《计算机网络》学习——第3章 数据链路层
1、数据链路层使用的信道
（1）点对点信道：该信道使用一对一的点对点通信方式。
（2）广播信道：该信道使用一对多的广播通信方式。
2、从整个互联网来看，局域网仍属于数据链路层的范围。
3.1 使用点对点信道的数据链路层
3.1.1 数据链路和帧
1、链路：链路(link)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结点。一条链路只是一条通路的一个组成部分。
2、数据链路：数据链路(data link)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和软件加到链路上，就构成了数据链路。
3、现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。
4、另外的术语把链路分为物理链路和逻辑链路。物理链路就是上面所说的链路。逻辑链路就是上面的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议。
5、早期的数据通信协议曾叫做通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。
6、帧：点对点信道的数据链路层的协议数据单元。
7、点对点信道的数据链路层在进行通信时的主要步骤：
（1）结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧。
（2）结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层。
（3）若结点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取出IP数据报交给上面的网络层；否则丢弃这个帧。
注意：上面的结点A和B指的是主机和路由器或路由器之间的通信。
3.1.2 三个基本问题
1、封装成帧
（1）定义：封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。
（2）分组交换的重要概念：所有在互联网上传送的数据都以分组（即IP数据报）为传送单位。
（3）首部和尾部的重要作用：确定帧的界限。
（4）每一种链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限——即最大传送单元（MTU）
（5）帧开始符：SOH；帧结束符：EOT。注：它们并不是指三个字符。
2、透明传输
（1）定义：不管从键盘上输入什么字符都可以放在这样的帧中传输过去，因此这样的传输就是透明传输。
怎么理解呢？也就是说帧的数据部分，不管是出现了SOH还是EOT，都可以正常的传输。
（2）如何实现透明传输？
字节填充：发送端的数据链路层在数据中出现控制字符SOH或EOT的前面插入一个转义字符ESC，而在接收端的数据链路层再把数据送往网络层之前删除这个插入的转义字符。
3、差错检测
（1）传输差错
1）比特差错：比特在传输过程中可能会产生差错，1可能变成0，而0可能变成1。
2）帧丢失、帧重复或帧失序。
（2）为什么要进行差错检测？
实际通信链路并非理想的，为保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须进行差错检测。
（3）差错检测技术。
1）循环冗余检验 （Cyclic Redundancy Check，简称CRC）。
2）如果要在数据链路层进行差错检验，就必须把数据划分为帧，每一帧都加上冗余码，一帧接一帧地传送，然后在接收方帧进行差错检验。
3）CRC只能保证无差错接受，不能接受有差错的帧，其可实现无比特差错的传输，但还不是可靠传输。
4）为了提供可靠传输，需要在CRC检测的基础上，增加帧编号、确认和重传机制。
3.2 点对点协议PPP
3.2.1 PPP协议的特点
1、PPP协议定义：其是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。
2、PPP协议应满足的需求
（1）简单。接受方每收到一个帧，就进行CRC检验，如CRC检验正确，就收下这个帧；反之，就丢弃这个帧，其他什么也不做。
（2）封装成帧。必须规定特殊字符作为帧定界符。
（3）透明性。保证数据传输的透明性。
（4）多种网络层协议。PPP协议必须能够在同一条物理链路层上同时支持多种网络层协议的运行。
（5）多种类型链路。PPP必须能够在多种类型的链路上运行。
（6）差错检测。PPP协议必须能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。
（7）检测连接状态。及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。
（8）最大传送单元。对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元MTU的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性。
（9）网络层地址协商。使通信的两个网络层的实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。
（10）数据压缩协商。提供一种方法来协商使用数据压缩算法。
3、PPP协议不提供以下功能
（1）纠错（2）流量控制（3）序号（4）多点线路（5）半双工或单工链路
4、PPP协议的组成
（1）一个将IP数据报封装到串行链路的方法。
（2）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(Link control protocol)
（3）一套网络控制协议NCP(Network control protocol)
3.2.2 PPP协议的帧格式
1、各字段的意义
PPP帧的首部和尾部分别为四个字段和两个字段。
F标志字段，A地址字段，C控制字段
2、字节填充
当PPP用在异步传输时，就是用一种特殊的字符填充法。
3、零比特填充
