1.数据链路的作用

1）概述

数据链路，指OSI参考模型中的数据链路层，有时也指以太网、无线局域网等通信手段。
数据链路层的协议定义了通过通信媒介互连的设备之间传输的规范。
各个设备之间在数据传输时，数据链路层和物理层都是必不可少的。
把电压的高低、光的闪灭以及电波的强弱等信号与二进制的0、1进行转换正是物理层的责任。
数据链路层处理的数据也不是单纯的0、1序列，该层把它们集合为一个叫做 “ 帧＂ 的块，然后再进行传输。
数据链路层的相关技术包括MAC寻址（物理寻址）、介质共享、非公有网络、分组交换、环路检测、 VLAN。
数据链路也可以被视为网络传输中的最小单位，又可以称互联网为 “数据链路的集合 ”。

2）数据链路的段

数据链路的段是指一个被分割的网络。根据使用者不同，其含义也不尽相同。

3）网络拓扑

网络的连接和构成的形态称为网络拓扑。
网络拓扑包括总线型、环形、星型、网状型等。
目前实际的网络都是由这些简单的拓扑结构错综复杂的组合而成的。

2.数据链路相关技术

1）MAC地址

MAC地址用于识别数据链路中互连的节点。
在总线型或环路型的网络中，先暂时获取所有目标站的帧，然后再通过MAC寻址。如果是发给自己的就接收，如果不是就丢弃。
MAC地址长48比特。

厂商识别码（OUI）：MAC地址中3~24位，每个NIC厂商都有特定唯一的识别数字。
有一种设备叫网络分析器，它可以分析出局域网中的包是由哪个厂商的网卡发出的。它通过读取数据帧当中发送MAC地址里的厂商识别码 进行识别。
厂商内部：MAC地址25~48位。
IEEE802. 3制定MAC地址规范时没有限定数据链路的类型，即不论哪种数据链路的网络（以太网、FDDI、 ATM、 无线LAN、 蓝牙等），都不会有相同的MAC 地址出现。
注：
MAC地址不一定是唯一的：
人们可以在微机板上自由设置自己的MAC地址。
启动多个虚拟机，由于没有硬件的网卡只能由虚拟软件自己设定MAC地址给多个虚拟网卡。
无论哪个协议成员通信设备，设计前提都是MAC地址的唯一性。

2）共享介质网络

共享介质网络是指由多个设备共享一个通信介质的一种网络。
在这种方式下，设备之间使用同一个载波信道进行发送和接收。
基本上采用半双工通信方式，并有必要对介质进行访问控制。
访问控制方式：
1.争用方式
2.令牌传递方式

a.争用方式

争用方式是指争夺获取数据传输的权力，也叫CSMA（载波监听多路访问）。
如果多个站同时发送帧，则会产生冲突现象。也会因此导致网络拥堵与性能下降。（数据链路中很多情况下称节点为“站”）

CSMA/CD：改良CSMA的一种方式，要求每个站提前检查冲突，一旦发生冲突，则尽早释放信道。
工作原理：

1. 如果载波信道上没有数据流动，则任何站都可以发送数据。
2. 检查是否会发生冲突。一旦发生冲突时，放弃发送数据，同时立即释放载波信道。
3. 放弃发送后，随机延时一段时间，再重新征用介质，重新发送帧。
   

b.令牌传递方式

令牌传递方式是沿着令牌环发送一种叫做“令牌”的特殊报文，是控制传输的一种方式。只有获得令牌的站才能发送数据。
特点：

1. 不会有冲突。
2. 每个站都有通过平等循环获得令牌的机会。
3. 即使网络拥堵也不会导致性能下降。
4. 网络不太拥堵的情况下，数据链路的利用率达不到100%。
   

3）非共享介质网络

非共享介质网络是指不共享介质，是对介质采取专用的一种传输控制方式。
网络中的每个站直连交换机，由交换机负责转发数据帧。
发送端与接收端并不共享通信介质，因此很多情况下采用全双工通信方式。
通过以太网交换机，构建网络，从而使计算机与交换机端口之间形成一对一的连接，即可实现全双工通信。在这种一对一连接全双工通信的方式下不会发生冲突。
该方式还可以根据交换机的高级特性构建虚拟局域网、进行流量控制等。
弱点：一旦交换机发生故障，与之相连的所有计算机之间都将无法通信。

