數(shù)據(jù)鏈路層是干嘛的？

網(wǎng)絡(luò)層是研究分組怎樣從一個網(wǎng)絡(luò)通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)鏈路層主要研究在同一個局域網(wǎng)中，分組怎樣從一個主機傳送到另一個主機（不經(jīng)過路由器）

數(shù)據(jù)鏈路層主要使用兩種信道：

點對點信道：使用一對一的點對點通信方式，使用PPP協(xié)議。

廣播信道：使用一對多的廣播通信方式，使用CSMA/CD協(xié)議。

數(shù)據(jù)鏈路層的三個需要解決的基本問題：封裝成幀、透明傳輸、差錯檢測

了解以太網(wǎng)MAC層的硬件地址

適配器、轉(zhuǎn)發(fā)器、集線器、網(wǎng)橋、以太網(wǎng)交換機的作用以及適用場合

兩個主機進行通信時數(shù)據(jù)鏈路層的地位

主機H1通過電話線上網(wǎng)，中間經(jīng)過三個路由器（R1,R2和R3）連接到遠程主機H2。中間經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)可以是多種的。

如下圖中所示的：電話網(wǎng)、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)。

當(dāng)主機H1向H2發(fā)送數(shù)據(jù)時，從協(xié)議的層次上觀察，數(shù)據(jù)的流動如下圖所示。

主機H1和H2都有完整的五層協(xié)議棧，但是由路由器轉(zhuǎn)發(fā)分組時使用的協(xié)議棧只有下面三層。

數(shù)據(jù)進入路由器后先從物理層開始最后上升的網(wǎng)絡(luò)層，在轉(zhuǎn)發(fā)表中查找到下一跳的地址后，再下到物理層轉(zhuǎn)發(fā)出去。

當(dāng)我們專門研究數(shù)據(jù)鏈路層的問題時，我們可以只關(guān)心在協(xié)議棧中水平方向的各個數(shù)據(jù)鏈路層，如下圖所示。

H1的鏈路層---->R1的鏈路層---->R2的鏈路層---->R3的鏈路層---->H2的鏈路層

H1和H2的通信可以看成是由四段不同的數(shù)據(jù)鏈路層通信組成，即：H1--->R1，R1---->R2，R2---->R3，R3---->H2

這四段不同的鏈路層可能采用不同的鏈路層協(xié)議。

使用點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路和幀

首先我們需要區(qū)分什么是鏈路什么是數(shù)據(jù)鏈路

• 鏈路（物理鏈路）：就是從一個結(jié)點到相鄰結(jié)點的一段物理線路（有線或無線），中間沒有任何其他的交換結(jié)點。

兩個計算機之間的通信路徑，往往需要經(jīng)過許多這樣的鏈路。鏈路只是通信路徑的組成部分

• 數(shù)據(jù)鏈路（邏輯鏈路）：數(shù)據(jù)鏈路層上傳輸數(shù)據(jù)，在有物理線路之外，還需要有一些必要的通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。若把實現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路。

數(shù)據(jù)鏈路層一般通過網(wǎng)絡(luò)適配器（硬件和軟件）來實現(xiàn)這些協(xié)議

• 幀：點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。

數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡(luò)層交下來的數(shù)據(jù)構(gòu)成幀發(fā)送到鏈路上，以及把接收到的幀中的數(shù)據(jù)取出并上交給網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元---IP數(shù)據(jù)報（數(shù)據(jù)報、分組、包）

點對點數(shù)據(jù)鏈路層進行通信的主要步驟：

? ? ? ?假設(shè)兩個結(jié)點AB之間進行，則只需關(guān)注這兩個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層

結(jié)點A的數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡(luò)層交下來的IP數(shù)據(jù)報添加首部和尾部封裝成幀

結(jié)點A把封裝好的幀發(fā)送給結(jié)點B的數(shù)據(jù)鏈路層

若結(jié)點B的數(shù)據(jù)鏈路層收到的幀無差錯，則從收到的幀中提取出IP數(shù)據(jù)報上交給上面的網(wǎng)絡(luò)層，否則丟棄這個幀

?

