计算机网络3:数据链路层

一、基本概念

• 链路：一条点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。
• 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。数据链路指的就是有协议控制的链路。现在最常用的是使用适配器（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。

二、3个基本问题

封装成帧

• 在一段数据的前后分别添加首部和尾部来构成帧，确定帧的界限。
• 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

透明传输

• 当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时，就必须采取适当的措施，使接收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。
• 字节填充法解决透明传输问题：在控制字符的前面加入转义字符，接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。如果转义字符也出现在数据当中，那么在转义字符前插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时就删除其中前面的一个。因为转义字符在接收时删除，在传输过程中就跟透明的一样，所以称为透明传输。

差错检测

• 传输过程可能会产生比特差错：1可能会变成0，0也可能变成1。
• 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BER(Bit Error Rate)。
• 误码率与信噪比有很大的关系。
• 为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。
• 循环冗余检验CRC的计算过程(后面添加的0的个数比除数的个数少1)

　　　　　　　　

　　　　在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS(Frame Check Sequence)，循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同，FCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的唯一方法

三、使用点对点信道的数据链路层

• PPP协议：点对点协议PPP(Point-to-Point Protocol)是全世界使用得最多的数据链路层协议，用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP协议
• PPP协议帧格式：

　　　　　　　　　　

• 工作状态：当用户拨号接入ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。

　　　　　　　　PC机向路由器发送一系列的LCP(链路控制协议，作用是建立并维护数据链路连接)分组(封装成多个PPP帧)。

　　　　　　　　这些分组及其响应选择一些PPP参数和进行网络层配置，NCP(网络控制协议：处于数据链路层，允许在点到点连接上使用多种网络层协议)给新接入的PC机分配临时IP地址。

　　　　　　　　通信完毕，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。接着，LCP释放数据链路层连接，最后释放物理层的连接。

四、使用广播信道的数据链路层

• CSMA/CD协议：多点接入，载波监听。英文全称：Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

　　　　　　　　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：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：

　　　　　　计算机边发送数据边检测信道上的信号电压的大小，如果检测到的电压值超过一定值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明发生碰撞

　　　　　　发生碰撞的站在停止发送数据后要推迟一个随机时间才能再次发送数据

• 重要特性：使用CSMA/CD协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信)
• 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(两倍的端到端往返时延)就可以知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。

　　　　　　这个端到端往返时延2τ称为争用期，通常取51.2μs为争用期的长度。

　　　　　　对于10Mb/s的以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。

• 最短有效帧长：

　　　　　　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64字节。

　　　　　　以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧

五、以太局域网(以太网)

• 使用CSMA/CD协议的网络都可以称为以太网。
• 以太网提供的服务是不可靠的支付，即尽最大努力的支付。
• 当接收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。
• 采用星形拓扑的以太网，在星形的中心增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(工作在物理层)。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　集线器的特点：

　　　　　　　　　　　　使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像传统的以太网那样运行。

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

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

六、硬件地址

• 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址，有48位二进制位。
• 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，地址字段的后三个字节由厂家自行指派，必须保证生产出的适配器没有重复地址。
• 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放下，不是则丢弃。发往本站的帧包括三种帧：单播帧(一对一)，广播帧(一对全体)，多播帧(一对多)。

　　　　　　　　　

• 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。

• 帧间最小间隔：

　　　　　　最小间隔时间为9.6μs，一个站检测到总线开始空闲后要隔9.6μs才能再次发送数据，这是为了使刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

七、数据链路层的扩展

• 在数据链路层扩展局域网使用的是网桥(工作在数据链路层)。
• 网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。
• 网桥有“学习”能力，在MAC帧第一次经过网桥后，网桥会“记住”该MAC帧的MAC地址在哪一端。
• 当有MAC帧经过网桥时，网桥不直接向所有接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，再确定转发到哪个端口
• 网桥是交换机的前身，交换机有多个端口，同样拥有“学习”能力，MAC帧第一次经过后会记录地址，并且交换机有存储转发的功能，所以不存在冲突