数据链路层

数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，其主要作用是加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路。1.数据链路层的功能

1.1为网络层提供服务

对网络层而言，数据链路层的基本任务是将源机器中来自网络层的数据传输到目标机器的网络层。数据链路层通常可为网络层提供如下服务：

无确认的无连接服务。源机器发送数据帧时不需先建立链路连接，目的机器收到数据帧时不需发回确认。对丢失的帧，数据链路层不负责重发而交给上层处理。适用于实时通信或误码率较低的通信信道，如以太网。

有确认的无连接服务。源机器发送数据帧时不需先建立链路连接，但目的机器收到数据帧时必须发回确认。源机器在所规定的时间内未收到确定信号时，就重传丢失的帧，以提高传输的可靠性。该服务适用于误码率较高的通信信道，如无线通信。

有确认的面向连接服务。帧传输过程分为三个阶段：建立数据链路、传输帧、释放数据链路。目的机器对收到的每一帧都要给出确认，源机器收到确认后才能发送下一帧，因而该服务的可靠性最高。该服务适用于通信要求（可靠性、实时性）较高的场合。

注意：有连接就一定要有确认，即不存在无确认的面向连接的服务。

1.2链路管理

数据链路层连接的建立、维持和释放过程称为链路管理，它主要用于面向连接的服务。链路两端的结点要进行通信，必须首先确认对方已处于就绪状态，并交换一些必要的信息以对帧序号初始化，然后才能建立连接，在传输过程中则要能维持连接，而在传输完毕后要释放该连接。在多个站点共享同一物理信道的情况下（例如在局域网中）如何在要求通信的站点间分配和管理信道也属于数据链路层管理的范畴。

1.3帧定界、帧同步与透明传输

两个工作站之间传输信息时，必须将网络层的分组封装成帧，以帧的格式进行传送。将一段数据的前后分别添加首部和尾部身就构成了帧。首部和尾部中含有很多控制信息，它们的一个重要作用是确定帧的界限，即帧定界。而帧同步指的是接收方应能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始与终止。如在HDLC通信规程中，用标识位F （01111110）来标识帧的开始和结束。通信过程中，检测到帧标识位F即认为是帧的开始，然后一旦检测到帧标识位F即表示帧的结束。

HDLC标准帧格式

如果在数据中恰好出现与帧定界符相同的比特组合（会误认为传输结束而丢弃后面的数据),那么就要釆取有效的措施解决这个问题，即透明传输。更确切地说，透明传输就是不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能在链路上传送.

1.4流量控制

由于收发双方各自的工作速率和缓存空间的差异，可能出现发送方的发送能力大于接收方的接收能力的现象，如若此时不适当限制发送方的发送速率（即链路上的信息流量），前面来不及接收的帧将会被后面不断发送来的帧“淹没"，造成帧的丢失而出错。因此，流量控制实际上就是限制发送方的数据流量，使其发送速率不超过接收方的接收能力。

这个过程需要通过某种反馈机制使发送方能够知道接收方是否能跟上自己，即需要有一些规则使得发送方知道在什么情况下可以接着发送下一帧，而在什么情况下必须暂停发送，以等待收到某种反馈信息后继续发送。

流量控制并不是数据链路层特有的功能，许多高层协议中也提供此功能，只不过控制的对象不同而已。对于数据链路层来说，控制的是相邻两结点之间数据链路上的流量, 而对于运输层来说，控制的则是从源端到目的端之间的流量。

1.5差错控制

由于信道噪声等各种原因，帧在传输过程中可能会出现错误。用以使发送方确定接收方是否正确收到由其发送的数据的方法称为差错控制。通常，这些错误可分为位错和帧错。

位错指帧中某些位出现了差错。通常釆用循环冗余校验（CRC）方式发现位错，通过自动重传请求（Automatic Repeat reQuest, ARQ）方式来重传出错的帧。具体做法是让发送方将要发送的数据帧附加一定的CRC冗余检错码一并发送，接收方则根据检错码对数据帧进行错误检测，若发现错误则丢弃，发送方超时重传该数据帧。这种差错控制方法称为ARQ法。ARQ法只需返回很少的控制信息就可有效地确认所发数据帧是否被正确接收。

帧错指帧的丢失、重复或失序等错误。在数据链路层引入定时器和编号机制，能保证每一帧最终都能有且仅有一次正确地交付给目的结点。

2.组帧

数据链路层之所以要把比特组合成帧为单位传输，是为了在出错时只重发出错的帧，而不必重发全部数据，从而提高效率。为了使接收方能正确地接收并检查所传输的帧，发送方必须依据一定的规则把网络层递交的分组封装成帧（称为组帧）。组帧主要解决帧定界、帧同步、透明传输等问题。通常有以下4种方法实现组帧。

