数据链路层

数据链路层使用的信道主要有：

点对点信道，使用PPP协议
广播信道，使用CSMA/CD协议

数据链路层研究的是在同一个局域网中，分组怎样从一台主机传送到另一台主机而不经过路由器转发。局域网属于数据链路层的范围。

数据链路层只管点到点运输，不同种类网络的数据链路层采用不同的数据链路层协议。

3.1 数据链路层的几个共同问题

3.1.1 数据链路和帧

链路是一条无源的无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换节点。一条链路只是一条通路的一个组成部分。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。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。即数据链路和链路的区别是数据链路还有协议

数据链路层把网络层交下来的IP数据报构成帧发送到链路上并且把收到的帧中的数据取出并上交给网络层。——封装成帧

3.1.2 三个基本问题

数据链路层的主要功能

链路管理
帧定界
流量控制
差错控制
将数据和控制信息区分开
透明传输
寻址

其中任何数据链路层都要解决的三个问题：

封装成帧
透明传输
差错控制

封装成帧

封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，就构成了一个帧，确定了帧的定界。也就是在收到的网络层的IP数据报的前后添加首尾部。首尾部的一个重要作用就是帧定界。

当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符（敲不出来）。其中SOH（start）作为首部，表示帧的开始，而EOT（end）作为尾部，表示帧的结束。

透明传输

透明传输就是说需要使数据传输无障碍，如果出现了和帧定界符一样的比特组合，就要想方法解决。

如果说数据部分是文本文件组成的（即非特殊字符），就不会导致数据部分出现定界符。

而如果数据部分是非ASCII码的文本文件（图像、程序）时，如果数据中恰好出现和SOH或EOT一样的字节，链路层就会错误找到帧边界，而把剩下的部分丢弃。

解决透明传输问题的方法是：字节填充（也即字符填充）

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” (其十六进制编码是 1B)。

差错检测

比特差错：比特在传输过程中，1可能变成0，0也可能变成1

误码率：一段时间内传输错误的比特占所传输比特总数的比率

循环冗余检验CRC：

（1）在发送端先把数据划分为组，每组K个比特

（2）假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k =
6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n
位冗余码一起发送。

计算冗余码：

（1）用二进制的模 2 运算进行 2^n乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。

（2）得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为
(n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少 1 位，即 R 是 n 位。

（3）将余数 R 作为冗余码拼接在数据 M 后面发送出去。

在这里进行的模2运算就是指亦或运算，相同为0，不同为1

帧检验序列FCS：即添加的冗余码。

循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS不一样，CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。

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。

也即它们的区别是CRC能得到冗余码FCS，但是冗余码不止能由CRC得到。

用生成多项式表示除数P：

判断接收的数据是否出错：将收到的每一个帧都模2除以同样的除数P，然后检查得到的余数R，这里的P和添加冗余码的P是一样的，即P是发送和接收双方协同规定的。只要判断R≠0，就丢弃。但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。

循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接收，也就是说凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错。

无比特差错与无传输差错是不同的概念，无比特差错是指接收到的数据不会有比特差错，无传输差错也可以出现帧丢失、重复、失序等情况。在数据链路层使用 CRC 检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。

3.2 点对点协议PPP

3.2.1 PPP协议的特点

用户使用拨号电话线接入互联网时，用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议就是 PPP 协议。

PPP协议满足的需求

简单——首要要求
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协议不需要的功能

纠错：不提供使用序号和确认的可靠传输

PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理；在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP
数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的；帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。

流量控制
序号
多点线路
半双工或单工链路

PPP协议的组成（简单了解）

PPP协议有三个组成部分：

（1）一个将IP数据报封装到串行链路的方法

（2）网络控制协议NCP

（3）链路控制协议LCP

PPP的两个不同子层：

NCP：一组协议，每一个协议支持不同的网络层协议，如IP、OSI的网络层、AppleTalk等。
LCP：用来建立、配置和测试数据链路连接

PPP会话的建立：

1.链路建立 2.验证阶段（可选） 3.网络层协议连接

3.2.2 PPP协议的帧格式

PPP帧的首部的第一个字段和尾部的第二个字段都是标志字段（0x7E），表示一个帧的开始或结束，即定界符。

PPP是面向字节的，所有的PPP帧的长度都是整数字节。

PPP中的透明传输问题

信息字段出现和标志字段一样的比特组合时，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。

1.当PPP用在异步传输时，使用字符填充法

把转义字符定义为0x7D，将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为
2 字节序列 (0x7D, 0x5E)；若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列 (0x7D, 0x5D)

