【计算机网络学习笔记】第三章 数据链路层

数据链路层

数据链路层研究的是在同一个局域网中，分组怎样从一个主机传送到另一个主机（不经过路由器）

数据链路不等于链路：链路是指从一个结点到相邻结点的一段物理线路（有线或无线），而中间没有任何其他的交换结点。而数据链路则是链路加上必要的通信协议。

1. 点对点信道和广播信道

• 点对点信道

  这种信道采用一对一的点对点通信方式

  • 帧

    数据链路层的协议数据单元

    数据链路层将网络层下发的数据构成帧发送到链路上，以及把接收到的帧中的数据取出来上交给网络层。

  通信时的主要步骤：

  1. 结点A的数据链路层将网络层下发的IP数据报添加首部和尾部封装成帧
  2. 结点A的数据链路层把封装好的帧发送给结点B的数据链路层
  3. 结点B的数据链路层对收到的帧进行校验，若无差错就提取出IP数据报上交给网络层，否则将丢弃这个帧

  • PPP协议（point-to-point protocol）

    PPP协议就是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议

    1 . PPP协议的组成

    ​ 一个将IP数据报封装到串行链路的方法。

    ​ 一个用来建立、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，其中的每一个协议支持不同的网络层协议。

    2 . PPP协议的帧格式

    

    ​ PPP帧的首部和尾部分别为4个字段和2个字段，信息字段的长度是可变的，但不能超过1500字节。

    ​ PPP首部的第一个字段和尾部的第二个字段（最后一个）都是标志字段F（Flag），规定都是0x7E，符号0x用来表示它后面的字符都是十六进制表示的，7E则是(01111110)，标志着一个字段的开始或结束。（其实就是上文提到的定界符）

    ​ 首部的第二个字段A规定为0xFF，首部的第三个字段C规定为0x03（00000011）.这两个字段的值的意义至今没有被给出。

    ​ 首部的第四个字段则是协议字段，占据两个字节。

    ​ 如果是0x0021，表示信息字段是IP数据报。

    ​ 如果是0xC021，说明是PPP链路控制协议LCP的数据。

    ​ 如果是0x9021，说明是网络层的控制信息。

    ​

    ​ 尾部的第一个字段（2个字节）是使用CRC的帧校验序列FCS

    3. PPP协议的字节填充

       当信息字段中出现和标志字段一样的(0x7E)时，会使用字节填充，当PPP使用异步传输（逐个字符地传送）时，它把转义方法定义为(0x7D)

    4. PPP协议的零比特填充

       当PPP协议用在SONET/SDH链路时，使用同步运输（一连串地连续发送）

• 广播信道

  这种信道使用一对多的广播通信方式。过程比较复杂，连接的主机很多，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。

  局域网：网络为一个单位所拥有且地理范围和站点数目均有限。

  以太网几乎成为了局域网的同义词

  • CSMA/CD协议
    • 准备发送：适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部，组成以太网帧，放入适配器的缓存中。但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，就发送这个帧
    • 在发送过程中不断检测信道，即网络适配器边发送边监听。
      • 这里会出现两种情况：1. 发送成功，未检测到冲突，则什么都不做，返回1
      • 2. 发送失败，在争用期检测到碰撞，这时候立刻停止发送数据并按规定发送干扰信号。

2. 三个基本问题

封装成帧

在网络层下发的数据的前后添加首部和尾部，这样就构成了一个帧

首部（SOH，十六进制编码为01）和尾部(EOT,十六进制编码为04)有一个重要的作用就是进行帧定界（确定帧的界限），SOH和EOT在传输出现错误时可以有效进行矫正，每一种数据链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限——最大传送单位（MTU）

透明传输

透明：某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。

由于前文提到的SOH和EOT本质上也是一种数据，为了避免来自网络层的数据中出现与SOH与EOT相同的部分从而导致出错。

我们在数据段出现SOH和EOT的时候，在SOH与EOT的前面加入一个转义字符，而如果存在一个转义字符，那就再加一个。这样就保证了数据再数据链路层中传输的时候是“透明”的。

差错检测

比特在传输过程中可能会出现差错，比如1变成0或者0变成1，这叫做比特差错。

误码率表示传输错误的比特占所有比特总数的比率为误码率BER

目前在数据链路层广泛使用了循环冗余校验CRC的检错技术

3. 以太网MAC层的物理地址

MAC层地硬件地址：又称为物理地址或者MAC地址（这种地址用在MAC中）

MAC地址：局域网中地每一台计算机固化在适配器的ROM中的地址

4. 适配器、转发器、集线器、网桥、以太网交换机的作用及其使用场合

• 适配器：

  计算机与外界局域网通过适配器进行连接，又称为网络接口卡（网卡）

  作用：进行数据串行运输和并行运输的转换，实现以太网的协议，接受和发送各种帧

• 转发器

  特点与集线器类似，但是只有两个接口。

• 集线器

  当以太网采用星型拓扑结构，在星型的中心增加了一个可靠性非常高的设备，这个设备就是集线器。

  特点：

  1. 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，实用的还是CSMA/CD。各站中的适配器执行CSMA/CD协议，各站必须竞争对传输媒体的控制，并且在同一时刻之多只允许一个站发送数据；
  2. 一个集线器有许多接口，从工作原理上来说，集线器很像一个多接口的转发器；
  3. 集线器工作在物理层，每个接口仅仅进行简单的比特转发，不进行碰撞检测。
  4. 集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回拨抵消。

• 网桥

  1. 网桥的每个端口与一个网段相连，网桥从端口接收网段上传送的各种帧。

  2. 每当收到一个帧时，就先暂存在其缓冲中。若此帧未出现差错，且欲发往的目的站MAC地址属于另一网段，则通过查找站表，将收到的帧送往对应的端口转发出去。

  3. 若该帧出现差错，则丢弃此帧。网桥过滤了通信量，扩大了物理范围，提高了可靠性，可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的局域网。但同时也增加了时延，对用户太多和通信量太大的局域网不适合。

     网桥与转发器不同：

     （1）网桥工作在数据链路层，而转发器工作在物理层；

     （2）网桥不像转发器转发所有的帧，而是只转发未出现差错，且目的站属于另一网络的帧或广播帧；

     （3）转发器转发一帧时不用检测传输媒体，而网桥在转发一帧前必须执行CSMA/CD算法；

     （4）网桥和转发器都有扩展局域网的作用，但网桥还能提高局域网的效率并连接不同MAC子层和不同速率局域网的作用。

• 以太网交换机

  实质上是一个多接口的网桥。