需要解決的三個基本問題

• 封裝成幀

什么是封裝成幀？

在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部，這樣就構(gòu)成了一個幀。

如何封裝成幀？

網(wǎng)絡(luò)層的IP數(shù)據(jù)報傳送到數(shù)據(jù)鏈層就成為幀的數(shù)據(jù)部分。

在幀的數(shù)據(jù)部分的前面和后面分別添加上首部和尾部，就構(gòu)成一個完整的幀。

這個完整的幀就是數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)傳送單元

幀的首部和尾部的作用

1.進行幀界定：接收到物理層上交的比特流后，就能根據(jù)首部和尾部的標(biāo)記，從收到的比特流中識別幀的開始和結(jié)束

2.添加一些必要的控制信息

幀界定

幀的開始和結(jié)束的標(biāo)記使用專門指明的控制字符：

在一個幀的最前面添加SOH(Start Of Header)控制字符，表示幀的首部開始

在一個幀的末尾添加EOT(End Of Transmission)表示幀的結(jié)束。

SOH和EOT只是控制字符的名稱。并不是真正的字符S、O、H（或者E、O、T）。

它們十六進制編碼分別為01（二進制為00000001）04（二進制為00000100）

最大傳送單元MTU(Maximum Transfer Unit)——每一種鏈路層協(xié)議都規(guī)定的所能傳送的幀的數(shù)據(jù)部分長度上限

• 透明傳輸

什么是透明傳輸？

無論什么比特組合的數(shù)據(jù)都能通過這個數(shù)據(jù)鏈路層。也就是說數(shù)據(jù)鏈路層對這些數(shù)據(jù)來說是透明的

怎么實現(xiàn)透明傳輸？

因為幀的開始和結(jié)束的標(biāo)記使用專門指明的控制字符。

因此，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中的任何8比特的組合一定不允許和用作幀界定的控制字符的比特編碼一樣。

為了解決透明傳輸問題，我們就需要解決在數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)的控制字符SOH或者EOT不被解釋為控制字符

解決了以上問題就能實現(xiàn)透明傳輸。

解決辦法：字節(jié)填充或者字符填充

在發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符 SOH 或者 EOT 的前面插入一個轉(zhuǎn)義字符 ESC （其十六進制編碼是1B，二進制是00011011）

如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)在數(shù)據(jù)當(dāng)中，解決方法仍然是在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個轉(zhuǎn)義字符

在接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在把數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除這個插入的轉(zhuǎn)義字符，因此當(dāng)接收端收到連續(xù)兩個轉(zhuǎn)義字符時，就刪除其中前面的一個。

以上操作被稱為字節(jié)填充（byte stuffing）或字符填充（character stuffing）

• 差錯檢測

在傳輸過程中可能會產(chǎn)生差錯，如0變成1，或者1變成0。這稱為比特差錯。

在傳輸過程中沒有出現(xiàn)比特差錯，但出現(xiàn)幀丟失、幀重復(fù)、幀失序這三種情況，則屬于傳輸差錯，比特差錯是傳輸差錯的一種

在一段時間內(nèi)，傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率稱為誤碼率BER(Bit Error Rate)

如何解決比特差錯？

目前在數(shù)據(jù)鏈路層廣泛使用 循環(huán)冗余檢驗CRC（Cyclie Redundancy Check） 的檢錯技術(shù)

原理：在發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后面添加冗余碼

? ? ? ? ? ?在接收端的數(shù)據(jù)鏈路層收到的數(shù)據(jù)以幀為單位進行CRC檢驗

? ? ? ? ? ?檢驗得出的余數(shù)是否為0。是，表示無差錯就接受該幀；不是，表示有差錯，但不確定哪里出錯就丟棄該幀。

為了進行檢錯而添加的冗余碼稱為 幀檢測序列FCS(Frame Check Sequence)

如何解決傳輸差錯？

在CRC檢錯的基礎(chǔ)上，增加幀編號、確認和重傳機制

即：收到正確的幀就要向發(fā)送端發(fā)送確認。

? ? ? ?發(fā)送端在一定的期限內(nèi)若沒有收到對方的確認，就認為出現(xiàn)了差錯，因而就進行重傳，直到收到對方的確認為止。

?

為了提高通信效率，通信質(zhì)量良好的有線傳輸鏈路，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議不使用確認和重傳機制

也就是不要求數(shù)據(jù)鏈路層向上提供可靠傳輸?shù)姆?wù)。如果出現(xiàn)差錯，那么改正的任務(wù)交給上層協(xié)議
?? ??? （如，運輸層的TCP協(xié)議）完成。?? ?