注意：组帧时既要加首部，又要加尾部。原因是，在网络中信息是以帧为最小单位进行传输的，所以接收端要正确地接收帧，必须要清楚该帧在一串比特流中从哪里开始到哪里结束（因为接收端收到的是一串比特流，没有首部和尾部是不能正确区分帧的）。而分组（即IP数据报）仅是包含在帧中的数据部分（后面将详细讲解），所以不需要加尾部来定界。

2.1字符计数法

2.2字符填充的首位定界符法

2.3零比特填充的首位标志法

2.4违规编码法

3.差错控制

3.1检错编码

奇偶校验码

循环冗余码

3.2纠错编码

在数据通信的过程中，解决差错问题的一种方法是在每个要发送的数据块上附加足够的冗余信息，使接收方能够推导出发送方实际送出的应该是什么样的比特串。最常见的纠错编码是海明码，其实现原理是在有效信息位中加入几个校验位形成海明码，并把海明码的每个二进制位分配到几个奇偶校验组中。当某一位出错后，就会引起有关的几个校验位的值发生变化，这不但可以发现错位，而且能指出错位的位置，为自动纠错提供依据。

4.流量控制与可靠传输机制

4.1流量控制、可靠传输与滑动窗口机制

流量控制涉及对链路上的帧的发送速率的控制，以使接收方有足够的缓冲空间来接收每个帧。例如，在面向帧的自动重传请求系统中，当待确认帧的数量增加时，有可能超出缓冲存储空间而造成过载。流量控制的基本方法是由接收方控制发送方发送数据的速率，常见的方式有两种：停止-等待协议和滑动窗口协议。

停止-等待流量控制基本原理

发送方每发送一帧，都要等待接收方的应答信号，之后才能发送下一帧；接收方每接收一帧，都要反馈一个应答信号，表示可接收下一帧，如果接收方不反馈应答信号，那么发送方必须一直等待。每次只允许发送一帧，然后就陷入等待接收方确认信息的过程中，因而传输效率很低。

滑动窗口流量控制基本原理

在任意时刻，发送方都维持一组连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口；同时接收方也维持一组连续的允许接收帧的序号，称为接收窗口。发送窗口用来对发送方进行流量控制，而发送窗口的大小rT代表在还未收到对方确认信息的情况下发送方最多还可以发送多少个数据帧。同理，在接收端设置接收窗口是为了控制可以接收哪些数据帧和不可以接收哪些帧。在接收方，只有收到的数据帧的序号落入接收窗口内时，才允许将该数据帧收下。若接收到的数据帧落在接收窗口之外，则一律将其丢弃.

4.2单帧滑动窗口与停止-等待协议

4.3多帧滑动窗口与后退N帧协议(GBN)

4.4多帧滑动窗口与选择重传协议（SR）

5.介质访问控制

介质访问控制所要完成的主要任务是，为使用介质的每个结点隔离来自同一信道上其他结点所传送的信号，以协调活动结点的传输。用来决定广播信道中信道分配的协议属于数据链路层的一个子层,称为介质访问控制(Medium Access Control, MAC)子层。

6.局域网

6.1局域网的基本概念和体系结构

局域网（Local Area Network, LAN）是指在一个较小的地理范围（如一所学校）内，将各种计算机、外部设备和数据库系统等通过双绞线、同轴电缆等连接介质互相连接起来，组成资源和信息共享的计算机互联网络。主要特点如下：

1）为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

2）所有站点共享较高的总带宽（即较高的数据传输率）。

3）较低的时延和较低的误码率。

4）各站为平等关系而非主从关系。

5）能进行广播和组播。

局域网的特性主要由三个要素决定：拓扑结构、传输介质、介质访问控制方式，其中最重要的是介质访问控制方式，它决定着局域网的技术特性。

常见的局域网拓扑结构主要有以下4大类：①星形结构；②环形结构；③总线形结构；④星形和总线形结合的复合型结构。

局域网可以使用双绞线、铜缆和光纤等多种传输介质，其中双绞线为主流传输介质。

局域网的介质访问控制方法主要有CSMA/CD.令牌总线和令牌环，其中前两种方法主要用于总线形局域网，令牌环主要用于环形局域网。

三种特殊的局域网拓扑实现如下：

以太网（目前使用范围最广的局域网）。逻辑拓扑是总线形结构，物理拓扑是星形或拓展星形结构。

令牌环（TokenRing, IEEE 802.5）。逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是星形结构。