PPP协议用在SONET/SDH链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送）而不是异步传输（逐个字符地传送），这时，PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输。
3.2.3 PPP协议的工作状态
PPP协议已不是纯碎的数据链路层的协议，它还包含了物理层和网络层的内容。
3.3 使用广播信道的数据链路层
3.3.1 局域网的数据链路层
1、局域网的主要特点：网格为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
2、局域网的主要优点：
（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。
3、局域网分类
（1）星形网；（2）环形网；（3）总线网
4、局域网工作的层次跨越了数据链路层和物理层。
5、如何使众多用户能够合理而方便地共享通信媒体资源？
（1）静态划分信道。1）频分复用；2）时分复用；3）波分复用；4）码分复用。特点：代价高，不适合局域网使用。
（2）动态媒体接入控制。1）随机接入；2）受控接入
6、以太网的两个标准
（1）DIX EthernetV2
（2）IEEE 802.3
7、适配器的作用
（1）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”。
（2）适配器的重要功能：1）进行串行/并行转换；2）对数据进行缓存；3）在计算机的操作系统安装设备驱动程序；4）实现以太网协议。
3.3.2 CSMA/CD协议
1、总线的特点：当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据，这就是广播通信方式。
2、为了通信简便，以太网采取了两种措施：
（1）采用较为灵活的无连接工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。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。此时，以太网提供的服务是尽最大努力的交付，即不可靠的交付。
1）如何同时发送产生的避免碰撞？采用CSMA/CD，意思是载波监听多点接入/碰撞检测。
（2）以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号。
1）缺点：它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。
3、CSMA/CD协议要点
（1）CSMA/CD含义∶载波监听多点接入/碰撞检测(Carrier Sen:Multiple Access with Collision Detection)。
（2）“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。
（3）“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。
（4）总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。
（5）“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。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加).
（6）工作流程图
3.3.3 使用集线器的星形拓扑
1、集线器的特点
（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，使用的还是CSMA/CD协议。
（2）一个集线器有许多接口。
（3）集线器工作在物理层，简单地转发比特，不进行碰撞检测。
（4）集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消，减少了近端串音。
3.3.4 以太网的信道利用率
1、当数据一定时，以太网的连线长度受到限制，同时以太网的帧长不能太短。
3.3.5 以太网的MAC层
1、MAC的硬件地址
（1）硬件地址又称物理地址，或Mac地址，该地址存在于Mac帧中。
（2）名字指出我们所要寻找的那个资源，地址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处。但严格讲，名字应当与系统的所在地无关，局域网的“地址”应当是每一个站的“名字”或标识符。
（3）现在的局域网适配器实际上使用的都是6字节MAC地址。
（4）适配器具有过滤功能，当适配器从网络上每收到一个Mac帧就先用硬件检查Mac帧中的目的地址。
（5）发往本站的三种帧。1）单播帧，一对一；2）广播帧，一对全体；3）多播帧，一对多。
2、Mac帧的格式
（1）常用的以太网Mac帧格式。1）DIX Ethernet V2标准；2）IEEE的802.3标准。最常用的第一种。
（2）以太网 V2的Mac帧格式
（3）无效的Mac帧
1）数据字段的长度与长度字段的值不一致;
2）帧的长度不是整数个字节;
3）用收到的帧检验序列FCS查出有差错;
4）数据字段的长度不在46~1500字节之间；
5）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。
3.4 扩展的以太网
3.4.1 在物理层扩展以太网
1、主机使用光纤（通常是一对光纤）和一对光纤调制解调器连接到集线器。很容易是主机和几公里外的集线器相连接。
2、使用集线器扩展
（1）优点
1）使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
2）扩大了以太网覆盖的地理范围。
（2）缺点
1）碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
2）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。