2.当PPP用在SONET/SDH链路时，同步传输，使用零比特填充

在发送端，只要发现有5个连续1，即立即填入一个0；接收端对帧中的比特流进行扫描，每当发现5个连续1时，就把这5个连续1后的一个0删除。

3.3 使用广播信道的数据链路层

局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，地理范围和站点数目均有限。

局域网的拓扑结构为：

（在这里，局域网等同以太网）

以太网的两个标准：DIX Ethernet V2是世界上第一个局域网产品的规约；IEEE 802.3是第一个IEEE的以太网标准。

局域网的数据链路层的两个子层是：

逻辑链路控制LLC子层
媒体接入控制MAC子层
与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关。

因为LLC子层在上面而MAC子层在下面，所以对于LLC层来说是透明的。

网卡是实现以太网协议的硬件。

以太网采取了两种重要措施：

（1）采用较为灵活的无连接的工作方式，提供不可靠的交付

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。

（2）以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码

曼彻斯特编码是“低平到高平代表0，高平到低平代表1”。曼彻斯特编码是两个码元即两个比特代表我们看到的一个比特，所以一个数据位由两个曼彻斯特码元组成。

两种媒体共享技术的方法：

（1）静态划分信道

频分复用
时分复用
波分复用
码分复用

静态分配的特点：预先分配给用户；不同用户使用情况不同；不发生信道冲突

静态分配的缺陷：资源分配不合理，不满足用户对资源占用的不同需求；有资源浪费，效率低；信道N等分，延迟时间增大N倍。

静态分配的应用：适于用户数量少且用户数目固定的情况；适于通信量大且流量稳定的情况；不适用于突发性业务的情况。

（2）动态媒体接入控制（多点接入）

随机接入：站点之间争用信道，可能出现站点之间的冲突。
受控接入：站点被分配占用信道，无冲突。

动态分配的特点：信道是开放的；没有预分配。

通过多点接入协议动态分配信道资源，提高信道利用率。

3.3.2 CSMA/CD协议：先听后发、变发边听

CSMA/CD的含义：载波监听多点接入/碰撞检测
多点接入：是总线型网络，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大小。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，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。

最迟需要经过两倍的总线端到端的传播时延（2t），或总线的端到端往返传播时延才能知道自己发送的数据和其他站发送的数据有无发生碰撞。将这个2t认为是最远的两个端点来回的时间。

CSMA/CD的重要特性：

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）。
每个站在发送数据之后的小短时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。
这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。

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2t（端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延2t称为争用期，或碰撞窗口。2t是最远的两端的往返时间。

二进制指数类型退避算法

发生碰撞的站在停止发送数据后，不是等待信道变为空闲后就立即再发送数据，而是退避一个随机的时间。
基本退避时间取为争用期2t，具体的争用期时间是51.2us，对于10Mbit/s以太网，在争用期内可以发送512比特，即64字节，因此也可以说争用期是512比特时间，所以时间与数据率密切相关，可以直接使用比特作为争用期的单位。争用期是512比特，即争用期是发送512比特所需的时间。这里应该注意的是，如果对于100Mbit/s的以太网，争用期为5.12us，这就是以发送比特数为争用期单位。
从整数【0,1,…,2的k次方-1】中随机取一个数，记为r。重传时延就是r倍的基本退避时间。
k=min[重传次数，10]。当k≤10时，参数k等于重传次数。当重传达16次仍不能成功就丢弃该帧。

最短有效帧长：

如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。
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。

强化碰撞：

当发送数据的站一旦发现发生碰撞，则立即停止发送数据，并再继续发送若干比特的人为干扰信号，让所有用户都知道现在发生了碰撞。

CSMA/CD协议要点：

（1）准备发送。从网络层获得分组，加上以太网的首尾部，组成以太网帧。在发送之前，必须先检测信道。

（2）检测信道。若检测到信道忙，则继续不停地检测，一直等待信道转为空闲。若检测到信道空闲，并在 96 比特时间内信道保持空闲（保证了帧间最小间隔），就发送这个帧。