通信質(zhì)量較差的無線傳輸鏈路，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議使用確認和重傳機制，數(shù)據(jù)鏈路層向上提供可靠傳輸?shù)姆?wù)，如無線網(wǎng)絡(luò)

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點對點協(xié)議PPP

由來：因為早期通信線路質(zhì)量不好，因此在數(shù)據(jù)鏈路層使用的協(xié)議是能實現(xiàn)可靠傳輸?shù)?高級數(shù)據(jù)鏈路控制HDLC(High-level Data Link Control)協(xié)議

隨著通信線路質(zhì)量的提高，現(xiàn)在HDLC已經(jīng)很少使用了，改為使用相對簡單的PPP協(xié)議

PPP協(xié)議就是用戶計算機和ISP進行通信所使用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

每一個ISP都從因特網(wǎng)的管理機構(gòu)或從一個更大的ISP申請到一批IP地址。ISP擁有與因特網(wǎng)通過高速通信專線相連的路由器。大的ISP還擁有屬于自己的通信線路，小的ISP則向電信公司租用通信線路。用戶在某一個ISP繳費登記后（或購買了該ISP的上網(wǎng)卡），就可用自己的計算機通過調(diào)制解調(diào)器、電話線路接入到該ISP。用戶在接通ISP后，ISP就分配給該用戶一個臨時IP地址。用戶計算機在獲得了臨時的IP地址后，就成為連接在因特網(wǎng)上的主機，因而就可以使用因特網(wǎng)所提供的各種服務(wù)，當(dāng)用戶結(jié)束通信后，ISP就把剛才分配給該用戶的IP地址收回，以便再分配給后面接通ISP的其他用戶使用。

PPP協(xié)議應(yīng)滿足的需求

• 簡單

因為IEFE設(shè)計的因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中把最復(fù)雜的部分放在TCP協(xié)議中。

網(wǎng)際層協(xié)議IP則相對簡單提供不可靠傳輸，因此下一層的數(shù)據(jù)鏈路層不必提供比IP更復(fù)雜的協(xié)議

因此數(shù)據(jù)鏈路層的幀不需要糾錯、不需要序號、不需要流量控制

• 封裝成幀

PPP協(xié)議必須規(guī)定特殊的字符為幀定界符

• 透明性

PPP協(xié)議必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐该餍?#xff0c;傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中有和定界符一樣的比特組合時，需要解決這個問題（字節(jié)或者字符填充）

• 多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

PPP協(xié)議必須能夠在同一條物理鏈路上同事支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的運行，如IP何IPX等

• 多種類型鏈路

PPP協(xié)議還必須能夠在多種類型的鏈路上運行

• 差錯檢測

能夠?qū)邮斩耸盏降膸M行檢測，并立即丟掉有差錯的幀

• 檢測連接狀態(tài)

能夠自動檢測鏈路是否處于工作狀態(tài)

• 最大傳輸單元

能夠設(shè)置最大傳送單元MTU的標(biāo)準(zhǔn)默認值（MTU的標(biāo)準(zhǔn)默認值為1500字節(jié)）

• 網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商

PPP協(xié)議必須提供一種機制使通信的兩個網(wǎng)絡(luò)層（如兩個IP層）的實體能夠通過協(xié)商通知或能夠配置彼此的網(wǎng)絡(luò)地址

協(xié)商的算法應(yīng)盡可能簡單，并且嫩夠在所有的情況下得出協(xié)商結(jié)果

• 數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商

PPP協(xié)議必須提供一種方法來協(xié)商使用數(shù)據(jù)壓縮算法

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PPP協(xié)議的組成

PPP協(xié)議由三部分組成

1.一個將IP數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法

PPP既支持異步鏈路（無奇偶檢驗的8比特數(shù)據(jù)），也支持面向比特的同步鏈路。

IP數(shù)據(jù)報在PPP幀中就是其信息部分，該大小受MTU控制

2.一個用來建立，配置和測試數(shù)據(jù)鏈路連接的 鏈路控制協(xié)議LCP(Link Control Protocol)

3.一套 網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP(Network Control Protocol)，其中的每一個協(xié)議支持不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，如IP、OSI的網(wǎng)絡(luò)層、DECnet等

?

PPP協(xié)議的幀格式

4個首部字段（分別為1、1、1、2字節(jié)）+信息字段（不超過1500字節(jié)）+尾部字段（分別為2、1字節(jié)）

各字段含義

首部字段：四個字段

第一個字段：標(biāo)志字段 F(Flag)，幀定界符，表示一個幀開始。規(guī)定為0x7E（十六進制的7E，二進制01111110），1字節(jié)。

注意：連續(xù)兩個幀之間只需要一個標(biāo)志字段。如果出現(xiàn)兩個標(biāo)志字段，表示一個空幀，應(yīng)丟棄

第二個字段：地址字段 A。規(guī)定為0xFF（即11111111），1字節(jié)。

第三個字段：控制字段 C。規(guī)定為0x03（即00000011），1字節(jié)。

第四個字段：協(xié)議字段。2字節(jié)。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?規(guī)定協(xié)議字段為0x0021時，PPP幀的信息字段就是IP數(shù)據(jù)報

