计算机网络之数据链路层局域网以太网及其PPP协议&HDLC协议408_4

Posted 2021-08-28 bfhonor

一、局域网基本概念和体系结构

（一）局域网

• 局域网（Local Area Network）：简称LAN，是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，使用广播信道。
• 特点：
  ①、特点1：覆盖的地理范围较小，只在一个相对独立的局部范围内联，如一座或集中的建筑群内。
  ②、特点2：使用专门铺设的传输介质（双绞线、同轴电缆）进行联网，数据传输速率高（10Mb/s～10Gb/s）。
  ③、特点3：通信延迟时间短，误码率低，可靠性较高。
  ④、特点4：各站为平等关系，共享传输信道。
  ⑤、特点5：多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播。
• 决定局域网的主要要素为：网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法。

（二）局域网拓扑结构

（三）局域网传输介质

（四）局域网介质访问控制方法

• CSMA/CD：常用于总线型局域网，也用于树型网络
• 令牌总线：常用于总线型局域网，也用于树型网络
  它是把总线型或树型网络中的各个工作站按一定顺序如按接口地址大小排列形成一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。
• 令牌环：用于环形局域网，如令牌环网

（五）局域网的分类

1. 以太网：以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网（10Mbps）、快速以太网（100Mbps）、千兆以太网（1000 Mbps）和10G以太网，它们都符合IEEE802.3系列标准规范。逻辑拓扑总线型，物理拓扑是星型或拓展星型。使用CSMA/CD.
2. 令牌环网：物理上采用了星形拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。已是“明日黄花”
3. PDDI网（ Floer Distrilouked Data inervece）：物理上采用了双环拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。
4. ATM网（ Asynchronous Transler Mode）：较新型的单元交换技术,使用53字节固定长度的单元进行交换。
5. 无线局域网( Local Area Network WLAN)：采用IEEE 802.11标准。

• IEEE 802标准：IEEE 802系列标准是IEEE 802 LAN/MAN 标准委员会制定的局域网、城域网技术标准（1980年2月成立）。其中最广泛使用的有以太网、令牌环、无线局域网等。这一系列标准中的每一个子标准都由委员会中的一个专门工作组负责。
• ①、IEEE 802.3:以太网介质访问控制协议(CSMACD）及物理层技术规范2。
• ②、IEEE 802.5:令牌环网(Token-Ring)的介质访问控制协议及物理层技术规范。
• ③、IEEE 802.8:光纤技术咨询组，提供有关光纤联网的技术咨询。
• ④、IEEE 802.11:无线局域网(WLAN)的介质访问控制协议及物理层技术规范。

（六）MAC子层和LLC子层

• IEEE 802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层。
  

二、以太网

（一）以太网概述

• 以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带总线局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术。
• 以太网在局域网各种技术中占统治性地位：
  1.造价低廉（以太网网卡不到100块）；
  2.是应用最广泛的局域网技术；
  3.比令牌环网、ATM网便宜，简单；
  4.满足网络速率要求：10Mb/s~10Gb/s.
• 以太网两个标准：
  ①、DIX Ethernet V2：第一个局域网产品（以太网）规约。
  ②、IEEE 802.3：IEEE 802委员会802.3工作组制定的第一个IEEE的以太网标准。（帧格式有一丢丢改动）
• 802.3局域网 ＝以太网

（二）以太网提供无连接、不可靠的服务

• 无连接：发送方和接收方之间无“握手过程”。
• 不可靠：不对发送方的数据帧编号，接收方不向发送方进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠正由高层负责。
• 以太网只实现无差错接收，不实现可靠传输。

（三）以太网传输介质与拓扑结构的发展

（四）10BASE-T以太网

• 10BASE-T是传送基带信号的双绞线以太网，T表示采用双绞线，现10BASE-T 采用的是无屏蔽双绞线（UTP），传输速率是10Mb/s。
  

（五）适配器与MAC地址

• 计算机与外界有局域网的连接是通过通信适配器的。
  
• 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。【实际上是标识符】
• MAC地址：每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家（由IEEE规定），后24位厂家自己指定。常用6个十六进制数表示，如02-60-8c-e4-b1-21。

（六）以太网MAC帧

• 最常用的MAC帧是以太网V2的格式。
  

（七）高速以太网

• 速率≥100Mb/s的以太网称为高速以太网。

1. 100BASE-T以太网

• 在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。
• 支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突。
  

2. 吉比特以太网

• 在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号。
• 支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突。