（3）检查碰撞。在发送过程中仍不停地检测信道，即网络适配器要边发送边监听。这里只有两种可能性：

发送成功：在争用期内一直未检测到碰撞。这个帧肯定能够发送成功。发送完毕后，其他什么也不做。然后回到 (1)。
发送失败：在争用期内检测到碰撞。这时立即停止发送数据，并按规定发送人为干扰信号。适配器接着就执行指数退避算法，等待 r 倍 512 比特时间后，返回到步骤 (2)，继续检测信道。但若重传达 16 次仍不能成功，则停止重传而向上报错。

帧间最小间隔：

一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6us才能再次发送数据；这样组都是为了使刚刚收到数据帧地站地接收缓存来得及清理，做好接受下一帧的准备。

3.3.3 使用集线器的星形拓扑

传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。
采用双绞线的以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器 (hub)。

星形以太网10BASE-T

1990年 IEEE 制定出星形以太网 10BASE-T 的标准 802.3i，其中10代表数据率为10Mbit/s，BASE代表基带信号，T代表双绞线。双绞线的两端使用 RJ-45 插头。主机到交换机或集线器间都是用10BASE-T标准，每站间长为100m。

10BASE-5 粗缆，距离500m；10BASE-2，细缆，距离200m；

10BASE-T以太网在局域网中的统治地位：

这种 10 Mbit/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。具有很高的性价比。
10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。

集线器的一些特点：

（1）集线器是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一个传统的以太网（总线型）那样运行。

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

（3）集线器很像一个多接口的转发器，集线器工作在物理层。

（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

发生碰撞，信道资源被浪费，当扣除碰撞造成的信道损失后，以太网总的信道利用率并不能达到100％。
设帧长为 L (bit)，数据发送速率为 C (bit/s)，则帧的发送时间为 T0 = L/C (s)

成功发送一个帧需要占用信道的时间是T0+t，因为当一个站发送完最后一个比特时，这个比特还要在以太网上传播。

参数α与利用率：

要提高以太网信道利用率，就必须减小t与T0之比。
以太网中定义了参数α，它是以太网单程端到端时延t与帧的发送时间T0之比：α=t/T0。
α →0，表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高。
α 越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。

为了提高利用率，以太网的参数α的值应当尽可能小些。故当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则t的数值会太大；以太网的帧长不能太短，否则T0的值会太小，使α值太大。

信道利用率的最大值Smax：

理想化情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是 CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。

发送一帧占用线路的时间是 T0 + t，而帧本身的发送时间是 T0 。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率Smax 为：1/（1+α）。这说明，只有当参数 a 远小于 1 才能得到尽可能高的极限信道利用率。

所以使用集线器的以太网利用率很低。

3.3.5 以太网的MAC层

1.MAC层的硬件地址

局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。如果主机有多个接口（即适配器），这个主机就有多个MAC地址，MAC地址是标识接口的。

48位的MAC地址

IEEE的注册管理机构RA负责向厂家分配地址字段6个字节中的前三个字节（即高位24位），称为组织唯一标识符。

地址字段6个字节中的后三个字节（即低位24位）由厂家自行指派，称为扩展唯一标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。

一个地址块可以生成 2的24次方个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是 EUI-48。

生产适配器时，6 字节的 MAC 地址已被固化在适配器的 ROM，因此，MAC 地址也叫作硬件地址 (hardware address)或物理地址。

“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符 EUI-48。

单站地址，组地址，广播地址：

IEEE规定地址字段的第一字节的最低位为I/G位。当I/G位=0时，地址字段表示一个单站地址。当I/G位=1时，表示组地址，用来进行多播。当I/G位分别为0和1时，一个地址块可分别生成2的24次方个单站地址和2的24次方个组地址。

所有 48 位都为 1 时，为广播地址。只能作为目的地址使用。

全球管理与本地管理：

IEEE 把地址字段第一字节的最低第 2 位规定为G/L位，当 G/L位=0 时，是全球管理，当 G/L位=1 时，是本地管理。

适配器检查MAC地址：

适配器的过滤功能：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收下，然后再进行其他处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。

