注：前言、目录见 https://blog.csdn.net/qq_44220418/article/details/108428971

文章目录

一、数据链路层
二、使用点对点信道的数据链路层
- 1、链路
- 2、三个基本问题
- - (1).封装成帧
  - (2).透明传输
  - (3).查错检测
- 3、互联网的数据链路层
三、PPP协议
- 1、介绍
- 2、功能
- 3、组成
- 4、透明传输问题
- 5、工作状态
四、使用广播信道的数据链路层
- 1、局域网的数据链路层
- - (1).局域网的数据链路层
  - (2).媒体共享技术
  - (3).以太网
  - (4).适配器
- 2、CSMA/CD协议
- - (1).以太网的广播发送方式
  - (2).以太网采取的两种重要措施
  - (3).以太网提供的服务
  - (4).载波监听多点接入/碰撞检测（CSMA/CD）
  - (5).重要特性
  - (6).争用期
  - (7).截断二进制指数退避算法
  - (8).强化碰撞
- 3、使用集线器的星形拓扑
- - (1).10BASE-T
  - (2).集线器的特点
- 4、以太网的信道利用率
- 5、以太网的MAC层
- - (1).MAC层的硬件地址
  - (2).MAC帧的格式
五、扩展的以太网
- 1、在物理层扩展以太网
- 2、在数据链路层扩展局域网
- 3、虚拟局域网

一、数据链路层

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型

点对点信道: 使用一对一的点对点通信方式
广播信道: 使用一对多的广播通信方式

二、使用点对点信道的数据链路层

1、链路

链路是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换节点

Tips：放大器、中继器不是中转接点，两个节点中间如果包含放大器、中继器，仍然还是一段链路

数据链路除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输
若把实现这些协议的硬件或软件加到链路上，就构成了数据链路

Tips：有时将 “数据链路” 简称 “链路” ，因此需要结合题目的上下文判断

数据链路层传送的是帧

2、三个基本问题

数据链路层协议三个基本问题{封装成帧透明传输差错检测\begin{cases} 封装成帧 \\ 透明传输 \\ 差错检测 \end{cases}⎩⎪⎨⎪⎧封装成帧透明传输差错检测

(1).封装成帧

在一段数据的前后分别加上首部和尾部，构成一个帧

首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界

我们把数据部分长度上限称为最大传送单元MTU，一般MTU\text{MTU}MTU为1500B1500B1500B

如果数据部分出现了定界符，容易丢失数据

(2).透明传输

使用字节传输（字符传输）的方法解决透明传输的问题

(3).查错检测

在传输过程中可能会产生比特差错

在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率

误码率与信噪比有很大的关系

在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余码的检错技术

在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS，他可以是循环冗余码CRC、海明码、奇偶校检码……

数据链路层的差错检测技术只做到“无差错检测”，即所有接收的帧都能以接近1的概率认为这些真在传输过程中没有产生差错

要做到“可靠传输”，就必须在检错的基础上，再加上帧编号、定时器、确认和重传机制

Tips：在计算机网络中，我们只检错不纠错，如果发现错误数据直接丢弃，发送方收不到确认，重新传输数据

3、互联网的数据链路层

{有线链路数据链路层协议不实用确认和重传的机制，不向上层提供可靠传输的服务无线链路数据链路层协议实用确认和重传的机制，向上层提供可靠传输的服务\begin{cases} 有线链路 & 数据链路层协议不实用确认和重传的机制，不向上层提供可靠传输的服务 \\ 无线链路 & 数据链路层协议实用确认和重传的机制，向上层提供可靠传输的服务 \end{cases}{有线链路无线链路数据链路层协议不实用确认和重传的机制，不向上层提供可靠传输的服务数据链路层协议实用确认和重传的机制，向上层提供可靠传输的服务

（本章所介绍的数据链路层协议均为不可靠传输协议）

三、PPP协议

1、介绍

全世界使用的最多的数据链路层协议是点对点协议PPP

eg:用户到ISP的链路使用的就是PPP协议{\color{FF00FF}eg:用户到\text{ISP}的链路使用的就是\text{PPP}协议}eg:用户到ISP的链路使用的就是PPP协议

2、功能

PPP协议需要满足的功能：

简单（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

PPP协议不需要的功能：

纠错

流量控制

序号

多点线路

半双工或单工链路

PPP协议不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：

在数据链路层出现错误的概率不大
PPP协议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保证网络层的传输也是可靠的
帧校验序列FCS字段可保证无差错接收

