计算机数据链路层

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约定：本文是针对于《计算机网络》第七版（谢希仁）中第三章的知识点总结，不适合单独看，结合课本或者PPT中的图片复习更佳

1. 数据链路介绍

• 数据链路层信道主要由点对点信道和广播信道
• 本章介绍有线局域网中的数据链路，没有无线局域网
• 链路是一条有线或者无线的从一个结点到相邻结点的一段物理线路
• 数据链路 = 实现协议的网络适配器（硬件 + 软件） + 链路
• 帧是数据链路层的协议数据单元

三个基本问题

• 封装成帧
  • IP数据报传到数据链路层会变成帧的数据部分，数据部分前后部分会加上帧首部和帧尾部。其作用是进行帧定界
  • 每一种数据链路层都规定了数据部分上限——MTU
• 透明传输
  • 防止数据部分出现帧尾部的帧结束符，引入了转义字符，使其变得透明
• 差错检测
  • 数据链路层中的协议都有一个字段是为了帧校验，广泛使用的是CRC，循环冗余校验
  • 除了数据链路层，每一层都有差错检测，但是差错检测只保证尽力交付，不保证可靠交付
  • CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码
  • FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法

2. PPP

特点

• 主要用于计算机和ISP进行通信时所使用的身份识别
• 在满足三个基本问题的基础上，PPP协议还要满足**简单、支持多种网络协议、可以在多种链路（串行，并行，同步，异步，电缆，光缆）**等条件

组成

• PPP由三部分组成
  • 一种将IP数据报封装到串行链路的方法
  • 一个用来建立，测试，配置数据链路连接的链路控制协议LCP
  • 一套网络控制协议NCP
• 协议格式(PPP是面向字节的，长度都是整数字节)
  • 首部四个字段，尾部2个字段
  • MTU = 1500
  • F(1) + A(1) + C(1) + 协议(2) + 数据(MTU) + FCS(2) + F (1)
  • F规定为0x7E，表示帧开始或结束
  • A和C没用
  • 协议表示的是数据中用的协议，可能是IP，LCP，NCP
  • FCS即为CRC的冗余码
• 当PPP使用异步传输的时候，转义字符被定义为0x7D，并使用字节填充，转义字符被定为为0x7D，0x5D，7E被定义为0x7D, 0x5E
• 当PPP使用同步传输的时候，使用零比特填充，有5个连续的1就填充0
• 同步传输和异步传输区别

工作状态

• 首先用户拨号接入ISP，建立一条物理连接
• 用户向ISP发送一系列链路控制协议LCP分组（这些被封装成了PPP帧），建立LCP连接
• 进行身份鉴别
• 通过NCP给新接入的用户分配临时IP
• 通信完毕后，NCP释放网络层连接，收回IP
• LCP释放数据链路层连接。最后释放物理层连接

3. 以太网中的数据链路层

• 局域网可分为星形网、环形网、总线网
• 局域网具有广播功能
• 局域网中需要用到共享信道
  • 静态划分信道：频分复用等。不会产生冲突，但是这种代价较高
  • 动态媒体接入/多点接入：随机接入和受控接入。随机接入是重点
• 现阶段局域网有两种标准：IEEE802.3和以太网标准
• 适配器
  • 计算机通过适配器和外界局域网进行连接，网卡也是一种适配器
  • 适配器实现的功能既包括数据链路层也包括物理层
  • 数据链路层的协议基本是由适配器实现的
  • 适配器可以实现差错检验，并进行串/并行转换，通过驱动程序和操作系统交互，发送相应数据
  • MAC地址存在适配器的ROM中，IP地址存在计算机的存储器中
• 以太网中不保证可靠交付，使用无连接和曼彻斯特编码，曼彻斯特编码效率低
• 一个站不能同时发送接收，只能进行半双工通信，所以CSMA/CD诞生了

