第三章数据链路层

 

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

 

点对点信道

广播信道

3.1 使用点对点信道的数据链路层

链路 ：从一个结点到相邻结点的一段物理线路

 

数据链路 ：把实现这些协议的硬件和软件加载链路上

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。

 

三个基本问题：

 

封装成帧

就是在一段数据的前后分别添加首部（帧开始符SOH 01）和尾部（帧结束符EOT 04），然后就构成了一个帧。（数据部分<=长度限制MTU）首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

帧定界是分组交换的必然要求

透明传输

为了达到透明传输（即传输的数据部分不会因为包含SOH和EOT而出错），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”(十六进制1B)

透明传输避免消息符号与帧定界符号相混淆

差错检测

现实通信链路中比特在传输中会产生差错，传输错误的比特占比称为误码率BER，为了保证可靠性，通常通过循环冗余检验CRC来做差错检测。

差错检测防止无效数据帧浪费后续路由上的传输和处理资源

CRC校验在计算机组成与结构中学过不做解释

会做课后习题7、8题即可

 

3.2点对点协议 PPP P70

PPP协议的组成部分

一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法

链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)

网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)

PPP协议的帧格式



首部：

首部中的标志字段F(Flag)，规定为0x7E(符号0x表示它后面的字符是用十六进制表示的。十六进制的7E的二进制表示是01111110)，标志字段表示一个帧的开始。

首部中的地址字段A规定为0xFF(即11111111)。

首部中的控制字段C规定为0x03(即00000011)。

首部中的2字节的协议字段：

(1)当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。

(2)当协议字段为0xC021时，PPP帧的信息字段就是PPP链路控制协议LCP的数据。

(3)当协议字段为0x8021时，PPP帧的信息字段就是网络层的控制数据。

尾部：

 

尾部中的第一个字段(2个字节)是使用CRC的帧检验序列FCS。

尾部中的标志字段F(Flag)，规定为0x7E(符号0x表示它后面的字符是用十六进制表示的。十六进制的7E的二进制表示是01111110)，标志字段表示一个帧的结束。

透明传输的实现方法

当信息字段中出现和标志字段一样的比特(0x7E)组合时，就必须采取一些措施使这种形式上和标志字段一样的比特组合不出现在信息字段中。

字节填充——PPP使用异步传输

当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法：将每一个 0x7E字节变为(0x7D, 0x5E)，0x7D转变成为(0x7D, 0x5D)。ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在前面要加入0x7D，同时将该字符的编码加以改变。

 

零比特填充——PPP使用同步传输

只要发现有5个连续的1，则立即填入一个0



 

这部分考题很简单：见课后习题10

 

PPP 协议的工作状态：

链路静止-建立物理层-链路建立-pc发LCP-NCP分配IP地址-链路打开，网络层建立。（释放时倒过来）

3.3 使用广播信道的数据链路层 P76

广播信道是一种一对多的通信，局域网使用的就是广播信道

 

局域网的数据链路层（局域网的数据链路层被拆分为了两个子层）

逻辑链路控制LLC子层：与传输媒体无关

媒体接入控制MAC子层：和局域网都对LLC子层来说是透明的

CSMA/CD 协议

以太网采用CSMA/CD协议的方式来协调总线上各计算机的工作。在使用CSMA/CD协议的时候，一个站不可能同时进行发送和接收，因此使用CSMA/CD协议的以太网不可能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工）。

CSMA/CD是载波监听多点接入/碰撞检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）的缩写，下面是CSMA/CD协议的要点：

 

**“多点接入”**就是计算机以多点接入（动态媒体接入控制）的方式连接在一根总线上。

 

**“载波监听”**就是”发送前先监听”，即每一个站在发送数据前先要检测一下总线是否有其他站在发送数据，如有则暂时不要发送数据，要等到信道为空闲。

 

**“碰撞检测”**就是“边发送边监听”，即适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

 

把总线上的单程端到端传播时延记为τ，A 发送数据后，最迟要经过2τ才能知道自己发送的数据和其他站发送的数据有没有发生碰撞。

 

3.4 以太网的MAC层

MAC地址

“MAC地址”又叫做硬件地址或物理地址，实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。高位24位：厂家，低位24位由厂家自行指派

 

MAC帧的格式

常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ： DIX Ethernet V2 标准IEEE 的 802.3 标准。V2使用较多，如图：



以太网V2的MAC帧较为简单，有五个字段组成。

前两个字段分别为6字长的目标地址和源地址字段。第三个字段是2字节的类型字段，用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。后面数据字段46~1500字节，FCS字段4个字节。

 

3.5 扩展的以太网

在物理层扩展—集线器 P91

现在，双绞线以太网成为以太网的主流类型，扩展主机和集线器之间的距离的一种简单方法就是使用光纤(通常是一对光纤)和一对光纤调制解调器。

光纤调制解调器的作用，是进行电信号和光信号的转换。

 

在数据链路层扩展—网桥（自学习算法）P94

注：在数据链路层扩展以太网要使用网桥

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或过滤。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发这个帧，而是检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或者是把它丢弃(即过滤)。

具体可以参考这篇博客：

http://blog.csdn.net/cainv89/article/details/50651489

虚拟局域网-交换机P98

多接口网桥即交换式集线器常称为以太网交换机。利用以太网交换机可以很方便地 实现虚拟局域网，虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记。