3、组成

PPP协议有三个组成部分{一个将IP数据报封装到串行链路的方法链路控制协议LCP网络控制协议NCP\begin{cases} 一个将\text{IP}数据报封装到串行链路的方法 \\ 链路控制协议\text{LCP} \\ 网络控制协议\text{NCP} \end{cases}⎩⎪⎨⎪⎧一个将IP数据报封装到串行链路的方法链路控制协议LCP网络控制协议NCP

PPP协议的帧格式如下：

其中，{FPPP帧的定界符A地址字段C控制字段\begin{cases} \text{F} & \text{PPP}帧的定界符 \\ \text{A} & 地址字段 \\ \text{C} & 控制字段 \end{cases}⎩⎪⎨⎪⎧FACPPP帧的定界符地址字段控制字段

PPP有一个2个字节的协议字段{若为0x0021PPP帧的信息字段是IP数据报若为0xC021PPP帧的信息字段是PPP链路控制数据若为0x8021PPP帧的信息字段是网络控制数据\begin{cases} 若为0\text{x}0021 & \text{PPP}帧的信息字段是\text{IP}数据报 \\ 若为0\text{xC}021 & \text{PPP}帧的信息字段是\text{PPP}链路控制数据 \\ 若为0\text{x}8021 & \text{PPP}帧的信息字段是网络控制数据 \end{cases}⎩⎪⎨⎪⎧若为0x0021若为0xC021若为0x8021PPP帧的信息字段是IP数据报PPP帧的信息字段是PPP链路控制数据PPP帧的信息字段是网络控制数据

PPP协议的FCS是用循环冗余码CRC生成的

Tips：PPP是面向字节的，所有PPP帧的长度都是整数字节

4、透明传输问题

当PPP用在异步传输（逐个字符地传输）时，就使用一种特殊的字节填充法
当PPP用在同步传输（一连串的比特连续地传输）时，就使用零比特填充

字节填充

{信息字段出现0x7E将其转换为2字节序列（0x7D，0x5E）信息字段出现0x7D将其转换为2字节序列（0x7D，0x5D）信息字段出现ASCII码的控制字符在该字符前加1字节的0x7D，同时将该字符的编码加以改变\begin{cases} 信息字段出现\text{0x7E} & 将其转换为2字节序列（\text{0x7D}，\text{0x5E}） \\ 信息字段出现\text{0x7D} & 将其转换为2字节序列（\text{0x7D}，\text{0x5D}） \\ 信息字段出现\text{ASCII}码的控制字符 & 在该字符前加1字节的\text{0x7D}，同时将该字符的编码加以改变 \end{cases}⎩⎪⎨⎪⎧信息字段出现0x7E信息字段出现0x7D信息字段出现ASCII码的控制字符将其转换为2字节序列（0x7D，0x5E）将其转换为2字节序列（0x7D，0x5D）在该字符前加1字节的0x7D，同时将该字符的编码加以改变

零比特填充

{发送端只要发现有5个连续的1，则立即填入一个0接收端每发现5个连续的1，就把其后的一个0删除\begin{cases} 发送端 & 只要发现有5个连续的1，则立即填入一个0 \\ 接收端 & 每发现5个连续的1，就把其后的一个0删除 \end{cases}{发送端接收端只要发现有5个连续的1，则立即填入一个0每发现5个连续的1，就把其后的一个0删除

5、工作状态

PPP协议的工作状态如下图所示：

四、使用广播信道的数据链路层

1、局域网的数据链路层

(1).局域网的数据链路层

最主要的特点

网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限

主要优点

①、具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网
局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源

②、便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变

③、提高了系统的可靠性、可用性和生存性

拓扑结构

局域网有多种拓扑结构，如下图所示

两个子层

逻辑链路控制LLC (Logical Link Control)子层

媒体接入控制MAC (Medium Access Control)子层

与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关

LLC子层对局域网是透明的：

(2).媒体共享技术

静态划分信道

频分复用

时分复用

波分复用

码分复用

动态媒体接入控制（多点接入）

随机接入

受控接入，如多点线路探询或轮询

(3).以太网

两个标准

DIX Ethernet V2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约

IEEE的802.3标准

(4).适配器

网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”

