03-局域網數據鏈路層原理與技術

1. 數據鏈路層概述

本章主要是局域網的數據鏈路層的技術標準

主要是以太網的介質和無線網的介質兩大類。

是一個直連線路上的介質控制，在無線路由器上，會有不同的第二層(手機到路由器，路由器到遠端)，數據鏈路層只能在一個網段，不能跨鏈路

1.1. 物理層和數據鏈路層的區(qū)別

第一層第二層

無法與上層通信	通過LLC與上層通信
無法確定哪臺主機將會傳輸或接受二進制數據	通過MAC確定
無法命名或標識主機	通過尋址或命名過程來實現
僅僅能描述比特流	通過幀來組織/分組比特

1.2. 數據鏈路層 Data Link Layer

問題：如何在不穩(wěn)定(instable)的鏈路上正確傳輸數據？

數據鏈路層提供

• 網絡介質訪問:
• 跨媒體物理傳輸(transmission):

第二層協(xié)議明確了

• 在鏈路上交換的數據格式
• 鏈路上的兩個節(jié)點的行為

在數據鏈路層，過程就是協(xié)議。

在兩端校驗，幀是否是正確的，或者是不正確的，如果正確交付第三層，否則進行相應的處理

1.3. 局域網和數據鏈路

主要工作

• 錯誤識別(notification)
• 網絡拓撲(Network topology)
• 流控制(Flow control)

第一層和第二層的不同:

• 第一層不可以訪問更高層(upper-level layers)，而第二層是通過邏輯鏈路(Logical Link Control)控制進行
• 第1層無法決定哪個主機將發(fā)送(transmit)或接收(receive)來自組的二進制數據；第2層使用媒體訪問控制(MAC)做到這一點，共用總線鏈路
• 第1層無法命名或識別計算機；第2層使用尋址(或命名)過程，以太網場景下
• 第1層只能描述比特流；第2層使用成幀對比特進行組織或分組。

1.4. 第二層提供的服務

提供給網絡層的三層服務

(最弱，最不靠譜的)沒有確認(acknowledgement)的無連接(Connectionless)服務

• 發(fā)送取出就行，不用等收到確認
• 可靠(Reliable)的鏈接(上層以確保數據正確性)
• 實時任務，比較高效
• 適用于大多數局域網

帶有確認的無連接服務：不可靠的鏈接，例如無線網絡：需要保證一定的通信質量(比如無線網絡的傳輸)，同時會損失一定的性能。

帶有確認的連接服務

• 比如藍牙:需要先確定綁定關系才能進行通信
• 手機和手機之間的藍牙連接需要確定一些信息

三種服務的連接的不同和區(qū)別:

無線連接和有線連接相比多了確認的過程

網線連接:我們通信的對象是路由器，由路由器進行轉發(fā)

PPPoP是路由器和遠端的服務器的連接

有線無線都接給路由器，都需要連接，但是無線網相對有線網需要確認(包確認)

1.5. 常見的局域網的介質訪問控制(Media Access Control)

以太網(Ethernet):邏輯總線拓撲(信息流在線性總線上)和物理星形或擴展星形(連線為星形)

令牌環(huán)(Token Ring):邏輯環(huán)拓撲(信息流在一個環(huán)中)和物理星形拓撲(以星形連接)

FDDI(光纖分布式數據接口):邏輯環(huán)拓撲(信息流在一個環(huán)中)和物理雙環(huán)拓撲(作為雙環(huán)連接),光纖作為傳輸介質，曾經很常用，后來被以太網有線接入逐漸替代

1.6. 介質訪問控制方法(Access Methods)

1.6.1. 兩大類介質訪問控制方法

確定性輪流(Deterministic—taking turns):Token Ring and FDDI(Fiber Distributed Data Interface，光纖分布式數據接口)

爭用式(Non-deterministic (probabilistic))

非確定性(概率性)-先到先得 first come, first sesrved

Ethernet/802.3

70年代，Norman Abramson設計

Pure ALOHA: 純ALOHA協(xié)議

• 主機任何時候都可以發(fā)送數據
• 如果發(fā)生沖突，延遲一段時間再發(fā)送

Slotted ALOHA: 分段ALOHA協(xié)議

• 把信道在時間上分段。主機任何時候都發(fā)送數據，但是必須等待下一個時間分段的開始才開始發(fā)送
• 如果發(fā)生沖突，延遲一段時間再發(fā)送

1.6.2. 確定性輪流 Deterministic MAC Protocols

特殊數據令牌在環(huán)中循環(huán)(circulates)。

當主機收到令牌時，它可以傳輸數據而不是令牌。這稱為奪取(seizing)令牌。

當發(fā)送(transmitted)的幀返回到發(fā)送器時，站點將發(fā)送新令牌； 框架已從環(huán)上卸下或脫落(stripped)。

1.6.3. 非確定性MAC協(xié)議 Non-Deterministic MAC Protocols

此MAC協(xié)議稱為帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)(重要考點)

