OSI参考模型之数据链路层

Posted 2021-07-30 锦衣admin

OSI参考模型之数据链路层

• 数据链路层
• • 数据链路层设备：网卡、交换机
  • 数据链路层包含的MAC子层和LLC子层
  • 交换机工作原理
  • 虚拟局域网介绍（Virtual LAN ，简称VLAN）
  • • 虚拟局域网协议：IEEE 802.1Q
    • 基于Cisco交换机实现VLAN划分

数据链路层

数据链路层设备：网卡、交换机

因为OSI参考模型在现实中没有与之对应的设备。所以一般用它来做参考。实际上我们使用的是TCP/IP的五层模型

生成数据帧的设备：

• 在网卡中生成数据帧

• 在路由器的接口中生成数据帧

• 数据链路层一般在节点的网络接口中实现

数据链路层基本概念：

• 连接相邻节点之间的通信信道称为链路(link)

• 数据链路层协议就是解决每一段链路上的数据传输问题的

• 相邻结点之间的链路以及该链路上采用的通信协议构成了数据链路（data link）的概念

• 数据链路层传输的分组被称为帧(frame)

数据链路层协议的功能：

封装成帧：

• 把数据封装成帧

• 帧包含首部和数据部分:

  • 首部包含传递该帧需要的控制信息

  • 数据部分包含要传递的信息数据,通常来自上层协议

• 帧的结构和首部各字段的含义由数据链路层协议规定

• 帧定界方法：用特殊的控制字符或特定的比特组合标记一帧的开始和结束

透明传输：

• 含义：不限制数据部分包含的比特组合，即使数据部分恰巧出现和控制字符或帧定界字符相同的编码字节，接收方也不会错误理解

• 两种方法：

  • 字符填充(DLE作为转义字符)

  • 比特填充（ 当数据部分出现与帧定界符相同的码序列时，按照约定插入若干1或0比特）

差错检测：

• 物理层不提供比特差错校验的服务，为了对比特传输差错进行控制，数据链路层要提供差错控制功能。

• 该层多采用循环冗余校验编码（CRC），利用在帧数据后面添加n 比特的差错校验的冗余位（帧校验和）实现差错检验。

寻址：

• 数据链路层地址通常又被称为物理地址或硬件地址。

• 有时还要携带源地址，标识发送结点。

• 若接收节点固定则不需要进行寻址。

可靠交付：

• 含义：接收节点的数据链路层向上层交付无差错的分组

• 可靠交付通常使用确认和重传机制

  • 若接收无误，向发送端发送确认信息（ACK）；

  • 若发现差错，则反馈回NACK信息，请求发送结点重发该帧

• 不是所有的数据链路层协议都提供确认机制

流量控制：

• 目的：避免接收方来不及接收而造成的数据丢失

• 原因：接收结点和发送结点在处理能力、缓存空间以及负载方面的差异造成

• 措施：对发送的数据流量的进行调控，使发送速率不致超过接收方的速率。

• 控制相邻两结点间数据链路上的流量，作用范围是一段点到点链路

链路接入和管理：

• 链路接入又被称为媒体访问控制

• 对面向连接的数据链路层协议，链路管理功能包括数据链路的建立、链路的维持和释放三个主要方面， 需要双方交换必要的信息

数据链路层包含的MAC子层和LLC子层

MAC子层功能：

媒体访问控制

帧的寻址和识别

帧检验等。

LLC子层功能：

逻辑链路控制

二种类型链路服务：无连接、面向连接

数据帧的字段（以太网MAC帧字段）：

前导码（Preamble，Pre），7字节的1和0交替码序列，比特同步，当物理层采用同步信道时（如SDH/SONET），不再需要前同步码。

帧定界（Start-of-Frame Delimiter，SFD ）。10101011。以太网的帧定界符只用于标识帧的开始，不必标识结束。

一般认为MAC 帧从目的mac地址 开始。

目的地址：目的MAC 地址， 6字节。

源地址：源MAC 地址， 6字节。

长度类型（Type）：类型字段，上层协议类型，最常见的如0x0800指IP协议，0x0806指ARP协议。

• DIX Ethernet V2定义该字段为类型
• IEEE802.3 标准定义为“长度/类型”字段，规定小于0x0600时，表示数据部分的长度；大于0x0600时，表示类型。

数据部分（数据长度）：长度在46字节 到1500字节之间可变的任意值序列。

帧校验序列（FCS），4字节，采用CRC编码，用于差错校验。FCS校验的计算不包括同步码、帧定界和FCS字段本身。

交换机工作原理

共享总线型传输媒体方式的局域网。以太网交换机的结构是每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式

初始交换机的mac地址表是空的，在交换机收到数据帧后，将该帧的源MAC地址和交换机端口号的映射关系写入表中。

发送ARP广播包向全端口询问目的mac在哪个端口号，目的mac地址的主机会回应交换机。交换机记录目的mac地址和交换机端口号。进行数据帧转发

若目的MAC地址在映射表中，则将数据帧直接转发给对应的交换机端口。

虚拟局域网介绍（Virtual LAN ，简称VLAN）

交换机提供一种划分虚拟局域网的功能

虚拟局域网作用：

不受物理位置的限制划分逻辑组

将某些网络流量限制在各自的VLAN之中

VLAN划分的方法：

按照交换机端口划分

按照MAC 地址划分

按照第三层网络地址划分：常按IP子网来划分

虚拟局域网协议：IEEE 802.1Q

如何区分个vlan段：

IEEE 802.1Q（Virtual Bridged Local Area Networks）协议

扩展MAC帧首部——标识VLAN

首部增加4个字节：

TPID （Tag Protocol Identifier），固定取值为0x8100

TCI （Tag Control Information）

• 用户优先级, 3bit
• CFI Canonical Format Indicator）,1bit
• VLAN ID, 12bit
  

基于Cisco交换机实现VLAN划分