或屏蔽双绞线STP
• 100BASE-FX：使用两对光纤
• 100BASE-T4：使用4对UTP3类线或5类线

100Base-T特点

• 可在全双工方式下工作而不发生冲突。因此，不使用CSMA/CD
• MAC帧仍然是802.3标准规定的
• 最短帧不变，但将一个网段的最大电缆减小到100米
• 帧间间隔从原来的9.6us改成现在的0.96us

吉比特以太网

• 允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作
• 基本兼容10BASE-T和100BASE-T技术（802.3、CSMA/CD）

1000BASH-X 基于光纤通道的物理层

• 1000BASH-SX：SX表示短波长 275m-550m
• 1000BASH-LX：LX表示长波长 550m-5000m
• 1000BASH-CX：CX表示铜线 传输距离25m

1000BASH-T

• 使用4对5类线UTP

吉比特以太网配置例子

10吉比特以太网

• 不再使用铜线而只使用光纤作为传播媒体
• 只工作在全双工，因此没有争用问题
• 其他基本和10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s兼容

使用高速以太网进行宽带接入

Cisco建网3层模型

• 接入层
• 汇聚层
• 核心层

企业局域网设计