韩立刚计算机网络——第三章：数据链路层

Posted 2021-05-17 想文艺一点的程序员

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了韩立刚计算机网络——第三章：数据链路层相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

数据链路层的关键点：网卡 + 物理线路 + 协议
（ppp 协议就是其中一种协议）

1、基本概念

（1）数据发送模型

应用层和应用层的通讯
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流程：主机1 和主机2 之间的网络通讯：主机1网卡 ——> 电话网 ——> 路由器 ——> 主机2网卡

H1：
运输层：对数据进行封装 ，分段
传输层：给数据 加上目标网络地址
链路层：给数据 加上MAC地址，封装成帧。

R1：
链路层：根据传输的 MAC 地址，判断数据包是不是自己的。
网络层：根据 IP 地址，选择最优路径，再给数据 加上目标网络地址，发给下一个路由器。

总体流程：H1 ——> R1 ——> R2 ——> R3 ——> H2

点对点通信和广播信道

点对点：两个笔记本使用一个网线直连。
广播：中间有一个集线器接了很多设备，就成广播信号了。

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我们这一章，只关心数据链路层怎么传输。

底层是什么介质（光纤、同轴电缆、电话线）我们不用管。
底层是什么复用（时分、频分、码分）我们也不用管。

数据链路层具体是指哪一部分呢？
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（2）链路和数据链路？

链路：是一个物理线路，比如一根网线。

但是只有一个物理线路，它还不能通讯，还缺一个控制它的 通信协议，谁来提供呢？
答案：网卡（网卡上面是有数据链路层的协议的，负责来控制数据传输）
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（3）帧

什么是帧：数据链路层传输的数据单位。
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数据链路层：像是一个数字管道，而在数字管道上传输的数据单位是帧。

2、三个基本问题

封装成帧
透明传输
差错控制

（1）封装成帧

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计算机接受过程中：

只有既收到帧首部，又收到帧尾部的时候，才会接受这个帧，只收到其中一个，是不会接受的。
以太网上传输，最大帧长度为 1500 个字节。

为什么要添加帧头和帧尾？

为了保持数据的完整性，如果只有帧头的话，我们数据丢了一半对方也不知道 。

（2）透明传输

透明传输其实就是指无论是什么报文都可以传输，非透明传输就是指某些特殊字符不能传输。
在计算机网络中，透明传输在数据链路层提到过，在数据链路层将网络层协议封装成帧时，会在首部和尾部分别添加 SOH 以及 EOT 这两个特殊字符。
接收方是根据这两个字符来确定帧首和帧尾的，如果上层协议发送过来的数据(即链路层的数据部分)包含EOT，那么接收方在解析这个帧的时候就会误以为数据已经结束。
所以，如果链路层对这种情况没有特殊处理，那么就可以理解链路层为非透明传输(因为无法传输EOT这个字符)。
但是数据链路层通过对这个字符添加转移符(如果网络层数据中还存在转移符，就再添加一个转移符)的办法来使数据部分可以传输EOT字符，就实现了透明传输。

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再论什么是透明传输？

在传输的时候，为数据添加了转义字符。
接收之后再将转移子符去掉。
注意！！！：这三个问题都是在数据链路层解决，由网卡进行解决。
所以对于发送者和接收者来说，不知道底层加了这一层保险。

（3）差错控制

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传输过程中：可能产生差错，由环境因素，可能 0 变为1， 1 变为 0。

问题：我们要怎么发现，我们是否在物理线路上发生了差错？

解决：CRC 循环冗余检验

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关键：在二进制里面，如何实现冗余检验？

数据规则：

模 2 运算：不进位，不退位（1 + 1 = 0，不等于 10 ）
一个数对一个 n+1 位的数进行模2 运算的出发，所得的余数是 n位。（比除数少一位）

分析冗余计算的流程：

原始数据：110101
自己设定一个除数，有 k 个 bit 位，位数和我们的原始数据长度有关。（我们设定 k = 4）
先固定冗余码全为 0 ，位数为 k-1 位，然后将其添加到原始数据后面。（我们设定 k-1 = 3）
第一次 原始 bit 数据 + 冗余码 / 除数，除不尽会产生余数。（这个余数叫做 FCS 帧检验序列）
所以我们将余数加回去，余数 + 原始 bit 数据 + 冗余码 / 除数。这样就可以除尽了。

余数 + 原始 bit 数据 + 冗余码 = 原始 bit 数据 + 余数
因为原来的冗余码是 000 ，加任何的三位数，都会变为这三位数。
000 + 001 = 001