FDDI （光纤分布数字接口，IEEE 802.8）o逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是双环结构。 IEEE 802标准定义的局域网参考模型只对应于OSI参考模型的数据链路层和物理层，并将数据链路层拆分为两个子层：逻辑链路控制（LLC）子层和媒体接入控制（MAC）子层。与接入传输媒体有关的内容都放在MAC子层，它向上层屏蔽对物理层访问的各种差异，提供对物理层的统一访问接口，主要功能包括：组帧和拆卸帧、比特传输差错检测、透明传输。LLC子层与传输媒体无关，它向网络层提供无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送4种不同的连接服务类型。

6.2以太网与IEEE 802.3

IEEE 802.3标准是一种基带总线形的局域网标准，它描述物理层和数据链路层的MAC子层的实现方法。随着技术的发展，该标准又有了大量的补充与更新，以支持更多的传输介质和更高的传输率。

以太网逻辑上采用总线形拓扑结构，以太网中的所有计算机共享同一条总线，信息以广播方式发送。为了保证数据通信的方便性和可靠性，以太网简化了通信流程并使用了 CSMA/CD方式对总线进行访问控制。

严格来说，以太网应当是指符合DIX Ethernet V2标准的局域网，但DIX Ethernet V2标准与 IEEE 802.3标准只有很小的差别，因此通常将802.3局域网简称为以太网。

以太网釆用两项措施简化通信：采用无连接的工作方式；不对发送的数据帧编号，也不要求接收方发送确认，即以太网尽最大努力交付数据，提供的是不可靠服务，对于差错的纠正则由高层完成。

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计算机与外界局域网的连接是通过主机箱内插入的一块网络接口板［又称网络适配器（Adapter）或网络接口卡]实现的。网卡上装有处理器和存储器,是工作在数据链路层的网路组件。网卡是局域网中连接计算机和传输介质的接口，不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码及数据缓存功能等。

全世界的每块网卡在出厂时都有一个唯一的代码，称为介质访问控制（MAC）地址，这个地址用于控制主机在网络上的数据通信。数据链路层设备（网桥、交换机等）都使用各个网卡的MAC 地址。另外，网卡控制着主机对介质的访问，因此网卡也工作在物理层，因为它只关注比特，而不关注任何地址信息和高层协议信息。

以太网的MAC帧

每块网络适配器（网卡）都有一个地址，称为MAC地址，也称物理地址；MAC地址长6 字节，一般用由连字符（或冒号）分隔的6个十六进制数表示，如02-60-8c-e4-b1-21高24位为厂商代码，低24位为厂商自行分配的网卡序列号。

由于总线上使用的是广播通信，因此网卡从网络上每收到一个MAC帧，首先要用硬件检查 MAC帧中的MAC地址。如果是发往本站的帧，那么就收下，否则丢弃。

高速以太网

速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网。

1）100BASE-T 以太网

100BASE-T以太网是在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星形拓扑结构以太网，它使用 CSMA/CD协议。这种以太网既支持全双工方式，又支持半双工方式，可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，在全双工方式下不使用CSMA/CD协议。

MAC帧格式仍然是802.3标准规定的。保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到100mo帧间时间间隔从原来的9.6pis改为现在的0.963。

2）吉比特以太网

吉比特以太网又称千兆以太网，允许在IGb/s下用全双工和半双工两种方式工作。使用802.3 协议规定的帧格式。在半双工方式下使用CSMA/CD协议(全双工方式不需要使用CSMA/CD协议)。与1OBASE-T和100BASE-T技术向后兼容。

3）10吉比特以太网

10吉比特以太网与10Mb/s、100Mb/s和IGb/s以太网的帧格式完全相同。10吉比特以太网还保留了 802.3标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。10吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。10吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。

以太网从10Mb/s到10Gb/s的演进证明了以太网是可扩展的(从10Mb/s到10Gb/s)、灵活的 (多种传输媒体、全/半双工、共享/交换)，易于安装,稳健性好。

6.3 IEEE 802.11

IEEE 802.11是无线局域网的一系列协议标准，包括802.Ha和802.11b等。它们制定了 MAC 层协议，运行在多个物理层标准上。除基本的协调访问问题外，标准还进行错误控制(以克服通道固有的不可靠性)、适宜的寻址和关联规程(以处理站的可携带性和移动性)、互联过程(以扩展无线站的通信范围)，并且允许用户在移动的同时进行通信。