為了使用這種共享介質(shared-medium)技術，以太網允許網絡設備為傳輸權進行仲裁(arbitrate)。

適用于總線結構的以太網。

1.7. 局域網數據傳輸(Transmitison)方式:三種

單播(unicast)-將單個數據包從源發(fā)送到網絡上的單個目標

多播(multicast)-由發(fā)送到網絡上特定節(jié)點子集的單個數據包組成，這些節(jié)點都有同樣的進程進行響應

廣播(broadcast)-由單個數據包組成，該數據包傳輸到網絡上的所有節(jié)點。(廣播的目的地址是0x11111111)

2. 以太網 和 帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問 Ethernet and CSMA/CD

2.1. 邏輯鏈路(Logical Link Control)和介質訪問控制(Media Access Control)子層

無緣電纜的方式傳播電波:以太網

幀傳播速度提高了

幀的標準沒有改變

2.1.1. 局域網標準

定義物理媒體和用于將設備連接到媒體的連接器

在數據鏈路層定義設備的通信方式

數據鏈路層定義了如何在物理介質上傳輸數據。

數據鏈路層還定義了如何封裝(encapsulate)特定于協(xié)議的流量(traffic)，以使去往不同上層協(xié)議的流量在到達堆棧時可以使用相同的通道。

IEEE 802.2對應LLC，以太網則覆蓋物理層和鏈路層

IEEE將數據鏈路層分為兩部分：

媒體訪問控制(MAC)(轉換為媒體)

邏輯鏈路控制(LLC)(過渡到網絡層)

乍一看，IEEE標準似乎以兩種方式違反了OSI模型。

首先，它定義自己的層(LLC)，包括其接口等。

其次，看來MAC層標準802.3和802.5跨越了第2層/第1層接口。

• 802.5 令牌環(huán)網
• 802.3 覆蓋了物理層和第二層下半層

但是，802.3和802.5定義了用于構建特定技術的命名，框架和媒體訪問控制規(guī)則，都規(guī)范了對應的方案，不同方案不同解決標準

2.1.2. MAC & LLC

MAC子層(802.3)

• 定義如何在物理線路上傳輸幀(frames)
• 處理物理尋址
• 定義網絡拓撲
• 定義線路規(guī)則(discipline)

LLC 子層(802.2)

• 邏輯上標識不同的協(xié)議類型，然后將其封裝，兼容不同介質的訪問
• 使用SAP標識符執(zhí)行邏輯標識，用來做發(fā)送的位置的標識
• LLC幀的類型取決于上層協(xié)議期望的標識符，對于上層服務進行支持
• LLC已經比較規(guī)范了，后來有的廠商已經放棄繼續(xù)做

2.2. Media Access Control Sublayer 介質訪問控制子層

以字節(jié)為單位進行幀結構描述

有802.3的規(guī)范和以太網的規(guī)范

MAC 介質訪問控制子層的幀結構

2.2.1. 前同步碼

從1和0的交替(alternating)模式開始，稱為前同步碼(preamble)。前同步碼是(0x10101011)，前導碼是(0x10101010)

• 告訴接收方，要來數據了，因為不是預約發(fā)數據的模式，這個碼就是為了保證對方有相應準備時間，前面7個自己是0x10101010，最后一個是0x10101011(用于進行時鐘同步)
• 使用曼徹斯特編碼的方案，無傳輸的時候是0電平的

前同步碼告訴接收站一幀即將到來。

2.2.2. 目標和源物理地址字段

源地址：始終是單播地址

目的地址：單播地址，組播地址或廣播地址

MAC地址：6個字節(jié)目的地址(Dest.add) 6個字節(jié)源地址(Source.add.)，和第三層第四層報文有差別

先看目的地址的好處:交換機等看到目的地址就可以進行判斷，提高效率

2.2.3. 長度字段

長度字段指示在該字段之后且在幀檢查序列字段之前(precede)的數據字節(jié)數。

2個字節(jié)長，早期規(guī)范放的是長度,指定數據長度，以太網2標準下則是使用type來完成這部分內容，指定后面的DATA是IP還是IPX的報文數據。

沒有長度也可以計算出來長度，通過有電平長度就可以計算出數據的長度

數據長度的限制(46-1500字節(jié))，以太網的幀長度不能長于1518字節(jié)