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?若協(xié)議字段為0xC021時，PPP幀的信息字段就是LCP的數(shù)據(jù)

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?若協(xié)議字段為0x8021時，PPP幀的信息字段就是網(wǎng)絡(luò)層的控制數(shù)據(jù)

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信息字段：長度可變，不超過1500字節(jié)

尾部字段：兩個字段

第一個字段：使用CRC的幀檢驗序列FCS，1字節(jié)。

第二個字段：標(biāo)志字段 F(Flag)。幀定界符，表示一個幀結(jié)束。規(guī)定為0x7E（十六進制的7E，二進制01111110），1字節(jié)。

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字節(jié)填充

信息字段中出現(xiàn)和標(biāo)志字段一樣的比特（0x7E）組合時

需要使用一些方法使這種形式上和標(biāo)志字段一樣的比特組合不出現(xiàn)在信息字段中

當(dāng)PPP使用異步傳輸（逐個字符的傳送）時，把轉(zhuǎn)義字符定義為0x7D（即01111101），并使用字節(jié)填充

1.把信息字段中出現(xiàn)的每一個0x7E字節(jié)轉(zhuǎn)變成2字節(jié)序列（0x7D，0x5E）

2.若信息字段中出現(xiàn)一個0x7D的字節(jié)（即出現(xiàn)了和轉(zhuǎn)義字段一樣的比特組合），則把0x7D轉(zhuǎn)變成2字節(jié)序列（0x7D，0x5D）

3.若信息字段中出現(xiàn)ASCII碼的控制字符（即數(shù)值小于0x20的字符），則在該字符前面加入一個0x7D字節(jié)，并改變該字符的編碼

零比特填充

PPP協(xié)議進行同步傳輸（一連串的比特連續(xù)傳送）時，采用零比特填充的方法來實現(xiàn)透明傳輸

標(biāo)志字段是0x7E，二進制為01111110

1.在發(fā)送端，先掃描整個信息字段（硬件或者軟件）只要發(fā)現(xiàn)有連續(xù)的5個1就立即填入一個0，保證不出現(xiàn)6個連續(xù)的1。

2.在接收端收到一個幀時，先找到標(biāo)志字段 F 確定一個幀的邊界

? ?然后再用硬件對其中的比特流進行掃描

? ?每發(fā)現(xiàn)5個連續(xù)1時，就把這5個連續(xù)1后的一個0刪除

?

PPP協(xié)議的工作狀態(tài)

PPP鏈路初始化過程：

設(shè)備之間無鏈路---------> 物理鏈路----------> LCP鏈路---------->已鑒別的LCP鏈路---------->已鑒別的LCP鏈路和NCP鏈路

?

PPP鏈路的起始和終止?fàn)顟B(tài)永遠是 鏈路靜止(Link Dead)狀態(tài)

此時用戶PC和ISP的路由器之間并不存在物理層的連接

1.當(dāng)用戶撥號接入ISP后，就建立了一條從用戶PC到ISP的物理鏈路。

? ?用戶在屏幕上點擊連接按鈕，路由器就能夠檢測調(diào)制解調(diào)器發(fā)出的載波信息。

? ?雙方就建立了物理層連接，PPP進入 鏈路建立(Link Establish)狀態(tài)。

? ?目的是建立鏈路層的LCP連接

2.用戶PC向ISP發(fā)送一系列的?鏈路控制協(xié)議LCP分組（封裝成多個PPP幀），以便建立連接

? ?LCP開始協(xié)商一些配置選項，發(fā)送LCP的配置請求幀(Configure-Request)

? ?該幀是一個PPP幀，協(xié)議字段設(shè)置為LCP對應(yīng)的代碼，信息字段包含特定的配置請求

? ?LCP的配置選項包括：

? ?鏈路上的最大幀長

? ?所使用的的鑒別協(xié)議(authentication protocol)的規(guī)約（有的話）

? ?不使用PPP幀中的地址和控制字段（因為這兩個字段的值是固定的，沒有任何信息量，可以在PPP幀的首部中省略這兩個? 字節(jié)）

3.這些分組及其響應(yīng)選擇了將要使用的一些PPP參數(shù)

? ?發(fā)送了LCP的配置請求幀后，獲得響應(yīng)。

? ?鏈路的另一端可以發(fā)送以下幾種響應(yīng)中的一種：

? ?配置確認幀(Configure-Ack):所有選項都接受

? ?配置否認幀(Configure-Nak):所有選項都理解但不接受

? ?配置拒絕幀(Configure-Reject):選項有的無法識別或不能接受，需要協(xié)商

? ?協(xié)商結(jié)束后就建立了LCP鏈路，接著就進入 鑒別(Authenticate)狀態(tài)。鑒別狀態(tài)只允許傳送LCP協(xié)議的分組、鑒別協(xié)議的分組、以及監(jiān)測鏈路質(zhì)量的分組。