适配器的重要功能：

进行串行/并行转换
对数据进行缓存
在计算机的操作系统安装设备驱动程序
实现了以太网协议

适配器包含了数据链路层和物理层两层的功能

计算机可以通过适配器和局域网进行通信：

2、CSMA/CD协议

CSMA/CD协议解决了总线结构的以太网媒体随机接入的碰撞冲突问题

(1).以太网的广播发送方式

总线上的每一个工作的计算机都能检测到其他某个计算机发送的数据信号，但是只有地址与数据帧首部一致的计算机能够接受这个数据帧，其他计算机不能接受只能丢弃。

具有广播特性的总线网实现了一对一的通信

(2).以太网采取的两种重要措施

采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据

以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认

这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的

(3).以太网提供的服务

以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付

当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做，差错的纠正由高层来决定

如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送

Tips：以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码

(4).载波监听多点接入/碰撞检测（CSMA/CD）

“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上

“载波监听”是指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，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞

“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小

在发生碰撞时，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

每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，然后等待一段随机时间后再次发送

(5).重要特性

使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信，只能进行双向交替通信（半双工通信）

每个站在发送数据之后的一小段时间（争用期，最多为两倍的传播时延）内，存在着遭遇碰撞的可能性

这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率

(6).争用期

最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2τ\textbf{2} \boldsymbol{\tau}2τ（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞

以太网的端到端往返时延 2τ\textbf{2} \boldsymbol{\tau}2τ 称为争用期，或碰撞窗口

经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞

争用期的长度

以太网一般取51.2μs51.2\mu s51.2μs为争用期的长度（但是题目中还是需要根据产股来计算）

对于 10Mb/s10 Mb/s10Mb/s 以太网，在争用期内可发送 512512512 bitbitbit，即 646464 字节

以太网在发送数据时，若前 646464 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突

最短有效帧长

最短有效帧长即争用期内部发送的比特数

如果发生冲突，就一定是在发送的前 646464 字节之内

由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 646464 字节

以太网规定了最短有效帧长为 646464 字节，凡长度小于 646464 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧

所有发送帧的长度必须大于等于最短有效帧长，如果不够，由发送方填充

(7).截断二进制指数退避算法

发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据：

① 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2τ\textbf{2} \boldsymbol{\tau}2τ

② 定义参数kkk ，k≤10k \leq 10k≤10，即k=min⁡{重传次数,10}k = \min \{重传次数, 10 \}k=min{重传次数,10}

③ 从整数集合{0,1,…,(2k−1)}\{0,1,…, (2^k -1)\}{0,1,…,(2k−1)}中随机地取出一个数，记为 rrr，重传所需的时延就是 rrr 倍的基本退避时间

④ 当重传达 161616 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告

(8).强化碰撞

当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：

立即停止发送数据

再继续发送若干比特的人为干扰信号，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞

3、使用集线器的星形拓扑

以太网使用的传输媒体的变化

Created with Raphaël 2.2.0粗同轴电缆细同轴电缆双绞线+集线器

这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器

(1).10BASE-T

T表示使用无屏蔽双绞线，每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收

集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了

10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100100100 mmm

这种 101010 Mb/sMb/sMb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性

10BASE-T{星形结构物理上总线结构逻辑上\begin{cases} 星形结构 & 物理上 \\ 总线结构 & 逻辑上 \end{cases}{星形结构总线结构物理上逻辑上

(2).集线器的特点

使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线

集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层

4、以太网的信道利用率

信道利用率为T02τ+2τ+⋯+T0+τ\frac{T_0}{2\tau+2\tau+\cdots+T_0+\tau}2τ+2τ+⋯+T0+τT0

要提高以太网的信道利用率，就必须减小 τ\tauτ 与 T0T_0T0 之比

在以太网中定义了参数 aaa，它是以太网单程端到端时延 τ\tauτ 与帧的发送时间 T0T_0T0 之比a=τT0{\color{blue}a = \frac{\tau}{T_0}}a=T0τ

其中

a→0a \to 0a→0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高

aaa 越大，表明争用期所占的比例增大，每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

对以太网参数的要求

当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 τ\tauτ 的数值会太大

以太网的帧长不能太短，否则 T0T_0T0 的值会太小，使 aaa 值太大

信道利用率的最大值

发送一帧占用线路的时间是 T0+τT_0 + \tauT0+τ，而帧本身的发送时间是 T0T_0T0
于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率 Smax⁡S_{\max}Smax为：
Smax⁡=T0T0+τ=11+aS_{\max} = \frac{T_0}{T_0 + \tau} = \frac{1}{1 + a}Smax=T0+τT0=1+a1