3. 10吉比特

• 10吉比特以太网在光纤上传送10Gb/s信号。
• 只支持全双工，无争用问题

三、IEEE 802.11 && 无线局域网

（一）802.11的MAC帧头格式

（二）无线局域网的分类

1. 有固定基础设施无线局域网
2. 无固定基础设施无线局域网的自组织网络

1. 有固定基础设施无线局域网

2. 无固定基础设施无线局域网的自组织网络

四、PPP协议＆HDLC协议

（一）广域网

• 广域网（WAN，Wide Area Network），通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。
• 广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。如因特网（Internet）是世界范围内最大的广域网。
  

（二）PPP协议

1. PPP协议的特点

• 点对点协议PPP（Point-to-Point Protocol）是目前使用最广泛的数据链路层协议，用户使用拨号电话接入因特网时一般都使用PPP协议。
• 只支持全双工链路。

2. PPP协议应满足的要求

• 简单：对于链路层的帧，无需纠错，无需序号，无需流量控制。
• 封装成帧：帧定界符
• 透明传输：与帧定界符一样比特组合的数据应该如何处理：异步线路用字节填充，同步线路用比特填充。
• 多种网络层协议：封装的IP数据报可以采用多种协议。
• 多种类型链路：串行/并行，同步/异步，电/光….
• 差错检测：错就丢弃。
• 检测连接状态：链路是否正常工作。
• 最大传送单元：数据部分最大长度MTU。
• 网络层地址协商：知道通信双方的网络层地址。
• 数据压缩协商

3. PPP协议无需满足的要求

• 纠错
• 流量控制
• 序号
• 不支持多点线路

4. PPP协议的三个组成部分

1. 一个将IP数据报封装到串行链路（同步串行/异步串行）的方法。
2. 链路控制协议LCP：建立并维护数据链路连接。 身份验证
3. 网络控制协议NCP：PPP可支持多种网络层协议，每个不同的网络层协议都要一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。

5. PPP协议的状态图

6. PPP协议的帧格式

（三）HDLC协议

1. 概念

• 高级数据链路控制（High-Level Data Link Control或简称HDLC），是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织(ISO)根据IBM公司的SDLC(SynchronousData Link Control)协议扩展开发而成的.
• 数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现
• 采用全双工通信
• 所有帧采用CRC检验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重份，传输可靠性高。

2. HDLC的站

• 主站、从站、复合站
• 1.主站的主要功能是发送命令（包括数据信息）帧、接收响应帧，并负责对整个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错检测或恢复等。
• 2.从站的主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并且配合主站参与差错恢复等链路控制。
• 3.复合站的主要功能是既能发送，又能接收命令帧和响应帧，并且负责整个链路的控制。
• 三种数据操作方式：
  ①、正常响应方式
  ②、异步平衡方式
  ③、异步响应方式

3. HDLC的帧格式

• （1）信息帧（I）第1位为0，⽤来传输数据信息，或使⽤捎带技术对数据进⾏确认；
• （2）监督帧（S）10，⽤于流量控制和差错控制，执⾏对信息帧的确认、请求重发和请求暂停发送等功能
• （3）⽆编号帧（U）11，⽤于提供对链路的建⽴、拆除等多种控制功能。

4. PPP协议＆HDLC协议

• HDLC、PPP只支持全双工链路。
• 都可以实现透明传输。【PPP协议：可以字节填充，也可以比特填充；HDLC协议：只能比特填充】
• 都可以实现差错检测，但不纠正差错。
  

五、链路层设备

（一）物理层扩展以太网

（二）链路层扩展以太网

• 网桥&交换机
• 网桥根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或者是把它丢弃（即过滤）。
  

1. 网桥

（1）网桥分类——透明网桥

• 透明网桥&源路由网桥
• 透明网桥：“透明”指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，是一种即插即用设备——自学习。
  

（2）网桥分类——源路由网桥

• 源路由网桥：在发送帧时，把详细的最佳路由信息（路由最少/时间最短）放在帧的首部中。
• 方法：源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧。

2. 以太网交换机

（1）多接口网桥——以太网交换机

（2）以太网交换机的两种交换方式

（三）冲突域和广播域

• 冲突域：在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧。简单的说就是同一时间内只能有一台设备发送信息的范围。【链路层设备只要是一个端口就是一个冲突域】
• 广播域：网络中能接收任一设备发出的广播帧的所有设备的集合。简单的说如果站点发出一个广播信号，所有能接收收到这个信号的设备范围称为一个广播域。【通过路由器判断广播域】