? ?如果使用口令鑒別協(xié)議PAP(Password Authtication Protocol),則需要發(fā)起通信的一方發(fā)送身份標(biāo)識符和口令，可以允許用戶重試若干次。

? ?需要更好的安全性，則可使用更復(fù)雜的口令握手鑒別協(xié)議CHAP(Challenge-Handshake Authtication Protocol)，在CHAP協(xié)議下，若鑒別身份失敗，則轉(zhuǎn)到 鏈路終止(Link Terminate)狀態(tài)。成功，則進入 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議(NetWork-Layer Protocol)狀態(tài)

4.接著進行網(wǎng)絡(luò)層配置，網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP 給新接入的用戶分配一個臨時的IP地址

? ?PPP鏈路兩端的網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的不同協(xié)議互相交換網(wǎng)絡(luò)層特定的網(wǎng)絡(luò)控制分組。通過同一個PPP協(xié)議進行通信

? ?如：IP協(xié)議，就使用NCP中支持IP的協(xié)議---IP控制協(xié)議IPCP(IP Control Protocol).

? ? ? ? ? 把IPCP分組封裝成PPP幀（協(xié)議字段為0x8021）在鏈路上傳送。

? ? ? ? ??網(wǎng)絡(luò)層配置完后，鏈路進入到 鏈路打開(Link Open)狀態(tài)，此時就可以進行數(shù)據(jù)通信。

此時，用戶就是因特網(wǎng)上的一個有IP地址的主機了

數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，由鏈路的一端發(fā)出終止請求LCP分組(Terminate-Request)請求終止鏈路連接

在收到對方發(fā)來的終止確認LCP分組(Terminate-Ack)后，轉(zhuǎn)到 鏈路終止?fàn)顟B(tài)

當(dāng)調(diào)制解調(diào)器載波停止后，回到 鏈路靜止?fàn)顟B(tài)

通信完畢，NCP釋放網(wǎng)絡(luò)層連接，收回原來分配出去的IP地址，LCP釋放數(shù)據(jù)鏈路層連接，最后釋放物理層連接。

PPP協(xié)議不是一個純粹的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，還包含了物理層和網(wǎng)絡(luò)層的內(nèi)容

?

使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層

廣播信道可以進行1對多通信，局域網(wǎng)使用的就是廣播信道。

局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層

局域網(wǎng)

局域網(wǎng)特點：網(wǎng)絡(luò)為一個單位所擁有，且地理范圍和沾點數(shù)目均有限

優(yōu)點：1.有廣播功能，從一個站點可以很方便的訪問全網(wǎng)。局域網(wǎng)上的主機可以共享連接在局域網(wǎng)上的各種硬件和軟件資源

? ? ? ? ? ?2.便于系統(tǒng)的擴展和逐漸的演變，各設(shè)備的位置可靈活調(diào)整和改變

? ? ? ? ? ?3.提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性、和生存性

局域網(wǎng)按照網(wǎng)絡(luò)拓撲進行分類：星形網(wǎng)（通過集線器）、環(huán)形網(wǎng)、總線網(wǎng)。

為了讓眾多用戶能夠合理而方便地共享通信媒體資源，我們使用共享信道技術(shù)

通過兩種方法來解決：

• 靜態(tài)劃分信道

如：頻分復(fù)用、時分復(fù)用、波分復(fù)用、碼分復(fù)用等。用戶只要分配到了信道就不會和其他用戶發(fā)生沖突。代價高，但不適用于局域網(wǎng)

• 動態(tài)媒體接入控制（也叫多點接入）

信道不在用戶通信時固定分配給用戶，又分為兩類：隨機接入、受控接入

隨機接入：所有用戶隨機發(fā)送信息，但是如果恰巧兩個用戶在同一時刻發(fā)送信息，則會發(fā)生碰撞，因此，必須有解決碰撞的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

受控接入：所有用戶必須服從一定的控制。如：分散控制的令牌局域網(wǎng)和集中控制的多點線路探詢（也叫輪詢）

以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)

以太網(wǎng)：一種基帶總線局域網(wǎng)--演變成-->兩個標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)：DIX Ethernet V2的局域網(wǎng)與 IEEE的802.3標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)