802.11的MAC层采用CSMA/CA协议进行介质访问控制。冲突避免要求每个发送结点在发送帧之前先侦听信道。如果信道空闲，那么结点可以发送帧；发送站在发送完一帧之后，必须再等待一个短的时间间隔，检查接收站是否发回帧的确认ACK。如果接收到确认，那么说明此次发送未出现冲突，发送成功；如果在规定的时间内没有接收到确认，那么表明出现冲突，发送失败, 重发该帧，直到在规定的最大重发次数之内，发送成功。

注意：在无线局域网中，即使在发送过程中发生了碰撞，也要把整个帧发送完毕。而在有线局域网中，发生冲突则结点立即停止发送数据。再次提醒读者要熟悉局域网的各种协议。

无线局域网可分为两大类：固定基础设施无线局域网和无固定基础设施无线局域网自组织网络(Ad Hoc Network)。

6.4令牌环网的基本原理

7.广域网

7.1广域网的基本概念

7.2PPP协议

PPP (Point-to-Point Protocol)是使用串行线路通信的面向字节的协议，该协议应用在直接连接两个结点的链路上。设计的目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共同的解决方案。

PPP协议是在SLIP协议的基础上发展而来的，它既可以在异步线路上传输，又可在同步线路上使用；不仅用于Modem链路，也用于租用的路由器到路由器的线路。

背景：SLIP主要完成数据报的传送，但没有寻址、数据检验、分组类型识别和数据压缩等功能，只能传送IP分组。如果上层不是IP协议，那么无法传输，并且此协议对一些高层应用也不支持，但实现比较简单。为了改进SLIP的缺点，于是制定了点对点协议(PPP)。

PPP协议有三个组成部分，

链路控制协议(LCP)o。一种扩展链路控制协议，用于建立、配置、测试和管理数据链路。
网络控制协议（NCP）。PPP协议允许同时采用多种网络层协议，每个不同的网络层协议要用一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。
一个将IP数据报封装到串行链路的方法。IP数据报在PPP帧中就是其信息部分，这个信息部分的长度受最大传送单元(MTU)的限制。

PPP帧的前3个字段和最后2个字段与HDLC帧是一样的，标志字段(F)仍为7E (01111110),前后各占1字节，若它出现在信息字段中，就必须做字节填充, 使用的控制转义字节是7D (OlllllOl)o但在PPP中，地址字段(A)占1字节，规定为OxFF, 控制字段(C)占1字节，规定为0x03,两者的内容始终是固定不变的。PPP是面向字符的，因而所有PPP帧的长度都是整数个字节。

第4个字段是协议段，占2字节，在HDLC中没有该字段，它是说明信息段中运载的是什么种类的分组。以比特0开始的是诸如IP、IPX和AppleTalk这样的网络层协议；以比特1开始的被用来协商其他协议，包括LCP及每个支持的网络层协议的一个不同的NCP。

第5段信息段的长度是可变的，大于等于0且小于等于1500B。为了实现透明传输，当信息段中出现和标志字段一样的比特组合时，必须釆用一些措施来改进。

注意：因为PPP是点对点的，并不是总线形，所以无须采用CSMA/CD协议，自然就没有最短帧，所以信息段占0〜1500字节，而不是46- 1500字节。另外，当数据部分出现和标志位一样的比特组合时，就需要采用一些措施来实现透明传输。

第6个字段是帧检验序列(FCS),占2字节，即循环冗余码检验中的冗余码。

7.3 HDLC 协议

高级数据链路控制（High-level Data Link ControL HDLC）协议是ISO制定的面向比特（记住PPP协议是面向字节的）的数据链路层协议。该协议不依赖于任何一种字符编码集；数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现；全双工通信，有较高的数据链路传输效率；所有帧釆用CRC检验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重发，传输可靠性高；传输控制功能与处理功能分离，具有较大的灵活性。

HDLC适用于链路的两种基本配置：非平衡配置和平衡配置。

1）非平衡配置的特点是由一个主站控制整个链路的工作。

2）平衡配置的特点是链路两端的两个站都是复合站，每个复合站都可以平等地发起数据传输，而不需要得到对方复合站的允许。

io站

HDLC有3种站类型：主站、从站和复合站。主站负责控制链路的操作，主站发出的帧称为命令帧。从站受控于主站，按主站的命令进行操作；发出的帧称为响应帧。另外，有些站既具有主站的功能，又具有从站的功能，所以这类站称为复合站，它可以发出命令帧和响应帧。

