第三章：数据链路层

Posted 2021-10-21 PCC.

3.1 使用点对点信道的数据链路层

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：
1、 点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式；
2、 广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。

数据链路层传送的是帧。

数据链路层三个主要问题：
1、 封装成帧；
2、 透明传输；
3、 差错检测。

封装成帧
封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。帧开始符（SHO）、帧结束符（EOT）。

透明传输
1、 发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)；
2、 字节填充(bytestuffing)或字符填充(characterstuffing)就是指：接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符；
3、 如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

差错检测：在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。

3.2 点对点协议 PPP

现在全世界用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP(Point-toPointProtocol)。

3.3 使用广播信道的数据链路层

适配器
网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC(NetworkInterfaceCard)，或“网卡”。

计算机通过适配器和局域网进行通信的原理：

具有广播特性的总线上实现了一对一的通信的原理：
1、 总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号；
2、 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧；
3、 其他所有的计算机（A,C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。

为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施：
1、 采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据；
2、 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。

以太网提供的服务是不可靠的服务：
1、 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付；
2、 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定；
3、 如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

碰撞检测
“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。

争用期
最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延 2称为争用期，或碰撞窗口。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

最短有效帧长
以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

以太网的 MAC 层
在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。

适配器检查 MAC 地址
1、 适配器从网络上每收到一个 MAC 帧，就首先用硬件检查 MAC 帧中的MAC 地址。如果是发往本站的帧，则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理；
2、 “发往本站的帧”包括以下三种帧：单播(unicast)帧（一对一）、广播(broadcast)帧（一对全体）、多播(multicast)帧（一对多）。

3.4 扩展的以太网

虚拟局域网 VLAN
每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。