為了避免歧義，只要保證Length的數據大于數據報的最大長度即可保證是表示type，保證和之前兼容

2.2.4. 數據字段

數據字段包含您要發(fā)送的信息。

數據的長度為46(18 + 46 = 64字節(jié))-1500字節(jié)，幀的大小至少是64個字節(jié)，如果數據太短需要補充0才能生成data，前引導碼不算幀長度

最前面8個字段不算幀的內容

4個64字節(jié)大小幀同時發(fā)送才能保證占據全部的鏈路，100m鏈路，用512us，就是512bit

2.2.5. FCS字段

FCS字段(四個字節(jié))包含循環(huán)冗余校驗(cyclic redundancy check)值

固定4字節(jié)

發(fā)送設備創(chuàng)建CRC

接收設備重新計算CRC，以檢查在傳輸(transit)過程中可能對幀造成的損壞(damage)。

發(fā)送方用有效幀的內容除以一個數字，取得的余數放到這個位置，進行發(fā)送，接收方。也會將這個幀的內容除以那個數，然后將得到的進行比較，判斷是否出現錯誤。

FCS正確不一定能保證數據是正確的，幾次錯誤后導致FCS還是正確的，但是這種出錯率比較低

CRC錯誤在不同情況下不同處理:有時候是直接拋棄，有時候還要再校驗一下。

2.3. LLC 邏輯鏈路控制子層

邏輯鏈路控制(LLC)子層通過單個鏈路管理設備之間的通信

LLC在IEEE 802.2規(guī)范中定義，并且支持無連接和面向連接(connect-oriented)的服務。

LLC子層允許部分數據鏈接層獨立于現有技術運行,單個LLC子層可以與不同的MAC子層兼容(compatible)。

LLC子層基有面向連接的，也有不面向連接的，也就是既可以是進行總線服務，也可以實現令牌環(huán)路

LLC為什么被棄用了?因為局域網的正確率比較高，不需要LLC來進行守護，避免拖累速度和效率，而這部分也已經被第四層完成了

藍牙等特殊連接，直到第二層就已經結束，所以就需要使用LLC來完成

有無連接是在LLC部分執(zhí)行的，無法在MAC上進行處理的

2.3.1. LLC子層：封裝

LLC子層服務上層，LLC會放在packet前面，然后再做一次封裝。

第二次封裝則為LLC子層向MAC子層請求封裝操作。

如上的過程如下：

LLC獲取網絡協(xié)議數據(數據包，packet)，并添加更多控制信息以幫助將數據包傳遞到其目的地。

它添加了802.2規(guī)范的兩個尋址組件，以在每一端標識上層協(xié)議：

• 目標服務訪問點(DSAP)
• 源服務訪問點(SSAP)

然后，此重新打包的數據將傳輸到MAC以進一步封裝數據。

基于SAP規(guī)范進行地址和分配。

提供了

無確認的無連接服務，被使用在

可靠鏈路(上層來保證數據正確性)

實時任務

大多數的局域網內

有確認的無連接服務，被使用在，不可靠鏈路，比如無線網

確認的有連接服務

2.4. MAC子層上的介質訪問控制

2.4.1. 十六進制數(Hexadecimal)作為MAC地址

MAC地址為48位，始終表示為12個十六進制數字。

IEEE管理的前6個十六進制數字(從左到右)標識制造商(manufacturer)或銷售商(供應商)，并包括組織唯一標識符(OUI)。

• OUI是生產的廠商，比如0060CF就是Cisco的，然后可以使用后面24個bit進行自己的編碼
• 一個廠商是可以買多個OUI的，也可以幾個單位買一個OUI
• 第一個bit取0表示這個地址是一個單播地址，取1則是表示是一個多播地址。
• 第二個bit取0表示這個地址是全球唯一地址，取1則表示是一個地址唯一地址

