计算机网络复习——数据链路层

数据链路层概述

　　数据链路层使用的信道主要有两种类型：

　　　　点对点信道：一对一的点对点通信方式，使用点对点协议ppp

　　　　广播信道：一对多的广播通信方式，使用CSMA/CD协议

　　数据链路层的三个问题：封装成帧、透明传输、差错检测

　　以太网MAC层的硬件地址

　　适配器、转发器、集线器、网桥、以太网交换机的作用以及使用场合

使用点对点的数据链路层　　

　　网络通信的主要步骤：

　　　　（1）发送端的数据链路层把网络层交下来的IP数据包添加首部和尾部封装成帧，如果IP数据包过大还要进行分片。

　　　　（2）发送端将封装好的帧发送接收端。

　　　　（3）接收端将收到的帧进行去掉首部和尾部，交给网络层，如果IP数据包此前分片了，则需要再组装起来。

　　封装成帧

　　　　在IP数据包的前后分别添加首部和尾部（在首部尾部与数据部分的交界处要规定帧定界符），形成帧，各种数据链路层的协议都要对帧首部和帧尾部的控制信息的格式做出规定，并且，对于数据部分，有一个最大数据部分长度上限——最大传输单元MTU

　　透明传输（此处透明的意思是看不见）

　　　　无论什么样的比特组合的数据，都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层

　　　　出现透明传输这个定义的原因是：当数据中出现了与帧定界符的二进制代码相同的二进制代码，这个二进制代码会被认为是真定界符，而这个二进制本应该被判定为数据，所以这使得帧中的数据被截断，数据无法正常传输。

　　　　解决透明传输问题的方式是：发送端的数据链路层在数据中出现与帧定界符的二进制代码相同的二进制代码时，在其前面插入一个转义字符“ESC”，这种方法被称为字节填充或字符填充。

　　差错检测（只针对比特错误，不管帧丢失、重复等）

　　　　当比特在传输过程中，可能出现差错，0变成1,1变成0。错误比特栈总比特数的比率为误码率（BER）

　　　　为了解决这个问题，会在链路层中使用循环冗余检验CRC：假如有一个k位的数据M，在数据M后添加n位冗余码，构成一个帧，发送出这k+n位。n位冗余码的求取：在M数据后添加n位0，再用这个数和双方事先约定的长度为n+1的数P进行模2除法运算，得出的余数就是冗余码，也常称为帧检验序列FCS.

　　　　在数据的接收端，以帧为单位进行CRC检验，对上述收到的k+n位的数据M，用它除以同样的余数P，检查得出的余数，如果余数为0就基本（不能百分比确定）表明传输无差错。

　　　　注意：如果帧被判定为出现差错，就会被丢弃，并且并不会重发，因为数据链路层不提供可靠传输，出现比特差错的问题会一层一层的向上反映，直到提供可靠传输的传输层TCP协议来解决。这样做可以提高通信效率。

点对点协议PPP

 　　PPP协议是目前使用最广泛的数据链路层协议

　　PPP协议的组成：

　　　　（1）一个将IP数据报封装到串行链路的方法。IP数据报就是PPP帧中的信息部分，其最大长度受最大传送单元MTU限制

　　　　（2）一个用来建立、配置、测试数据链路连接的链路控制协议LCP。

　　　　（3）一套网络控制协议NCP

　　PPP协议的帧格式：

　　　　

　　　　首先是最前面和最后面的标志字段，规定为0x7E，二进制表示为01111110，这两个字段也就是帧的定界符，表示一个帧的开始或结束。

　　　　然后是地址字段，规定为0XFF，其后面是控制地址，规定为0x03，最初打算对这两个字段另做他用，但至今也没用。

　　　　接着是2字节的协议字段，这是用来表示信息字段中是何种协议。如果协议字段的值时0x0021，则代表信息字段中是IP数据包，如果是0xC021，则是PPP链路控制协议LCP；如果是0x8021则表示这是网络层的控制数据。

　　字节填充：为了达成透明传输的功能，还要在信息字段中出现定界符等干扰字符时，用转义字符0x7D将其转义。

　　零比特填充：当信息中出现5个连续1的是，填充一个0，以防止出现连续的6个1，以至判断错误为定界符。

　　PPP协议的工作状态

　　　　当用户拨号接入ISP时，个人电脑就会想ISP发送一系列的的链路控制协议LCP分组（封装为多个帧），便建立了LCP连接，然后网络控制协议NCP给新接入的个人分配网络层的配置如IP地址（临时）等，这样就成功连接上互联网。通信结束，释放连接，收回分配的IP地址。

使用广播信道的数据链路层

　　广播信道可以进行一对多的通信，局域网就是使用的广播信道。

　　局域网最主要的特点：网络为一个单位有拥有，且地理范围和站点数目均有限。

　　　　优点：具有广播功能、便于扩展和演变，各设备可以灵活调整和改变、可靠性可用性生存性

　　按网络拓扑对局域网进行划分：星形网、环形网、总线网、树形网

　　　　