HDLC有3种数据操作方式：

1）正常响应方式。这是一种非平衡结构操作方式，即主站向从站传输数据，从站响应传输, 但从站只有在收到主站的许可后，才可进行响应。

2）异步平衡方式。这是一种平衡结构操作方式。在这种方式中，每个复合站都可以进行对另一站的数据传输。

3）异步响应方式。这是一种非平衡结构操作方式。在这种方式中，从站即使未受到主站的允许，也可进行传输。

两者有以下几点不同：

1） PPP协议是面向字节的，HDLC协议是面向比特的。

2） PPP帧比HDLC帧多一个2字节的协议字段。当协议字段值为0x0021时，表示信息字段是IP数据报。

3） PPP协议不使用序号和确认机制，只保证无差错接收（通过硬件进行CRC检验），而端到端差错检测由高层协议负责。HDLC协议的信息帧使用了编号和确认机制，能够提供可靠传输。

8.数据链路层设备

网桥

PS 网桥处理数据的对象是帧，所以它是工作在数据链路层的设备，中继器、放大器处理数据的对象是信号，所以它是工作在物理层的设备。

网桥的基本特点：

①网桥必须具备寻址和路径选择能力，以确定帧的传输方向；

②从源网络接收帧，以目的网络的介质访问控制协议向目的网络转发该帧；

③网桥在不同或相同类型的LAN 之间存储并转发帧，必要时还进行链路层上的协议转换。注意，一般情况下，存储转发类设备都能进行协议转换，即连接的两个网段可以使用不同的协议；

④网桥对接收到的帧不做任何修改，或只对帧的封装格式做很少的修改；

⑤网桥可以通过执行帧翻译互联不同类型的局域网，即把原协议的信息段的内容作为另一种协议的信息部分封装在帧中；

⑥网桥应有足够大的缓冲空间，因为在短时间内帧的到达速率可能高于转发速率。

网桥的优点：①能过滤通信量；②扩大了物理范围；③可使用不同的物理层；④可互联不同型的局域网；⑤提高了可靠性；⑥性能得到改善。

透明网桥（选择的不是最佳路由）

透明网桥以混杂方式工作，它接收与之连接的所有LAN传送的每一帧。到达帧的路由选择过程取决于源LAN和目的LAN：①如果源LAN和目的LAN相同，那么丢弃该帧;②如果源LAN 和目的LAN不同，那么转发该帧；③如果目的LAN未知，那么扩散该帧。

2. 源路由网桥（选择的是最佳路由）

在源路由网桥中，路由选择由发送数据帧的源站负责，网桥只根据数据真正的路由信息对帧进行接收和转发。

源路由网桥对主机是不透明的，主机必须知道网桥的标识及连接到哪个网段上。路由选择由发送帧的源站负责，那么源站如何知道应当选择什么样的路由呢？为了找到最佳的路由，源站以广播方式向目的站发送一个发现帧（Discovery Frame）作为探测之用。源路由的生成过程是：在未知路径前，源站要先发送一个发现帧；途中的每个网桥都转发此帧，最终该发现帧可能从多个途径到达目的站；目的站也将一一发送应答帧；每个应答帧将通过原路径返回，途经的网桥把自己的标志记录在应答帧中；源站选择出一个最佳路由。以后，凡从这个源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带这一路由信息。

此外，发送帧还可以帮助源站确定整个网络可以通过的帧的最大长度。由于发现帧的数量指数式增加，可能会使网络严重拥塞。

交换机

交换机也是工作在数据链路层的网络互连设备，是局域网组网中最常用也是最主要的网络设备之一。交换机的种类很多，如以太网交换机、FDDI交换机、帧中继交换机、ATM交换机和令牌交换机等。

　　（1）交换机的功能

　　所有交换机的基本功能都是相同的，即接收帧、寻找通向目的地址的端口、发送帧。

　　（2）交换机的工作方式

　　一些交换机在发送帧前，可以帮助网络检查更多的帧信息，而不仅仅是检查源地址和目的地址。正是基于这些区别，交换机有4种方式。

1）直通交换

2）无碎片帧交换

3）存储转发交换

网桥和交换机的区别：

（1）交换机的端口多于网桥；

（2）交换机的数据传输速率高于网桥；

（3）网桥是使用软件进行转发，而交换机是使用硬件进行转发，所以交换机的造价更低。

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