其余的6位十六進制數字包括接口序列號，由特定供應商管理。

2.4.2. 以太網802.3廣播

廣播

• 目標MAC：全1(FFFF.FFFF.FFFF)
• 保證所有的設備都能收到這個地址
• 會導致非目的主機進行地址解析

廣播會不必要地打斷電臺(stations)，從而嚴重影響電臺的性能

因此，僅在以下情況下才應使用廣播：

• 目的地的MAC地址未知
• T目的地是所有主機

非必要情況下我們不希望有很多廣播，有可能會導致廣播風暴

2.4.3. 以太網操作

以太網是廣播網絡，也就是說，每個站都可以看到所有幀，而不管它們是否是目的地

通過MAC地址判斷站點是否為目的地

目標站在OSI層上發(fā)送數據。其他節(jié)點丟棄(discard)幀

上圖中1是總線拓撲，1發(fā)送的數據幀會傳達給所有在這個總線上的設備，非目的主機檢查目的地址和本機MAC地址不同，則會將該幀丟棄。

2.4.4. 廣播操作步驟

聽然后傳送

廣播 jam 信號

• 是一個32bit的全1的數據幀表示出現了沖突
• 標準思科認為是所有偵聽的設備都會發(fā)送

發(fā)生碰撞(Collision)

• 兩個設備同時使用鏈路發(fā)送電信號，則會出錯。
• 如果有沖突，則會一直偵聽總線，等到空閑則可以組織數據幀發(fā)送
• 還有問題就是多臺主機同時進行組織數據幀進行發(fā)送
• 因為同時還在偵聽總線，如果出現沖突，則會發(fā)出jam信號，只要有0或者1傳輸，有電平則會表示使用

設備退回(back off)適當的時間，然后重新傳輸(retransmit),發(fā)生沖突的設備，根據特定的回退算法

為什么64個字節(jié)才能搶線路？

• 10M以太網，64個字節(jié)才能在512us中傳輸滿整個100m的線路

2.4.5. 以太網的CSMA/CD

首先設備要發(fā)送數據

開始偵聽鏈路是非忙，如果忙，則過一陣來再看看

如果不忙，則開始準備發(fā)送

• 如果有錯誤，則到9，表示有沖突發(fā)送，廣播一個jam sighnal，把自己嘗試的次數 + 1(重發(fā)有一定限度)
• 嘗試次數過多，會像上層協(xié)議傳輸網絡不可用
• 嘗試次數還可，則到13計算一個回退時間，來再次嘗試，回退時間單位，會保證A和D的時間差能保證第一個人已經用完電路來避免沖突。

如果沒有錯誤，則一直傳輸到結束為止

3. 無線局域網和CSMA/CA

3.1. 無線(Wireless)局域網

無線局域網

• 基于單元的通信
• 電臺發(fā)送的信號只能被附近的電臺接收
• 短距離傳輸

無線局域網標準

• IEEE 802.11
• IEEE 802.11b
• IEEE 802.11a
• IEEE 802.11g
• IEEE 802.11n

無線局域網分為兩類

有基礎設施拓撲網絡(Infrastructure mode)

無基礎設施拓撲網絡(ad-hoc mode)

基礎設施是提前建設好的基站，可以覆蓋一定的區(qū)域

無線網卡和基礎設施通信

3.1.1. 虛擬載波監(jiān)聽

源站把它要占用信道的時間(包括目的站發(fā)回確認幀所需的時間)寫入到所發(fā)送的數據幀中(即在首部中的持續(xù)時間中寫入需要占用信道的時間，以微秒為單位，一直到目的站把確認幀發(fā)送完為止)，以便使其他所有站在這一段時間都不要發(fā)送數據。

當站點檢測到正在信道中傳送的幀中的持續(xù)時間時，就調整自己的(Network Allocation Vector，NAV網絡分配向量)。NAV指出了信道處于忙狀態(tài)的持續(xù)時間。

為什么信道空閑還要再等待呢?就是考慮可能有其他站點有高優(yōu)先級的幀要發(fā)送。如有，就讓高優(yōu)先級幀先發(fā)迭。等待的時間就是IFS(Inter-Frame Space，幀間間隔)。

SIFS(Short Inter-Frame Space，短幀間間隔)最短

PIFS(Point Inter-Frame Space，點協(xié)調功能幀間間隔)其次

DIFS(Distributed Inter-Frame Space，分布協(xié)調功能幀間間隔)最長。

實際吞吐量

因為源站點發(fā)出幀后，接收節(jié)點需要返回確認幀(ACK)。這將導致吞吐量降到帶寬的一半

還受到信號強度的影響，當信號變弱之后，將會發(fā)起ARS(Adaptive Rate Selection，自適應速率選擇)，傳輸單元會將傳輸速率從11 Mbps降到5.5 Mbps，或5.5到2，或2到1