 　　对于共享信道，局域网使用动态媒体接入控制

　　　　动态媒体接入控制又分为随机接入和受控接入，主要使用随机接入，随机接入就是用户可以随机的发送消息，当恰好有两个用户同时发送消息时，那么就会产生碰撞（即发送了冲突），使得消息都发送失败，对于这个问题采用了解决碰撞的网络协议（CSMA/CD协议）解决。

　　局域网种类，这里主要讨论以太网。第一个IEEE的以太网标准IEEE802.3在1983年制定，因此把局域网802.3称为以太网。除此之外，还有如802.4令牌总线网，802.5令牌环网。不过后来，以太网逐渐在局域网中竞争中取得了垄断地位，所以后来干脆把以太网所谓局域网的代名词。当人们说到局域网时，默认为802.3标准的以太网。

　　适配器（即网卡），计算机与外部局域网的连接就是通过适配器，适配上装有ROM和RAM，计算机内部数据以并行传输，而双绞线或电缆以串行传输，因此适配器的一个作用就是信息并串的转换。当适配器接到帧时，对帧进行检查，如果帧有差错就直接丢弃，当收到正确的帧时，就通过中断通知计算机，将帧去掉帧头和帧尾交付给网络层处理。当计算机要发送IP报文时，就会将其交给适配器，组装成帧发送到局域网。

　　CSMA/CD协议（载波监听多点接入/碰撞检查）

　　　　多点接入说明这是总线型网络。

　　　　载波监听就是“边发送边监听”，不管在想要发送数据之前，还是在发送数据之中，每个站（主机）都必须不停的检测信道，检测信道上的信号电压的变化情况。但是因为电磁波在总线上传送需要时间，所以即使有这种监听，也依旧会发生碰撞。当A发送信息给B时，这个信息还在信道上传输没有到达B，所以B此时监听到信道没有传输，认为信道空闲，于是B也发送信息，这时A发送的信息和B发送的信息就会在信道上产生碰撞。显然，使用CSMA/CD协议，一个站不可能同时发送和接收（但需要边发送边监听），于是使用半双工通信。

　　　　发送的不确定性：每一个站发送数据之后的一小段时间内，存在碰撞的可能，这一小段时间是不确定的。时间的多少取决于数据传输的距离（因为电磁波传输速度固定）。假如这段时间为t，那么假如A发送的信息在到达B之前的一瞬间B发送了信息（经过接近t的时间），那么再经过t的时间A也会得知B发送消息，并且A通过计算时间比较得知自己发送的信息在到达B之前的一瞬间B发送了信息，也就说明信息说明了碰撞。在上述这个过程中，A在发送消息或最多经过2t的时间知道了信息发生了碰撞。这个2t被称为争用期，又称为碰撞窗口。只有经过这段2t时间还没有检测到碰撞，那说明信息发送成功。

　　　　为了解决碰撞的重发问题，以太网使用截断二进制指数退避算法，为发生碰撞的站点随机分配一个退避的时间，这样，随机时间最小的站点就获得了优先发送权，大概率不会再碰撞。

 　　以太网的MAC层

　　　　在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址，该地址信息为48位比特，固定在每一条计算机的适配器的ROM中，也就是网卡中，如果更换适配器，那么该计算机的物理地址就发生变化。如果仅仅将电脑从一个城市移动到另一个城市，那么它的物理地址依旧不变。物理地址由IEEE的注册管理机构RA管理，并且6个字节（48位）中的前三个字节又RA分配，生产局域网适配器的厂家需要花钱购买，后三个字节由厂家自行决定。

　　　　根据发送信息的MAC帧中MAC地址的不同，分为单播帧（一对一）、广播帧（一对全体）（全1地址）、多播（一对多）。适配器对帧的地址进行判断确定帧的类型。

　　　　以太网MAC帧的格式

　　　　　　前两个字段分段为6字节的目的地址和源地址，第三字段为2字节的类型字段，用来标志上一层用的什么协议，以便将接下来的数据字段用对应的网络层协议处理，数据字段长度在46到1500字节之间，最后一个字段为4字节的帧检验序列FCS（使用CRC检验），该字段交给网络层会被丢掉。

注意：MAC地址在同一个局域网中传输过程中是不变的,在跨越局域网的时候会发生改变的;而IP地址在整个传输过程中是不会改变的(除NAT的时候)。

扩展的以太网

　　扩展以太网通常在数据链路层进行。最初人们使用网桥。

　　后来出现交换式集线器，很快淘汰了网桥，交换式集线器又称为以太网交换机，

　　交换机本质是一个多端口的网桥，每一个端口和一个主机连接或另一个交换机相连，采用全双工方式，每一个端口和连接到端口的主机构成了一个碰撞域，N个端口的交换机有N个碰撞域。每个端口处有存储器，在繁忙时无法处理的帧缓存起来。

　　交换机是一种即插即用的设备，其内部维护一张交换表，通过自学建立起来的，将相对应的端口和其连接的主机MAC地址做一个映射。交换机的工作过程：当接收到一个帧时，首先将帧的端口与其源地址记录进交换表，然后查交换表，将帧从帧的目的地址对应的端口发送出去，如果交换表中没有帧的目的地址，那么将该帧广播给除了源端口之外的所有端口，交换表中的记录只会保存一定的时间后就清除。