CSMA/CD

• 要点：多点接入、载波监听、碰撞检测
• 电磁波在1km电缆的传播时延约为5us
• 步骤：
  • 发送之前，先检测信道，即“载波监听”，如果信道在96bit时间内保持空闲，适配器就开始发送信息
  • 如果发送信息过程中，经过2t之后还没检测到碰撞，那么这次发送就肯定不会发生碰撞。这段时间称为征用期
  • 如果在征用期内检测到碰撞，则停止发送数据，并发送人为干扰信号（32B或48B）来强化碰撞，执行二进制退避算法：基本退避时间是2t，争用期时间是51.2us，重传时间推后r倍的争用期（r参考书），当重传16次还不行的话，放弃并向上层报告
• 适配器对过去发生的碰撞并无记忆功能
• 为了防止帧很短小于512bit，使得检测不到该帧的碰撞，所以最小帧应该大于64B，故只要长度小于64B都是无效帧，应该丢弃

集线器

• 集线器通过双绞线将多个站点用星形拓扑连到一起，成为一个局域网
• 集线器工作在物理层，不进行碰撞检测，它像很多接口的转发器，单纯转发比特，少量容错能力和网络管理能力，不能进行帧缓存
• 集线器中的各站点仍然使用CSMA/CD协议

以太网信道利用率算法

• a = t/T 表明以太网连线长度不能太长，帧长度不能太短
• S = 1/ (1 + a)

MAC

• MAC地址段有两种：6B和2B（本地管理），IEEE会分配前3B
• 第一字节的最低为为I/G位，决定了单播，组播和广播
• 第一字节的倒数第二位是G/L位，决定本地管理和全球管理
• MAC帧格式(以太网V2)
  • 首部3个字段，尾部1个字段
  • 目的地址(6B) + 源地址(6B) + 类型(2) + 数据(MTU) + FCS(4)
  • 目的地址之前还有一个前同步码全为010101…直到11，其中，前7个字节是前同步码，后一个字节是帧定界符
  • 因为数据帧最小为64B，MTU一般最大为1500，所以MAC帧长度为64-1500B
• IEEE802.3
  • 当类型大于0x0600时，表示类型，小于该值时表示长度，需要在数据字段装入LLC帧

4. 扩展以太网

从物理层扩展

• 使用光纤和光纤调制解调器
• 使用多个集线器或者转发器
• 虽然扩大了以太网的覆盖范围，且使得不同碰撞域的一台网上的计算机可以跨碰撞域通信
• 但是总的吞吐量并未提高，同时不能连接不同数据率的碰撞域

从数据链路层

• 这种方法比从物理层扩展更常用，集线器逐渐退出市场
• 最初通过网桥，对MAC地址进行转发和过滤。之后诞生了一种交换式集线器，也叫交换机
• 交换机是一个多接口的网桥
• 交换机具有自学习的功能，可以进行帧缓存
• 交换机即插即用，用硬件转发，比用软件转发的网桥快很多
• 以太网从总线型过渡到星形

交换机比集线器多了个缓存功能，这就使得通信不再冲突，达到全双工

交换机分为存储转发方式和直通转发方式

自学习：

• 先查找交换表
• 如果没有则在交换表中新增这个项目（源地址，进入接口，有效时间），并转发
• 如果有则更新项目并转发

为了防止兜圈子，产生了生成树协议STP

VLAN

• 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
• 插入的标识符为4字节
• 目的地址(6B) + 源地址(6B) + 标记(4B) + 类型(2) + 数据(MTU) + FCS(4)

5. 高速以太网

• 快速以太网：100M/s + , 需要适配器和集线器/交换机，可全双工
• 吉比特以太网 ：1G/s + ，可全双工
  • 为了保证半双工的64B最小帧长：增加了载波延伸和分组突发功能
• 10吉比特以太网：10G/s + ，只能全双工
• 用以太网进行宽带接入
  • （此处意味着身份鉴别），就要把PPP协议装到以太网中
  • 可以提供双向宽带通信
  • 不需要帧格式转换

问题

• PPP中哪个字段进行用户检验
• LCP 和 NCP 都属于网络层吗
• 具体的征用期时间51.2可以满足2t吗
  • 可以，端到端时延小于25.6us，即端到端小于5km
• 集线器有增强信号的功能吗
• MAC帧怎么没有帧开始和帧结束