3.1.2. 無線局域網標準

IEEE 802.11

• 一項關鍵技術：直接序列擴頻(DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum)
• DSSS適用于在 1 到 2 Mbps范圍內運行的無線設備，上面的這個速率在實際生活場景中要除以2，因為無線通信都是有確認的，所以一般我們認為信道一來一回才有一次通信。
• DSSS可以高達11 Mbps的速度運行，但在2 Mbps以上時將不被視為兼容
• 也稱為 Wi-Fi?，無線保證度，是星型拓撲，基站作為中心

IEEE 802.11b(Wi-Fi)

• 傳輸能力提高到11 Mbps
• 所有802.11b系統(tǒng)都向后兼容(backward compliant)，因為它們還僅針對DSSS支持1和2 Mbps數據速率的802.11。
• 通過使用與802.11不同的編碼技術來實現(Achieves)更高的數據吞吐率
• 在2.4 GHz內運行，解決了802.11中出現的部分問題
• 使用的是高速直連方案

IEEE 802.11a

• 涵蓋在5 GHz傳輸頻帶中運行的WLAN設備，運行在5Hz上
• 802.11a能夠提供54 Mbps的數據吞吐量，并且采用稱為"速率加倍"的專有技術已達到108 Mbps。
• 實際上，更標準的等級是20-26 Mbps。
• 傳播距離相比802.11和802.11b短(衰減強)，但是對于多用戶上網的支持更好了。
• 使用正交頻分復用技術。

IEEE 802.11g

• 可以提供與802.11a(54Mbps)相同的功能，但具有802.11b的向后兼容性
• 使用**正交頻分復用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)**技術。

IEEE 802.11n: 下一代的WLAN

• 提供的帶寬是802.11g的兩倍，即108Mbps，理論上可達500-600Mbps。實際上是100M左右
• 目前使用比較多的方案。

3.1.3. 無線網絡拓撲

這里講的是有基礎設施的無線網絡拓撲結構

DS:分配系統(tǒng)，線

上網還要通過網關

3.1.4. 無線網絡的基礎設施

基本服務集(BSS)包括一個基站(BS)和幾個無線主機

• 所有主機都可以在本地BSS中直接相互通信
• 基站中兩個主機之間是不直接互相通信的。
• 同一個BSS中的主機間直接通信

接入點(AP)充當基礎架構模式的基站(BS)

• AP硬連線到有線(cabled)局域網，以提供Internet訪問和與有線網絡的連接
• 安裝AP后，將分配服務集標識符(SSID)和通道
• 單元格的范圍是91.44至152.4米(300至500英尺)
• 覆蓋大概100m左右

一個BSS可以通過分發(fā)系統(tǒng)(DS)連接到另一個BSS，并構造一個擴展服務集(ESS)。

家里的路由器既有AP的功能又有路由器功能，但是理論上只應該是AP的功能，一般我們認為家用路由器是一個AP

3.2. 訪問過程(Accessing Procedure)

在WLAN中激活客戶端時，它將開始"偵聽"與之"關聯(lián)"的兼容設備

這被稱為"掃描"

• 主動掃描
• 被動掃描

需要和AP連接，才能向AP發(fā)送數據幀。

3.2.1. 主動掃描

導致從尋求加入網絡的無線節(jié)點發(fā)送探測(probe)請求。

探測請求將包含它希望加入的網絡的服務集標識符(SSID)

當找到具有相同SSID的AP時，該AP將發(fā)出探測響應

身份驗證和關聯(lián)步驟已完成

移動端發(fā)出請求幀，但是AP不發(fā)送自己的信息

AP比較安全。不用發(fā)送出自己的SSID

3.2.2. 被動掃描

(ad hoc) 偵聽由AP(基礎結構模式)或對等節(jié)點(ad hoc)傳輸的信標管理幀(beacon management frames)，包含自己的SSID信息

當節(jié)點接收到包含要嘗試加入的網絡的SSID的信標時，將嘗試加入該網絡。

被動掃描是一個連續(xù)的過程，并且隨著信號強度的變化，節(jié)點可能會與AP關聯(lián)或分離，也是因為強度變化，所以連接狀態(tài)需要維持。

3.3. 無線局域網的幀結構

WLAN不使用標準的802.3幀。

框架有三種類型

• 控制幀(Control Frames)
• 管理幀(Management frames)
• 數據幀(僅數據幀類似于802.3幀)

無線數據幀和802.3幀的有效載荷(payload)為1500字節(jié)