因為商業(yè)原因802委員會制定了幾個不同的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，如802.4令牌總線網(wǎng)、802.5令牌環(huán)網(wǎng)等。

802委員會把數(shù)據(jù)鏈路層拆分成兩個子層：

邏輯鏈路控制LLC(Logical Link Control)子層

媒體接入控制MAC(Medium Access Control)子層

接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在MAC子層，LLC子層則與傳輸媒體無關(guān)

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通過總線可以實現(xiàn)廣播通信方式：當(dāng)一臺計算機發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上所有計算機都能檢測到這個數(shù)據(jù)。

再通過每個計算機的MAC地址和數(shù)據(jù)幀中的目的地址匹配達到廣播中的一對一通信

以太網(wǎng)特點：

以太網(wǎng)提供的服務(wù)是盡最大努力的交付，是不可靠的交付。只處理傳輸差錯，通過CRC檢測。差錯幀則交給高層協(xié)議處理

以太網(wǎng)是隨機接入，通過CSMA/CD（載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）來解決碰撞

以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都是用曼徹斯特編碼的信號

以太網(wǎng)規(guī)定了一個最短幀長為64字節(jié)，即512bit。6+6+2+46+4

因此，凡是長度小于64字節(jié)的幀都是由于沖入而異常中止的無效幀

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適配器的作用

本來是主機箱內(nèi)插入的一塊網(wǎng)絡(luò)接口板（或者是在筆記本電腦中插入一塊PCMCIA卡---個人計算機存儲器卡接口適配器）就是現(xiàn)在的網(wǎng)卡，現(xiàn)在基本都集成在主板上了，適配器上裝有處理器和存儲器（RAM和ROM）

適配器與局域網(wǎng)之間的通信通過電纜或雙絞線等以串行方式進行

適配器與計算機之間的通信則通過I/O總線以并行傳輸方式進行

因此，適配器的一個重要作用就是進行數(shù)據(jù)串行傳輸和并行傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換，通過安裝緩存來提高效率

適配器收到正確的幀，就使用中斷來通知該計算機并交付協(xié)議棧中的網(wǎng)絡(luò)層

計算機要發(fā)送IP數(shù)據(jù)報時，就由協(xié)議棧把IP數(shù)據(jù)報向下交給適配器，組裝成幀后發(fā)送到局域網(wǎng)

注意：計算機的硬件地址就在適配器的ROM中。

? ? ? ? ? ?計算機的軟件地址——IP地址則在計算機的存儲器中

CSMA/CD協(xié)議

CSMA/CD（載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）

多點接入：表明是總線型網(wǎng)絡(luò)

載波監(jiān)聽：就是檢測信道。不管在發(fā)送前，還是發(fā)送中，每個站都必須不停地檢測信道

發(fā)送前檢測信道，是為了獲取發(fā)送權(quán)，如果檢測出已經(jīng)有其他站在發(fā)送，則自己就暫時不許發(fā)送數(shù)據(jù)，必須要等到信道變?yōu)榭臻e時才能發(fā)送。

發(fā)送中檢測信道，是為了及時發(fā)現(xiàn)有沒有其他站的發(fā)送和本站發(fā)送的碰撞，這就是碰撞檢測。

碰撞檢測：也就是邊發(fā)送邊監(jiān)聽。即適配器邊發(fā)送邊檢測信道上的信號電壓的變化情況，以便判斷自己在發(fā)送數(shù)據(jù)時其他站是否也在發(fā)送數(shù)據(jù)。

由此可見，在使用CSMA/CD協(xié)議時，一個站不可能同時進行發(fā)送和接收（但必須邊發(fā)送邊監(jiān)聽信道）。

因此使用CSMA/CD協(xié)議的以太網(wǎng)不可能進行全雙工通信，只能進行雙向交替通信（半雙工通信）

以太網(wǎng)的MAC層

硬件地址、又叫物理地址或MAC地址（因為這種地址用在MAC幀中）

名字指出我們所要尋找的那個資源，地址指出那個資源在何處，路由告訴我們?nèi)绾蔚竭_該處

MAC地址：6字節(jié)（48位）的全球地址，局域網(wǎng)上的每一臺計算機中固化在適配器的ROM中的地址

前三個字節(jié)由IEEE的注冊管理機構(gòu)RA(Registration Authority)分配，廠家必須購買

后三個字節(jié)則由廠家自行分配。

最后得到的48位的地址稱為EUI-48（擴展的唯一標(biāo)識符 Extended Unique Identifier）

第一字節(jié)最低位為I/G位（Individual/Group）：為0表示一個單個站地址，為1表示組地址

第一字節(jié)的最低第二位為G/L位（Global/Local）：為0表示全球管理，是向IEEE的RA購買的。為1表示本地管理，用戶可以任意分配網(wǎng)絡(luò)上的地址，以太網(wǎng)幾乎不理會這個G/L位