3.4.2 在数据链路层扩展以太网
1、以太网交换机的特点
（1）以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥。通常都有十几个或更多的接口。
（2）每个接口都直接与一个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。
（3）以太网交换机具有并行性。能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信。
（4）相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。
（5）以太网交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
（6）以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
（7）以太网交换机使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。
（8）以太网交换机的性能远远超过普通的集线器，而且价格并不贵。
2、以太网交换机的优点
（1）用户独享带宽，增加了总容量
（2）从共享总线以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、适配器等都不需要做任何改动。
（3）以太网交换机一般都具有多种速率的接口，方便了各种不同情况的用户。
3、以太网交换机的交换方式
（1）存储转发方式
（2）直通方式
4、以太网交换机的自学习功能
（1）特点：以太网交换机的这种自学习方法使得以太网交换机能够即插即用，不必人工进行配置，非常方便。
（2）交换机自学习和转发帧的步骤
（3）例子
（4）如何解决回路问题，采用无环路的树状结构。
5、从总线以太网到星形以太网
（1）早期，以太网采用无源的总线结构。
（2）现在，采用以太网交换机的星形结构成为以太网的首选拓扑。
（3）总线以太网使用CSMA/CD协议，以半双工方式工作。
（4）以太网交换机不使用共享总线，没有碰撞问题，因此不使用CSMA/CD协议，以全双工方式工作。但仍然采用以太网的帧结构。
3.4.3 虚拟局域网
1、IEEE 802.1Q标准中定义的虚拟局域网（VLAN）：其是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。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属于哪一个VLAN。
2、虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型的局域网。
3、虚拟局域网技术的优点
（1）改善了性能；（2）简化了管理；（3）降低了成本；（4）改善了安全性。
4、划分虚拟局域网的方法
（1）基于交换机端口；（2）基于计算机网卡的Mac地址；（3）基于协议类型；（4）基于IP子网地址；（5）基于高层应用或服务。
3.5 高速以太网
3.5.1 100BASE-T以太网
1、定义：100BASE-T是在双绞线上传送100Mbit/s基带信号的星形拓扑以太网，仍使用IEEE 802.3的CSMA/CD协议，被称为快速以太网。
2、特点
（1）可在全双工方式下工作而无冲突发生。在全双工方式下工作时，不使用CSMA/CD协议。
（2）MAC帧格式仍然是802.3标准规定的。
（3）保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到100m。
（4）帧间时间间隔从原来的9.6 us 改为现在的0.96 us 。
3.5.2 吉比特以太网
1、吉比特以太网的标准IEEE 802.3z有以下几个特点：
（1）允许在1 Gbit/s 下以全双工和半双工两种方式工作
（2）使用IEEE 802.3协议规定的帧格式
（3）在半双工方式下使用CSMA/CD协议，而在全双工方式不适用CSMA/CD协议
（4）与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容
2、吉比特以太网的物理层的技术：
3、当吉比特以太网工作在半双工方式，必须进行碰撞检测。为保持64字节最小帧长度，以及100米的网段的最大长度，吉比特以太网增加了两个功能︰
（1）载波延伸(carrier extension)；（2）分组突发(packet bursting)
4、当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。
3.5.3 10吉比特以太网(10GE)和更快的以太网
1、10吉比特以太网(10GE）并非把吉比特以太网的速率简单地提高到10倍，其主要特点有∶
（1）与10 Mbit/s、100 Mbit/s 和1 Gbit/s 以太网的帧格式完全相同。
（2）保留了802.3标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。
（3）不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。
（4）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。
2、端到端的以太网传输的好处
（1）技术成熟；
（2）互操作性很好;
（3）在广域网中使用以太网时价格便宜;
（4）采用统一的以太网帧格式，简化了操作和管理。
3.5.4 使用以太网进行宽带接入
1、以太网宽带接入具有以下特点∶
（1）可以提供双向的宽带通信。
（2）可以根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。
（3）可以实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率且降低了传输的成本。
（4）但是不支持用户身份鉴别。
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