• 但是，以太幀不能超過1518字節(jié)，而無線幀則可能高達2346字節(jié)。(是因為在無線情況下使用的是有確認的信息，增加無線幀有效數據大小，來對沖，確認的信息的損耗)。
• 無線網絡幀的大小也不會太大，盡量避免轉換成有線幀的時候出現幀的拆分，也就是說大小一般在1500字節(jié)以下，通常，WLAN幀大小將被限制為1518字節(jié)，因為它最常連接到有線以太網。

3.4. 數據幀結構(802.11 無線網)

幀控制信息包含 16 bit

去往AP和來自AP是我們需要重點確認

WEP規(guī)格，Wired Equivalent Privacy(有線等效保密)

持續(xù)期:參數，很重要，CSMA/CA需要，這個信息

有時間窗口，如果超時沒收到信號，則進行重傳

3.4.1. 數據幀的的地址分類

ad hoc(無線網地址)用地址4

有基礎設施用的是地址1、2、3

3.4.2. 數據幀中的地址詳解

擴展星型拓撲

去往AP和來自AP顯然是不能全為1的

去往AP是指向AP發(fā)送，參考第二行

為什么不能全為1?因為兩個AP之間通過有線進行通信，所以不是無線通信的過程。

3.5. 為什么我們需要CSMA/CA？

沖突(Collisions)可能發(fā)生在WLAN中，但是站點只能知道附近的傳輸，因此CSMA/CD不是一個好的選擇。

• 隱藏站問題:當A將數據傳輸到B時，C無法檢測到A和B之間的傳輸，因此C可能會決定將數據傳輸到B并導致B發(fā)生沖突。
• 暴露站問題:當B將數據傳輸到A時，C可以檢測到傳輸，因此C不會將數據傳輸到D。但這是一個錯誤。(聽到不應該聽到的信號)

應用在無線網絡ad hoc連接的時候，直接相連轉發(fā)

對應:總線拓撲

這種情況下做不到全體的偵聽

什么我們不使用CSMA/CD？

碰撞檢測"要求一個站點在發(fā)送本站數據的同時，還必須不間斷地檢測信道。一旦檢測到碰撞，就立即停止發(fā)送。但由于無線信道的傳輸條件特殊，其信號強度的動態(tài)范圍非常大，因此在802.11適配器上接收到的信號強度往往會遠遠小于發(fā)送信號的強度(信號強度可能相差百萬倍)。如要在無線局域網的適配器上實現檢測到碰撞，在硬件上需要的花費就會過大。

更重要的是，即使我們能夠在硬件上實現無線局域網的碰撞檢測功能，我們仍然無法避免碰撞的發(fā)生。這就表明，無線局域網不需要進行碰撞檢測。

3.6. 多路復用機制(Mechanism)

以太網

• 信號被傳輸到電纜上的所有站。
• 發(fā)送站檢測到沖突。
• 一次只能在信道上發(fā)送一個有效幀。

WLAN 無線網絡

• 信號通過電纜傳輸到發(fā)送站附近的站(相鄰,不可以跨越有效距離發(fā)送)
• MAC協(xié)議必須盡最大努力確保僅發(fā)送站靠近接收站，發(fā)送方只能發(fā)送一路信號給接受方，不能有多個發(fā)送方發(fā)送信號給一個接受點
• 接收方檢測確定沖突。
• 一次可以在通道上傳輸多個有效(effective)幀,不可以產生沖突。

3.7. CSMA/CA 避免沖突的載波偵聽多路訪問

CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

• 發(fā)送站點在發(fā)送數據前，以控制短幀刺激接收站點發(fā)送應答短幀，使接收站點周圍的站點監(jiān)聽到該幀，從而在一定時間內避免數據發(fā)送
• 基本過程
• A向B發(fā)送RTS(Request To Send，請求發(fā)送)幀，A周圍的站點在一定時間內不發(fā)送數據，以保證CTS幀返回給A；
• B向A回答CTS(Clear To Send，清除發(fā)送)幀，B周圍的站點在一定時間內不發(fā)送數據，以保證A發(fā)送完數據；
• A開始發(fā)送
• 若控制幀RTS或CTS發(fā)生沖突，采用二進制指數后退算法等待隨機時間，再重新開始。(A和C同時發(fā)送RTS)

