数据链路层

数据链路层使用的信道分为点对点信道（一对一）和广播信道（一对多，必须使用专用共享信道协议协调数据传送）

一、点对点信道的数据链路层

  • 数据链路：通信协议控制数据传输，将实现这些协议的硬件和软件加到链路上构成数字链路
  • 帧：数据链路层的协议数据单元，帧头+IP数据包+帧尾+FCS校验值+MAC地址

1. 三个基本问题

  • 封装成帧： 在一段数据前后分别添加帧头和帧尾，确定帧的界限，帧定界，MTU 代表所能传送的帧的数据部分长度上限,必须接受完整帧，否则丢弃
    • 帧开始符：SOH
    • 帧结束符：EOT
  • 透明传输：帧开始符和帧结束符的控制字符不会影响数据的完整传输，帧边界不会找混
    • 字节填充/z字符填充：对可能出现的SOH/EOT前面插入转移字符ESC，如果ESC也出现在数据中，ESC前也插入转移字符ESC
  • 差错检测：传输中可能出现比特差错，检测后丢弃，不纠错
    • 误码率：传输错误的比特占所传输比特总数的比率
    • 循环冗余检测CRC：余数R=0接受，否则丢弃，不能确定是哪一个或那几个比特出现差错
    • 要做到可靠传输，必须要加上编号、确认和重传机制，处理帧重复、帧丢失、帧乱序问题

2. 点对点协议PPP

  • 简单、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协议的组成
    • 一个将IP数据报封装到串行链路的方法，可用于异步或同步串行的传输介质，高级数据链路控制协议HDLC
    • 建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP，可配置身份认证，上网计费等
    • 网络控制协议NCP，在点对点连接上支持多种网络层协议
  • 点对点协议的帧格式，面向字节，所有帧的长度都是整数字节
    • 帧首部：4个字段，标志字段F（0x7E）、地址字段A（0xFF）、控制字段（0x03）、协议字段（占2字节）
      • （0x0021） IP 数据报，（0xC021）PPP链路控制数据，（0x8021）网络控制协议
    • 帧尾部：2个字段，帧检验序列FCS，标志字段F（0x7E）
    • 信息部分主要存放IP数据报，长度可变，不超过1500字节

    • 异步传输：字节填充
      • 把每一个0x7E字节转换成2字节序列（0x7D，0x5E）
      • 把每一个0x7D转变成2字节序列（0x7D，0x5D）
      • 若信息字段出现ASCII控制字符（数值小于20），则在该字符前加上0x7D
    • 同步传输：比特填充
      • 发送端发现有5个连续的1，立即填入1个0，扫描接收时会删除该0
      • 标志字段比特形式是0111 1110

3.PPP协议工作流程

 

二、广播信道的数据链路层

1.  广播信道　

  • 局域网络拓扑结构：星型、总线、环形、树形
  • 共享信道的划分方式
    • 静态划分：频分复用、时分复用、波分复用、统计时分复用
    • 动态媒体接入控制（多点接入）
      • 随机接入：允许多用户随机发送，若恰巧有两个或更多用户同一时刻发送信息，在共享媒体上发生碰撞，信息发送失败
      • 受控接入，多点线路进行轮询、探询
  • 以太网标准：将局域网的数据链路层拆分为逻辑链路控制LLC 和媒体接入控制MAC 两个子层，与接入到传输媒体的内容放在MAC层。

2. CSMA/CD协议

  • 以太网遵循尽最大努力交付，使用CSMA/CD载波监听多点接入/碰撞检测协议，使用曼彻斯特编码
  • 载波监听：发送的任意站点必须不停的检测信道，及时发现有无其他站点的发送和本站发送的碰撞
  • 碰撞检测：边发送边监听，当适配器检测信号电压变化幅度超过阈值，认为碰撞冲突，信号严重失真，等待一段时间后再次发送
  • 端到端往返传播时延：最多是两倍的总线端到端的传播时延（2π）
  • 使用CSMA/CD协议以太网不能进行全双工通信，只能进行半双工通信，发送的不确定性使得以太网的平均通信量远远小于以太网最高数据率
  • 争用期：以太网的端到端往返时延（2ζ），通常取51.2μs
  • 最短有效帧长：64字节，凡长度小于64字节（512bit）的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧
  • 帧间最小间隔 9.6μs
  • 截断二进制指数类型退避算法用于判断是否丢弃数据帧
    • 确定基本退避时间，一般取争用期时间51.2μs
    • 定义参数K=Min[重传次数，10]
    • 从整数集合[0，1，...，2k-1]中随机选一个数，记作r，下次重传推后的等待时间是r倍的基本退避时间
    • 当重传次数达16次时仍不能成功则丢弃该帧，并向高层报告

三、以太网

  • 集线器工作在物理层，他的每个接口仅仅简单的转发比特，不进行碰撞监测，一个集线器有多个接口
  • 信道利用率：S=T0/(T0+ζ+nζ)

　　　　理想情况下，以太网信道利用率极限值为Smax=S=T0/(T0+ζ)=1/1+a, a是以太网单程端到端时延ζ与帧到发送时间T0之比，a越趋近于0，表明信道利用率越高，a越大，表明争用期所占比例越高，信道利用率越小

四、MAC层

  • MAC地址代表的是硬件地址，物理地址，是局域网上的每一台计算机中固化在适配器的ROM中的地址。
  • MAC地址用48位二进制表示，前24 位代表厂家信息，后24位由厂家自己规定，即12位16进制表示。
  • 当路由器通过适配器连接到局域网时，适配器上的硬件地址用于标志路由器的某个接口；如果路由器同时连接到两个网络上，就需要两个适配器和两个硬件地址。
  • 适配器有过滤功能，每从网络上收到一个MAC帧先硬件监测MAC地址，符合要求接受。
    • 单播帧（一对一）：收到的帧的MAC地址与本站硬件地址相同
    • 广播帧（一对全体）：发送给本局域网上所有站点的帧，全1 的地址即FFFF
    • 多播帧（一对多）：发送给本局域网上一部分站点的帧
  • MAC帧格式（与PPP协议帧格式不同）

    • 目的地址MAC地址
    • 源地址MAC地址
    • 类型规定了交往网络层用的是什么协议，0x0800代表使用的是IP数据报
    • 数据字段长度在46~1500字节，46=64-16-6-2-4
    • 帧检验序列FCS
    • 传输媒体上实际传送的比MAC帧多8个字节，包括7个字节的前同步码（使MAC帧与发送端时钟同步）和1个字节的帧开始定界符10101011（提醒接收MAC帧）
  • 无效MAC帧
    • 帧的长度不是整数个字节
    • 用收到的帧检验序列符FCS查出由差错
    • 收到的MAC帧数据字段长度不再46~1500字节之间，即总体的有效MAC帧长度不在64~1518之间

 五、扩展的以太网

  • 距离扩展：使用光纤和光纤调制解调器连接到集线器
  • 数量扩展：集线器级联
  • 网桥：工作在数据链路层，根据MAC帧的目的地址转发对应皆苦
  • 交换机：工作在数据链路层，基于MAC地址，存储数据后再转发，全双工通信，带宽加厚
  • 高速以太网、吉比特以太网不使用传统以太网遵循的CSMA/CD协议

 

posted @ 2021-03-19 16:33  forever_fate  阅读(707)  评论(0)    收藏  举报