”发往本站的帧“，包括以下三种：

单播帧（一对一）
广播帧（一对全体）
多播帧（一对多）

所有适配器都至少能识别前两种帧，即能识别单播地址和广播地址。有的适配器可用编程方法识别多播地址。只有目的地址才能使用广播地址和多播地址。

以混杂方式工作的以太网适配器只要听到有帧在以太网上传输就都接收下来。

2.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

最常用的MAC帧是以太网V2的格式

数据字段的长度在46~1500字节之间（46字节是这样得出：最小长度64字节减去18字节的首部和尾部就得出数据字段的最小长度）。如果数据字段的长度小于46字节，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，保证以太网的MAC帧长不小于64字节。

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
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。

IEEE 802.3MAC帧格式

与以太网V2 MAC 帧格式相似，区别在于：

(1) IEEE 802.3 规定的 MAC 帧的第三个字段是“长度 / 类型”。

当这个字段值大于 0x0600 时（相当于十进制的1536），就表示“类型”。这样的帧和以太网V2 MAC 帧完全一样。

当这个字段值小于 0x0600 时才表示“长度”。

(2) 当“长度/类型”字段值小于 0x0600 时，数据字段必须装入上面的逻辑链路控制 LLC 子层的 LLC 帧。

3.4 扩展的以太网

3.4.1 在物理层扩展以太网（主要是集线器）

1.使用光纤扩展

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。很容易使主机和几公里以外的集线器相连接。

2.使用集线器扩展

使用多个集线器可连成更大的、多级星形结构的以太网。

这样做的好处为：

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。
扩大了以太网覆盖的地理范围。

缺点

碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
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

早期使用网桥，现在使用以太网交换机。

网桥工作在数据链路层，根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。

交换式集线器称为以太网交换机或第二层交换机，工作在数据链路层。

1.以太网交换机的特点

以太网交换机实质上是一个多接口的网桥。
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。
以太网交换机具有并行性，能够同时连同多接口，使多对主机同时通信。
相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。
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。
用户独享带宽，增加了总容量。
- 对于普通 10 Mbit/s 的共享式以太网（集线器），若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽 (10 Mbit/s)的 N 分之一。
- 使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是10Mbit/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 个接口的交换机的总容量为 N×10 Mbit/s。

以太网交换机的交换方式：

1.直通方式：接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的 MAC 地址决定该帧的转发接口，因而提高了帧的转发速度；缺点是它不检查差错就直接将帧转发出去，因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站。

2.存储转发方式：把整个数据帧先缓存，检查是否出错，如无错才送往目的端口。有差错控制；交换时延较长。

2.以太网交换机的自学功能（看P102）

最初开机时MAC地址表是空的。
交换机接收到帧后，先查找地址表，没有目的地址，就将源地址和发送端口写入交换表中，并向除了端口1以外的所有端口广播这个帧。

整个过程大概就是说一开始如果没有找到目的地址就要向除了发出端口的所有端口都转发，然后要把源地址写入，后续目的地址是有了，但是每次发出去都还是要写入源地址。

交换表中每个条目都设有一定的有效时间。若两主机在该时间内未通信，该条目将自动被删除。

Mac地址表空间有限，一旦地址表满，就会洪泛所有到新Mac地址的帧，直到现存地址条目老化为止。

交换机的内存有限，如果发送大量错误MAC地址的数据帧对交换机进行攻击，造成内存溢出。

生成树协议

冗余拓扑消除了由于单点故障所引致的网络不通问题。冗余拓扑却带来了广播风暴、重复帧和MAC地址表不稳定的问题。

生成树协议STP的要点是：不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，通过将某些端口置于阻塞状态，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象。

3.从总线以太网到星形以太网

总线以太网使用 CSMA/CD 协议，以半双工方式工作。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，而是以全双工方式工作。但仍然采用以太网的帧结构。

3.4.3 虚拟局域网

虚拟局域网（ VLAN ）：它是将局域网从逻辑上划分为一个个的网段，从而实现虚拟工作组的一种交换技术。

利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)。
虚拟局域网 VLAN 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是属于哪一个 VLAN。
虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。
由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合，使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。

一个VLAN = 一个广播域 = 逻辑网段 (子网)。在同一个网段中前3个数必须相同，否则不可通信，但这种不可通信是逻辑上的，可以通过IP更改而改变，而VLAN是物理上的。

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 (tag)，用来指明发送该帧的计算机属于哪一个虚拟局域网。插入 VLAN 标记得出的帧称为 802.1Q 帧或带标记的以太网帧。