退避時間短的設備先傳輸

發(fā)現沖突所有設備同時退避

在ad hoc網絡中比較無序，存在大量延時，比如CTS和RTS相碰撞，這種情況是比較少的，異常情況，不在本課程考慮范圍內。

3.7.1. CSMA/CA過程

為避免沖突，802.11所有站點在完成一個事務后必須等待一段時間才能進行下一個動作，這個時間被稱為IFS，具體取決于幀的類型。

SIFS(Short interframe space):短幀間間隔 28us，用于本設備接受發(fā)送狀態(tài)轉換，不足夠源站接受CTS

DIFS(Distributed Inter-frame Spacing):分布協(xié)調功能幀間間隔 128us(多個節(jié)點進行協(xié)調)

應答CTS(Clear to Send)，等待SIFS(Short interframe space)后發(fā)送數據

過程中的時間寫入時間數據標記位

NAV(網絡分配向量)：網絡協(xié)調時間,時間長度:NAV計算方式在后面，NAV是一開始就進行預估了，別的節(jié)點搶到了節(jié)點時，我們會減掉別人正常通信的時間，不是一直累積下去的情況。

下一次經過爭用窗口來搶

源站需要收到確認信息CTS才能接著發(fā)送信息

多個源站向目的站發(fā)RTS給目的站，目的站發(fā)現沖突，告訴各自站點，PPT處理的是RTS

3.7.2. CSMA/MA實例

A的反應時間少，搶到使用權

E加入進來的話也會計算出一個退避時間

3.8. 實際數據傳輸率

當源節(jié)點發(fā)送幀時，接收節(jié)點將返回肯定確認(ACK)。

• 這可能導致消耗50％的可用帶寬(bandwidth)。
• 在額定為11 Mbps的802.11b無線局域網上，這會將實際數據吞吐量降低到最大5.0到5.5Mbps。

網絡性能也會受到信號強度的影響

• 隨著信號變弱，可以調用自適應速率選擇(ARS)
• 信號會受到距離影響，越遠信號越弱，功率越低，帶寬不能穩(wěn)定到初始帶寬
• 傳輸單元會將數據速率從11 Mbps降低到5.5Mbps，從5.5 Mbps降低到2 Mbps或2 Mbps到1 Mbps。

3.9. WLAN和Ethernet區(qū)別

EthernetWLAN

信號被傳輸到連接在線纜上的所有站點上	信號只被傳輸到接近發(fā)送站點的站點
	接受站點檢測沖突
只會有一個有效幀在信道上傳播	會有多個有效幀同時在信道上傳播
	MAC協(xié)議必須盡可能保證只有發(fā)送站點接近接收站點

4. Layer 2 Devices 第二層設備

4.1. NICs 網卡

NIC執(zhí)行重要的第2層數據鏈路層功能：

邏輯鏈接控制-與計算機上層通信

媒體訪問控制-提供對共享訪問媒體的結構化訪問

命名-提供唯一的MAC地址標識符

成幀-封裝過程的一部分，打包比特以進行傳輸。

信號-使用內置收發(fā)器創(chuàng)建信號并與媒體接口(也有第一層功能，變?yōu)?1信號)

4.2. 網橋(Bridges)

網橋將流量劃分為多個部分，并根據MAC地址而不是協(xié)議對流量進行過濾。

網橋可以通過減少較大的沖突域來提高網絡性能。

大的沖突域變少，碰撞和沖突會變少，但是網橋會成為一個瓶頸。(網橋將數據幀檢驗存儲再轉發(fā))

導致延遲提高10-30%

在從網絡的一個網段到其他網段的流量較低的情況下，網橋最有效,當網段之間的流量變大時，網橋會成為瓶頸(bottleneck)，并減慢通信速度。

一般是處理兩個不同的分段，相對比較簡單。

是一種儲存轉發(fā)(store-and-forward)設備，因為它必須接受整個幀并在轉發(fā)前校驗CRC(事實上這必要性不大)

4.2.1. 透明網橋原理

Mac表放到緩存的位置，剛啟動時是空表，之后逐漸學習。

• Mac地址表是有生命周期的，如果計時超過一個閾值沒有刺激刷新Mac表，則會刷新表
• 比如筆記本更換接入地址。

"透明"指局域網中的站點并不知道所發(fā)送的幀將經過哪幾個網橋，因為網橋對各站來說是看不見的

即插即用

原理

從A發(fā)出的幀從接口x進入了網橋，則從這個接口發(fā)出幀就一定能達到A。網橋每收到一個幀，就記下其源地址和進入網橋的接口，寫入轉發(fā)表。

在收到一個新的幀時，在轉發(fā)表中匹配此幀的目的地址，找到對應的接口并轉發(fā)。

在網橋的轉發(fā)表中寫入的信息除了地址和接口外，還有幀進入網橋的時間，因為

• 拓撲可能經常變化
• 站點也可能會更換適配器(這就改變了站點的地址)
• 站點并非總是處于工作狀態(tài)
• 把每個幀到達網橋的時間登記下來，就可以在轉發(fā)表中只保留網絡拓撲的最新狀態(tài)信息，使得網橋中的轉發(fā)表能反映當前網絡的最新拓撲