字節(jié)順序有兩種：

第一種：就是把每個字節(jié)的最低位寫在最左邊（最左邊的最低位是第一位），IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)就是采用這種記法

第二種：是把每一個字節(jié)的最高位寫在最左邊（最左邊的最高位時第一位）

兩種記法都是按照順序傳輸?shù)?/strong>

適配器從網(wǎng)絡(luò)上每收到一個MAC幀就先用硬件檢查MAC幀中的目的地址。

如果是發(fā)往本站的幀就收下，進行其他處理；否則就丟棄，不做其他處理。

發(fā)往本站的幀有三種：

1.單播（unicast）幀（一對一）：收到的幀的MAC地址與本站的硬件地址相同

2.廣播（broadcast）幀（一對全體）：發(fā)送給本局域網(wǎng)上的所有站點的幀（全1地址）

3.多播（multicast）幀（一對多）：發(fā)送給本局域網(wǎng)上一部分站點的幀

所有適配器必須能夠識別單播和廣播地址。有的適配器可用編程方法識別多播地址

只有目的地址才能使用廣播地址和多播地址

以太網(wǎng)適配器還能設(shè)置一種特殊工作方式，混雜方式

即：只要聽到有幀在以太網(wǎng)上傳輸就都悄悄的接收下來，不管這些幀發(fā)往哪個站。

這樣做就是竊聽其他站點的通信而不終端其他站點的通信

嗅探器就是用了設(shè)置為混雜方式的網(wǎng)絡(luò)適配器

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MAC的幀格式

以太網(wǎng)的MAC幀格式有兩種標(biāo)準(zhǔn)：

DIX Ethernet V2標(biāo)準(zhǔn)（即以太網(wǎng)V2標(biāo)準(zhǔn)）

IEEE的802.3標(biāo)準(zhǔn)

其中，使用最多的是以太網(wǎng)V2標(biāo)準(zhǔn)的MAC幀格式。而且現(xiàn)在市場上流行的基本都是以太網(wǎng)V2的MAC幀格式。

以太網(wǎng)MAC幀格式組成

由五個字段組成：

目的地址字段（6字節(jié)）+源地址字段（6字節(jié)）+類型字段（2字節(jié)）+數(shù)據(jù)字段（MTU46-1500字節(jié)之間）+FCS（4字節(jié)）

如果MAC幀格式中數(shù)據(jù)字段小于46字節(jié)，則MAC子層會在數(shù)據(jù)字段的后面加入一個整數(shù)字節(jié)的填充字段，來保證MAC幀長不小于64字節(jié)

上一層協(xié)議如何知道填充字段的長度呢？

在IP協(xié)議中，其首部就有一個總長度字段。因此總長度加上填充字段應(yīng)等于MAC幀數(shù)據(jù)字段的長度。

在實際傳送中還會在MAC幀前面插入8個字節(jié)，分為兩個字段

第一個字段：前同步碼（1和0的交替碼）

作用：來讓接收端的適配器在接收MAC幀時能夠迅速地調(diào)整其時鐘頻率，使它和發(fā)送端的時鐘同步

第二個字段是幀開始定界符，定義為10101011

它的前6位和前同步碼一樣，最后兩個連續(xù)的1就是告訴接收端的適配器MAC幀的信息要來了，請注意接收

注意：以太網(wǎng)上的傳輸單位是? 幀

? ? ? ? ? ?各幀之間還必須有一定的間隙。

? ? ? ? ? ?因此，接收端只需要找到幀開始定界符就可以了。不需要使用幀結(jié)束符定界符，也不需要插入字節(jié)來保證透明傳輸

無效MAC幀的情況：

1.幀的長度不是整數(shù)個字節(jié)

2.用收到的幀檢驗序列FCS查出偶差錯

3.收到的幀的MAC客戶數(shù)據(jù)字段打長度不在46-1500字節(jié)之間。MAC幀長度不在64-1518字節(jié)之間

無效的MAC幀則進行丟棄，不進行重傳

在數(shù)據(jù)鏈路層擴展以太網(wǎng)

需要使用網(wǎng)橋

網(wǎng)橋

網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，它根據(jù)MAC幀的目的地址對收到的幀進行轉(zhuǎn)發(fā)和過濾

當(dāng)網(wǎng)橋接收到一個幀時，先檢查此幀的目的地址（目的MAC地址），然后再確定將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個接口，或者是把它丟棄（過濾）