如果此时我们除不尽，则说明我们 原始bit 数据已经发生了变化。

计算举例：

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所以发送端此时要发送的数据为： 原始数据+余数 。

接受到拿到数据之后：进行 原始数据+余数 / 除数。去判断是否有余数，即是否为 0 ，或者不为 0。

如果结果不为 0 ，我们则丢弃这一段数据，让发送方重新发送一次。

总结：CRC 校验的特点：

CRC 只管判断是否出错，并不操心到底是哪里出错了，发现出错之后直接丢弃。
直接丢弃不就丢包了吗？ 丢不丢包，数据链路层不管

注意：CRC 校验并不是百分之百可靠，如果差错正好是除数的倍数，我们就没有办法发现。

3、点到点通信（ppp协议）

数据链路层的关键点：网卡 + 物理线路 + 协议
（ppp 协议就是其中一种协议）

是一种数据链路层的协议，ppp协议（point to point protocol）。
应用于拨号上网。
如果我们直接插网线，不适用拨号，就不是使用ppp 协议。
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举例：
通过电话线上网：电脑通过电话线，直接连到运营商。（用户点到点运营商）
ppp 协议实现的功能：

给我们主机分配一个 IP 地址。
记账功能：如果我们欠费，就不让我们继续使用网络
记录使用时间：我们通过拨号上网，发帖的时间，发帖的 IP 地址，运营商就可以知道。

（比如有人使用网络发帖，运营商那边就可以知道该数据包的IP地址，发送时间）

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数据链路层的关键点：网卡 + 物理线路 + 协议（ppp协议就是其中一种）

既然是数据链路层的协议，那么就一定要解决数据链路层的三个基本问题。

多种类型链路：可以使用在光纤、同轴电缆、电话线等。
检测连接状态：拨号上网的时候，欠费、密码错误、网线没插好、弹出的框都不一样。
最大传输单元：不大于 1500 个单元。
数据压缩协商：节省数据带宽。（比如有连续 00000000000，我就可以进行压缩）

在数据链路层 ppp 协议，又分成了 3 层。

(1) 提供一个将IP数据报封装到串行链路的方法。IP数据报在PPP帧中就是信息部分，长度受最大传送单元MTU的限制。PPP支持异步链路（无奇偶校验的8比特数据）和面向比特的同步链路。

(2) 链路控制协议LCP（Link Control Protocol），当线路不再需要时，挑出这些线路，测试它们，商议选择，并仔细地再次释放链路控制协议。

(3) 一套网络控制协议NCP（Network Control Protocol），其中每一个协议支持不同的网络层协议，如IP、OSI的网络层等。

(4) 认证协议

（1）ppp 协议的帧格式

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字段	长度	说明
F：flag	1字节	标志一个帧的开始或结束，固定为0x7E，
A：address	1字节	地址字段A是固定不变的，固定为0xFF。（因为点到点，地址已经固定）
C：	1字节	控制字段C是固定不变的，固定为0x03。
协议	2字节	协议字段不同，后面信息部分表示的数据类型不同。

值	协议
0x0021	IP数据报
0xC021	链路控制数据LCP
0x8021	网络控制数据NCP
0xC023	安全性认证PAP
0xC025	LQR
0xC223	安全性认证CHAP

问题：信息段（有效数据）中出现了标志段的值，被误以为是标志段怎么办？

第一种办法：字节填充法

当信息字段中出现 0x7E 时，将每一个0x7E字节转变成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2字节序列（0x7D，0x5D）。
若信息字段中出现ASCII码的控制字符(即数值小于0X20的字符)，则该字符前面需要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变(+20)。
例如：出现0x03，就要把它转为2字节序列(0x7D，0x23)

第二种办法：0比特填充法

适用于传输数据是比特流（图像的位图数据），此时传输数据就不是有效字符了。

PPP协议用在SONET/SDH链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送），此时使用0比特填充法。
在发送端扫描整个信息字段，当有5个1连续出现时，立即填入一个0，保证信息字段中不会出现6个连续1。（7E：0111 1110 当中有连续的 6个 1）
在接收端删除连续5个1后面的0。

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（2）ppp 协议的工作状态

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演示路由器怎么配置 ppp 协议
不要求掌握。

4、广播通信

局域网的拓扑

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认识以太网

以太网是局域网的一种，最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上，这种连接方法简单又可靠。
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优点：不用划分信道，谁也可以进行通信。

