计算机网络（谢希仁第八版）第三章：数据链路层
本章最重要的內容：
（1）數據鏈路層的點對點信道和廣播信道的特點，以及這兩種信道所使用的協議（PPP協議以及CSMA/CD協議）的特點。
（2）數據鏈路層的三個基本問題：封裝成幀、透明傳輸和差錯檢測。
（3）以太網MAC層的硬件地址。
（4）適配器、轉發器、集線器、網橋、以太網交換機的作用以及使用場合。
（5）數據鏈路的兩層：
LLC：邏輯鏈路控制子層（Logical Link Control）與傳輸媒體無關
MAC：媒體接入控制子層（Medium Access Control）與傳輸媒體有關
（6）此層的協議數據單元==>幀(Frame)。
兩臺主機通過互聯網進行通信時數據鏈路層所處的地位如下圖：
1.數據鏈路層的幾個共同問題（使用點對點信道的數據鏈路層）
1.1.數據鏈路和幀
鏈路：物理鏈路
數據鏈路：邏輯鏈路=鏈路+通信協議
1.2.三個基本問題
封裝成幀、透明傳輸、差錯檢測
1．封裝成幀
幀的數據部分長度上限——最大傳送單元MTU（Maximum Transfer Unit）長度==>46~1500
幀定界符（SOH和EOT）
2．透明傳輸
某一個實際存在的事物看起來卻好像不存在一樣
若數據報中出現控制字符會被誤判，所以：
3．差錯檢測
傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數的比率稱為誤碼率BER（Bit ErrorRate）
循環冗余檢驗CRC（Cyclic Redundancy Check）
–>產生–>
幀檢驗序列FCS（Frame Check Sequence）
CRC是檢錯方法，FCS是添加在數據后面的冗余碼
在接收端對收到的每一幀經過CRC檢驗后，有以下兩種情況：
循環冗余檢驗CRC差錯檢測，只能做到對幀的無差錯接受實現無比特差錯，不能做到可靠傳輸。要做到可靠，還要解決幀丟失、幀重復或幀失序。
1）對于通信質量良好的有線傳輸鏈路，數據鏈路層協議不使用確認和重傳機制，即不要求數據鏈路層向上提供可靠傳輸的服務。如果在數據鏈路層傳輸數據時出現了差錯并且需要進行改正，那么改正差錯的任務就由上層協議（例如，運輸層的TCP協議）來完成。
2）對于通信質量較差的無線傳輸鏈路，數據鏈路層協議使用確認和重傳機制，數據鏈路層向上提供可靠傳輸的服務（見第9章）。
可靠傳輸協議將在第5章運輸層中討論。本章介紹的數據鏈路層協議都不是可靠傳輸的協議。
2.點對點協議PPP（Point-to-Point Protocol）
2.1.PPP協議的組成
PPP協議有三個組成部分：
（1）一個將IP數據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比特數據），也支持面向比特的同步鏈路。IP數據報在PPP幀中就是其信息部分。這個信息部分的長度受最大傳送單元MTU的限制。
（2）一個用來建立、配置和測試數據鏈路連接的鏈路控制協議LCP（LinkControl Protocol）。通信的雙方可協商一些選項。在RFC 1661中定義了11種類型的LCP分組。
（3）一套網絡控制協議NCP（Network Control Protocol），其中的每一個協議支持不同的網絡層協議，如IP、OSI的網絡層、DECnet，以及AppleTalk等。
2.2.PPP協議的幀格式
（1）字節填充：
（2）零比特填充：
五個連續的1后加0.