網(wǎng)橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

最簡單的網(wǎng)橋有兩個接口。復(fù)雜的網(wǎng)橋可以有更多的接口。

兩個以太網(wǎng)通過網(wǎng)橋連接起來后，就成為一個覆蓋更大的以太網(wǎng)，原來的每個以太網(wǎng)就可以稱為一個網(wǎng)段（segment）

上圖中接口1和接口2各連接到一個網(wǎng)段

網(wǎng)橋依靠轉(zhuǎn)發(fā)表來轉(zhuǎn)發(fā)幀，轉(zhuǎn)發(fā)表也叫轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫或路由目錄。

如：網(wǎng)橋從接口1收到A發(fā)給E的幀，則在查找轉(zhuǎn)發(fā)表后，把這個幀送到接口2轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)段，使E能夠收到這個幀

若網(wǎng)橋從接口1收到A發(fā)給B的幀，就丟棄這個幀，因為轉(zhuǎn)發(fā)表中，轉(zhuǎn)發(fā)給B的幀應(yīng)當(dāng)從接口1轉(zhuǎn)發(fā)出去，而現(xiàn)在是從接口1中接收到的幀，說明A和B在同一個網(wǎng)段中，B能夠直接收到這個幀而不需要借助于網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)

注意：網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)幀時，不改變幀的源地址

網(wǎng)橋內(nèi)部的接口管理軟件和網(wǎng)橋協(xié)議實體來完成上述操作

網(wǎng)橋的好處：

1.過濾通信量，增大吞吐量

2.擴大物理范圍

3.提高了可靠性

出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，一般只影響個別網(wǎng)段

4.可互聯(lián)不同物理層，不同MAC子層和不同速率的以太網(wǎng)

網(wǎng)橋的缺點：

1.增加時延

因為需要對接收的幀進行存儲和查找轉(zhuǎn)發(fā)表，轉(zhuǎn)發(fā)之前還需要進行CSMA/CD算法

2.導(dǎo)致廣播風(fēng)暴

網(wǎng)橋只適用于用戶數(shù)不太多（不超過幾百個）和通信量不太大的以太網(wǎng)，否則會因為傳播過多的廣播信息產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)阻塞

透明網(wǎng)橋

目前使用的最多的網(wǎng)橋，即，以太網(wǎng)上的站點并不知道所發(fā)送的幀將經(jīng)過哪幾個網(wǎng)橋

網(wǎng)橋是按照存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式工作的，一定是先把整個幀收下來再進行處理，不管氣目的地址是什么。

集線器或轉(zhuǎn)發(fā)器是逐比特轉(zhuǎn)發(fā)

透明網(wǎng)橋是一種即插即用（plug-and-play device），只要把網(wǎng)橋加入到局域網(wǎng)中，不用人工配置轉(zhuǎn)發(fā)表網(wǎng)橋就能工作

網(wǎng)橋通過自學(xué)習(xí)算法處理收到的幀（這樣逐步建立轉(zhuǎn)發(fā)表），使用生成樹（spanning tree）算法確保任何兩個站之間只有一條路徑

自學(xué)習(xí)算法原理：

網(wǎng)橋只要每收到一個幀，就記下其源地址和進入網(wǎng)橋的接口，作為轉(zhuǎn)發(fā)表中的一個項目

注意：轉(zhuǎn)發(fā)表中并沒有“源地址”一欄，只有“地址”一欄。

在建立轉(zhuǎn)發(fā)表時，是把幀首部中的源地址寫在“地址”一欄下面

在轉(zhuǎn)發(fā)幀時，根據(jù)收到的幀的首部中的目的地址來轉(zhuǎn)發(fā)的。

網(wǎng)橋自學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)幀的一般步驟：

1.網(wǎng)橋收到幀后先進行自學(xué)習(xí)。查找轉(zhuǎn)發(fā)表中與收到幀的源地址有無想匹配的項目。如沒有，就在轉(zhuǎn)發(fā)表中增加一個項目（源地址、進入的接口和時間）如有，則把原有的項目進行更新

2.轉(zhuǎn)發(fā)幀。查找轉(zhuǎn)發(fā)表中與收到幀的目的地址有無相匹配的項目。如沒有，則通過所有其他接口（除了進入網(wǎng)橋的接口）進行轉(zhuǎn)發(fā)。如有，則按轉(zhuǎn)發(fā)表中給出的接口進行轉(zhuǎn)發(fā)，若轉(zhuǎn)發(fā)表中給出的接口就是該幀進入網(wǎng)橋的接口，則丟棄這個幀

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的网络-数据链路层回顾的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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