缺点：在这一根链路上，只能有两个电脑在通信。还有容易被其他电脑进行抓包，所以不可靠。

（1）以太网使用 CSMA/CD 协议

CSMA/CD 即 载波侦听 多点接入/冲突检测 （Carrier Sense Multiple Access with Collision Detectio）

多点接入：许多计算机以多点接入的方式，连接在一根总线上面。
载波侦听：发送端在发送数据前对总线进行监听，若监听到其他计算机在发送数据，则等待一段随机时间后，确认总线空闲时才开始发送数据。

提问：如果总线总的带宽是 10M ，该总线上面有10台计算机，那么平均每台计算机的带宽是多少？

10 M / 10 = 1M ；最理想的情况之下，平均每台的带宽是 1M 。
如果发送数据时候，产生碰撞，就会有空闲时间产生，白白浪费带宽。

举例：如果以太网分布很广，网线之间有 1000 米，电信号在网线上传输的时间就会被拉长。

A先给B 发数据，在快到 B 的时候，此时 B 同时给 A 发数据。在传输线上发送碰撞。
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所以以太网一般不超过 100 米，也是有道理的。

CSMA/ CD 的特点：
不能不进行全双工通信，只能进行半双工通信。（一个时刻，只能有一个方向传输）

（2）争用期、最短有效帧长

争用期：

发送端，在发送数据帧之后，最多经过时间 2t （两倍的传播延时时间）就可以知道到底有没有受到碰撞。（2t 称之为争用期）
在争用期这段时间之内，如果没有发现碰撞，才能肯定这次发送不会发送碰撞。
对于 10Mb/s 的以太网，在争用期内可发送 512 bit，即 64 字节。
总结：如果在 64 字节之内没有发生冲突，本次传输就不会发生冲突。

最短有效帧：

如果发生冲突，就一定在 64 字节之内。
由于一检测到冲突就立即中止发送，这时候发送的数据一定小于 64 字节。
所以以太网会将小于 64 字节的帧，认为时无效帧，从而将他丢掉。

5、以太局域网（以太网）

（1）概述

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注意：现在很多厂商生成的适配器上，仅装有 MAC 协议，而没有 LLC 协议。

（2）集线器的星型拓扑

之前使用的是总线型：但是有容易被抓包、速度低的缺点。

星型拓扑

集线器的内部结构：
网卡：有两个接口：一个是发送、一个接收。
仍然像传统以太网：所有的机器都能接收，容易被窃取。
工作在物理层：集线器像网线一样，没有任何智商，看不懂传输的协议，不管什么地址。

（3）信道利用率

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以太网发送一帧数据所需要的时间：

信道利用率，参数 a （a越小，利用率就越高）
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分析：发送速率，因为是电磁波传输，所以速率已经定死了。想要降低 a 有两种办法：

减短物理线的长度
增加一帧数据的长度。

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这种情况是不可能出现的，在传输过程中肯定有冲突。

（4）MAC 层

当网卡一出厂的时候，在芯片上面就已经烧写了一个全球唯一的 MAC 地址。

疑问：网卡厂商那么多，怎么知道这个 MAC 地址有没有被使用呢？

MAC 地址一共有 48 位 bit 位。前24位代表不同的厂家，后24位由厂家自己指定。
如果我们想要生成网卡，先让 IEEE（注册管理机构）给分配一个 24 的号，我们才能自己生成。

适配器检查 MAC 地址：
适配器就使网卡，网卡收到 MAC 地址之后，就会和自己进行匹配。
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MAC 地址冲突造成的网络故障：

有一台笔记本电脑，在 A 教室上网不同，在其他地方上网都可以通。怎么回事呢？

问题排查：
（1）是不是网线的事情？

不是，因为换别人可以上网的网线，也不能使用。

（2）既然不是网线的故障，那肯定就是笔记本的问题了。但是笔记在其他地方可以正常上网。

MAC 地址发生了冲突，疑问不是说每个网卡的MAC 地址都是唯一的吗？怎么还会冲突呢？
1、首先肯定在芯片上面的 MAC 肯定是不能修改的。
2、我们只是让计算不使用网卡的地址，而是使用我们人工指定的 MAC 地址。

怎么修改 MAC 地址？参考博客

MAC 帧格式
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名称	作用
前导码	每个字节的比特模式为“10101010”。作用：实现收发双方的时钟同步
帧起始定界符字段SFD	比特模式为“10101011”。作用：指示一帧的开始。
目的地址字段DA	标识接收站点的地址。它可以是单个的地址，也可以是组地址或广播地址
源地址字段SA	标识发送站点的地址。但它的长度必须与目的地址字段长度相同。
类型/长度字段LEN	标识数据字段的字节数长度。（协议类型）
数据字段	为了使协议正常操作，帧长度不能太短，对于10Mbps的CSMA/CD网中，帧的最小长度为64.