例：0111110101—>011111001001
3.使用廣播信道的數據鏈路層
3.1.局域網三種拓撲結構
以太網使用無連接，不編號，不用回復確認，盡最大努力的交付，是不可靠服務。
3.2.計算機聯網工具----適配器（adapter）
適配器本來是在主機箱內插入的一塊網絡接口板（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）。這種接口板又稱為網絡接口卡NIC（Network Interface Card）或簡稱為“網卡”。適配器上面裝有處理器和存儲器（包括RAM和ROM）。適配器和局域網之間的通信是通過電纜或雙絞線以串行傳輸方式進行的，而適配器和計算機之間的通信則是通過計算機主板上的I/O總線以并行傳輸方式進行的。因此，適配器的一個重要功能就是要進行數據串行傳輸和并行傳輸的轉換。
3.3.CSMA/CD協議
why use it ?：總線上在同一時間只能允許一臺計算機發送數據。
電磁波在1km電纜的傳播時延約為5μs，幀間最小間隔：9.6μs（用來處理緩存，為接收下一幀做準備）
上圖重要時刻：
在t＝0時，A發送數據。B檢測到信道為空閑。
在t＝τ?δ時（這里τ>δ>0），A發送的數據還沒有到達B時，由于B檢測到信道是空閑的，因此B發送數據。
經過時間δ/2后，即在t＝τ?δ/2時，A發送的數據和B發送的數據發生了碰撞。但這時A和B都不知道發生了碰撞。
在t＝τ時，B檢測到發生了碰撞，于是停止發送數據。
在t＝2τ?δ時，A也檢測到發生了碰撞，因而也停止發送數據。
A和B發送數據均失敗，它們都要推遲一段時間再重新發送。
以太網的端到端往返時間2τ稱為爭用期（contention period），它是一個很重要的參數。爭用期又稱為碰撞窗口（collision window）。
1.對于10Mbit/s以太網，爭用期內可發送512bit，即64字節（最短有效幀長），爭用期2τ為51.2μs
所以，以太網端到端時延必須小于爭用期的一半即25.6μs
2.對于100Mbit/s的以太網，爭用期為5.12μs，幀間最小間隔：0.96μs
若發生碰撞：
截斷二進制指數退避（truncated binary exponentialbackoff）算法來確定碰撞后重傳的時機。
從離散的整數集合［0，1，…，（2k?1）］中隨機取出一個數，記為r。重傳應推后的時間就是r倍的爭用期。
當重傳次數不超過10時，參數k等于重傳次數；但當重傳次數超過10時，k就不再增大而一直等于10。當重傳達16次仍不能成功時（這表明同時打算發送數據的站太多，以致連續發生沖突），則丟棄該幀，并向高層報告。
*強化碰撞：
當發送數據的站一旦發現發生了碰撞時，除了立即停止發送數據外，還要再繼續發送32比特或48比特的人為干擾信號（jamming signal），以便讓所有用戶都知道現在已經發生了碰撞。
對于10Mbit/s以太網，發送32（或48）比特只需要3.2（或4.8）μs。
3.4.使用集線器的星型拓撲
星形以太網10BASE-T
使用集線器的以太網在邏輯上仍是一個總線網，各站共享邏輯上的總線，使用的還是CSMA/CD協議。
集線器工作在物理層。每個端口只簡單的轉發比特，不進行碰撞檢測。
3.5.以太網的信道利用率
以太網單程端到端時延τ與幀的發送時間T0之比：
因此，要提高以太網利用率參數a的值應當盡可能小，即當數據率一定時，以太網連線的長度受到限制（否則τ會太大），同時以太網幀長不能太短（否則T0的值會太小，使a值太大）。
3.6.以太網的MAC層
在局域網中，硬件地址又稱為物理地址或MAC地址。用來唯一標識計算機，標識系統（identificationsystem）
查找MAC命令：ipconfig /all
- IPv4：32位（4字節）
- MAC：48位
- IPv6：128位
IEEE規定地址字段第一字節的最低位為I/G（Individual/Group）位
- 單站地址：I/G=0
- 組地址：I/G=1，用于多播
- 廣播地址：只作為目的地址使用
MAC幀格式
DIX Ethernet V2：世界第一個局域網產品（以太網）規約
IEEE 802.3：第一個IEEE以太網標準
以太網V2的MAC幀格式：
當數據字段的長度小于46字節時，MAC子層就會在數據字段的后面加入一個整數字節的填充字段，以保證以太網的MAC幀長不小于64字節。
MAC幀的FCS字段的檢驗范圍不包括前同步碼和幀開始定界符。
有效的MAC幀長度為64～1518字節之間。
4.拓展的以太網
- 物理層：集線器【半雙工】
- 數據鏈路層：交換機（網橋）【全雙工，自學習算法】
物理層集線器缺點：
一個更大的碰撞域（沖突域），使得吞吐量減少。
數據鏈路層交換機：多端口網橋，多速率端口，全雙工，獨立占用媒體，無碰撞傳輸數據，每個端口和連接端口的主機構成獨立碰撞域，具有N個端口的以太網交換機碰撞域有N個。
傳統10Mbit/s共享式以太網，若有十個用戶，則每個用戶占有的帶寬為1Mbit/s，若用以太網交換機來連接這些主機，則總帶寬為個主機帶寬之和為100Mbit/s。
==從總線以太網到星形以太網
傳統的電話網是星形結構，總線以太網使用CSMA/CD協議，以半雙工方式工作。但以太網交換機不使用共享總線，沒有碰撞問題，因此不使用CSMA/CD協議，而是以全雙工方式工作。既然連以太網的重要協議CSMA/CD都不使用了（相關的“爭用期”也沒有了），為什么還叫做以太網呢？原因就是它的幀結構未改變，仍然采用以太網的幀結構。
====================================本書索引
計算機網絡（謝希仁第八版）第一章：概述
計算機網絡（謝希仁第八版）第二章：物理層
計算機網絡（謝希仁第八版）第三章：數據鏈路層
計算機網絡（謝希仁第八版）第四章：網絡層
總結
以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络（谢希仁第八版）第三章：数据链路层的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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