5、以太网的MAC层

(1).MAC层的硬件地址

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址，它固化在网卡上，共有48位

802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符

IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)

地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址

适配器检查MAC地址

适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址

如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理

否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理

“发往本站的帧”包括以下三种帧

单播帧【一对一】

广播帧【一对全体】（484848 bitbitbit 全 111）

多播帧【一对多】

(2).MAC帧的格式

常用的以太网MAC帧格式有两种标准：

DIX Ethernet V2 标准

IEEE 的 802.3 标准

最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式

MAC帧格式示意图

目的地址字段共 6B6B6B（484848 bitbitbit）

源地址字段共 6B6B6B（484848 bitbitbit）

类型字段共 2B2B2B，用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议

数据字段（MAC 客户数据字段），共46∼150046 \sim 150046∼1500 BBB
最小长度为，最短有效帧长64B64B64B - 封装成帧加入的18B18B18B的首部和尾部

无效的MAC帧

帧的长度不是整数个字节

用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错

数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间

有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间

对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃，以太网不负责重传丢弃的帧

五、扩展的以太网

1、在物理层扩展以太网

可以用集线器扩展局域网：

主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器
用多个集线器可连成更大的局域网，用集线器组成更大的局域网在一个更大的碰撞域中

优点

使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信

扩大了局域网覆盖的地理范围

缺点

碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高

如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来

集线器不能把帧进行缓存

2、在数据链路层扩展局域网

最初，在数据链路层扩展局域网是使用网桥，它工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤

交换式集线器也常称为以太网交换机或第二层交换机，其工作在数据链路层，实质上就是一个多接口的网桥

集线器和交换机的区别：

{集线器（物理层）共享式集线器使用CSMA/CD协议，有冲突、无缓存交换机（链路层）【以太网交换机、二层交换机】交换式集线器使用CSMA/CD协议，无冲突、有缓存\begin{cases} {\color{blue}集线器（物理层）} & {\color{blue}共享式集线器} & {\color{ba55d3}使用\text{CSMA/CD}协议，有冲突、无缓存} \\ {\color{blue}交换机（链路层）【以太网交换机、二层交换机】} & {\color{blue}交换式集线器} & {\color{ba55d3}使用\text{CSMA/CD}协议，无冲突、有缓存} \\ \end{cases}{集线器（物理层）交换机（链路层）【以太网交换机、二层交换机】共享式集线器交换式集线器使用CSMA/CD协议，有冲突、无缓存使用CSMA/CD协议，无冲突、有缓存

以太网交换机的特点

① 以太网交换机的每个接口都直接与单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式，不使用CSMA/CD协议

② 交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据

③ 以太网交换机的接口具有存储器，能够缓存从端口到来的帧

④ 以太网交换机也是一种即插即用设备，内部的帧交换表（地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来

⑤ 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高

⑥ 以太网交换机具有多种速率的接口

独占传输媒体的带宽

对于普通 101010 Mb/sMb/sMb/s 的共享式以太网，若共有 NNN 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(101010 Mb/sMb/sMb/s)的 1N\frac{1}{N}N1，即10N\frac{10}{N}N10

对于普通 10 Mb/s 的交换式以太网，虽然在每个接口到主机的带宽还是 101010 Mb/sMb/sMb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 NNN 对接口的交换机的总容量为 N×10N \times 10N×10 Mb/sMb/sMb/s

这正是交换机的最大优点

直通交换方式

也有一些交换机采用直通的交换方式，即不必把整个数据帧先缓存后再进行处理、而是在收到数据帧的同时就立即按数据帧的目的MAC地址决定该帧的转发接口，提高了帧的转发速度

直通方式不检查差错就直接转发，可能将无效帧转发出去

以太网交换机的自学习（逆向学习）功能

① 交换机收到帧后，先查找交换表
▶ 如果没有查到发送端的接口，就把这个帧的源地址和进入的接口写入交换表中
▶ 如果没有查到接收端的接口，向除该发送端的接口之外的所有接口转发（广播）
（交换表最初为空，每当有新的发送端发送数据时，记录发送端的接口）

② 经过一段时间后，以太网交换机中的交换表的项目就齐全了

③ 交换表中的每个项目都设有一定的有效时间，过期的项目自动删除

3、虚拟局域网

虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组

虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网

利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网

虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化

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