注：
半双工：只发送或只接收的通信方式。

全双工：允许在同一时间既可以发送数据也可以接收数据。

4）根据MAC地址转发

a.交换集线器

将集线器或集中器等设备以星型连接，就出现了一款新的网络设备，是一种将非介质共享型网络中所使用的交换机用在以太网中的技术。交 换集线器也叫做以太网交换机。

b.转发表

以太网交换机，根据数据链路层中每个帧的目标MAC地址，决定从哪个网络接口发送数据，所参考的、用以记录发送接口的表就叫做转发表。
转发表的内容不需要使用者在每个终端或交换机上手工设置，而是可以自动生成。

c.交换机的自学原理

数据链路层的每个通过点在接到包时，会从中将源MAC地址以及曾经接收该地址发送的数据包的接口作为对应关系记录到转发表中。
以某个MAC地址作为源地址的包由某一接口接收，实质上可以理解为该MAC地址就是该接口的目标。
以该MAC地址作为目标地址的包， 经由该接口送出即可。这一过程也叫自学过程。

d.交换机转发方式

1. 存储转发：检查以太网数据帧末尾的FCS位后再进行转发。可以避免发送由于冲突而被破坏的帧或噪声导致的错误帧。
2. 直通转发：不需要将整个帧全部接收下来以后再进行转发，只需要得知目标地址即可开始转发。具有延迟较短的优势，但同时也不可避免的有发送错误帧的可能性。

5）环路检测技术

环路影响：在最坏的情况下，数据帧会在环路中被一而再再而三的持续转发。一旦这种数据帧越积越多将会导致网络瘫痪。
只要搭建合适的环路，就能分散网络流量，在发生某一处路由故障时选择绕行，可以提高容灾能力。

a.生成树方式

该方法由IEEE802.1D定义。每个网桥必须在每1~10秒内相互交换BPDU包，从而判断哪些端口使用，哪些端口不适用，以便消除环路。一旦发生故障，则自动切换通信线路，利用那些没有被使用的端口继续进行传输。
生成树法与计算机和路由器的功能没有关系，只要有生成树的功能就足以消除环路。

生成树法有一个弊端，就是在发生故障切换网络时需要几十秒的时间。IEEE802.1W定义了一个叫RSTP的方法。该方法能将发生问题时的恢复时间缩短到几秒以内。

b.源路由法

源路由法最早由IBM提出，以解决令牌环网络的问题。
该方式可以判断发送数据的源地址是通过哪个网桥实现传输的，并将帧写入RIF。
网桥根据这个RIF信息将发送帧给目标地址。
即使网桥中出现了环路，数据帧也不会被反复转发，可成功的发送到目标地址。
这种机制中发送端本身必须具有源路由的功能。

6）VLAN

进行网络管理的时候，时常会遇到分散网络负载、变换部署网络设备的位置等情况。而有时管理员在做这些操作时，不得不修改网络的拓扑结构，这也就意味着必须进行硬件线路的改造。
采用带有VLAN技术的网桥，就不用实际修改网络布线，只需修改网络的结构即可。
VLAN技术附加到网桥/2层交换机上，就可以切断所有VLAN之间的所有通信。
相比一般的网桥/2层交换机，VLAN可以过滤多余的包，提高网络的承载效率。
如下图，该交换机按照其端口区分了多个网段，从而区分了广播数据传播的范围、减少了网络负载并提高了网络的安全性。
然而异构的两个网段之间，就需要利用具有路由功能的交换机（如3层交换机）， 或在各段中间通过路由器的连接才能实现通信。

VLAN进行了扩展，定义了 IEEE802. lQ的标准（也叫TAG VLAN)，该标准允许包含跨越异构交换机的网段。
TAG VLAN中对每个网段都用一个VLAN ID的标签进行唯一标识。在交换机中传输帧时，在以太网首部加人这个VID标签 ，根据这个值决定将数据帧发送给哪个网段。

随着VLAN技术的应用，不必再重新修改布线，只要修改网段即可。
有时物理网络结构与逻辑网络结构也可能会出现不一致的情况，导致不易管理。
应该加强对网段构成及网络运行等的管理。