問題：網絡上的設備要發(fā)送數據但不知道目標地址時。

• 向網絡上的所有設備發(fā)送廣播。因為希望數據幀能夠發(fā)送到全網，盡可能到達目的地
• 由于網絡上的每個設備都必須注意此類廣播，因此網橋始終會轉發(fā)這些廣播。

廣播過多會導致廣播風暴，并且可能導致：

• 網絡延時(network time-outs)
• 交通減速(traffic slowdowns)
• 低于可接受的性能

4.2.2. 源路由網橋

發(fā)送幀時將詳細的路由信息放在幀的首部中,從而使每個經過的網橋都了解幀的路徑

在令牌環(huán)網絡中被廣泛使用

原理:源站以廣播方式向目的站發(fā)送一個發(fā)現幀，每個發(fā)現幀都記錄所經過的路由。發(fā)現幀到達目的站時就沿各自的路由返回源站。源站在得知這些路由后，從所有可能的路由中選擇出一個最佳路由。凡從該源站向該目的站發(fā)送的幀的首部，都必須攜帶源站所確定的這一路由信息。

4.3. 交換機(Switches)

執(zhí)行兩個基本操作：

切換數據幀：在輸入介質(medium)上接收幀，然后將其傳輸到輸出介質

維護交換操作：交換器建立和維護交換表并搜索循環(huán)。 路由器構建并維護路由表和交換表。(STB協(xié)議避免回路)

交換是一項通過減少流量和alleviates congestion來緩解以太網LAN擁塞(alleviates congestion)的技術.

交換機創(chuàng)建專用(dedicated)的網段或點對點連接，并將這些網段連接到交換機內的虛擬網絡中。

之所以稱為虛擬電路，是因為它僅在兩個節(jié)點需要通信時才存在，并且在交換機內建立。網橋內部有一個高帶寬的總線(一般內部帶寬是接口帶寬的10倍)

您可以將每個交換機端口視為一個微橋(micro-bridge)。該過程稱為微分段(microsegmentation)。

每個交換機端口將介質的全部帶寬提供給每個主機

局域網交換機可減少沖突域的大小(通過，VLAN劃分)

但是，連接到交換機的所有主機仍位于同一廣播域中。

也就是說，通過LAN交換機連接的所有其他節(jié)點仍將看到來自一個節(jié)點的廣播。

交換機不能劃分廣播域(端口->所有端口轉發(fā))

帶寬利用率可以接近100%

交換機連接的是一個局域網，而路由器連接的是不同局域網。

4.3.1. 交換機劃分了沖突域

轉發(fā)的速度明顯加快，因為它們在硬件中進行切換，而網橋在軟件中進行切換。

可以使用交換機連接10 Mbps以太網LAN 和 100 Mbps以太網LAN。

在交換式以太網實現中可用帶寬可以接近100％。

共享以太網網絡的容量不足其全部容量的30％至40％時，其性能最佳。

一些交換機支持直通交換，這減少了延遲和延遲，而網橋僅支持存儲轉發(fā)交換(存儲轉發(fā)，存下來檢驗轉發(fā))。

直通交換:快速轉發(fā)，不做校驗，只看前6字節(jié)的MAC地址。

局域網:網速比較快，傳輸速率高，網線比較短，可以認為是基本沒有錯誤的，所以可以進行直通轉發(fā)

4.3.2. 路由器劃分了沖突域

路由器可以創(chuàng)建最高級別的細分：

創(chuàng)建較小的碰撞域

創(chuàng)建較小的廣播域：除非經過編程，否則路由器不會轉發(fā)廣播。

路由器通過檢查數據包上的目標邏輯地址，然后在其路由表中查找轉發(fā)指令來完成數據包的轉發(fā)

由于路由器比網橋執(zhí)行更多的功能，因此它們以更高的延遲率運行。

路由器可以用作網關，用于連接不同的網絡媒體和不同的LAN技術

是根據邏輯地址(IP地址)進行轉發(fā)，不再是MAC

function比較多，所以延時會比較多。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络-3-局域网数据链路层原理与技术的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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