第三章数据链路层

Posted 2020-12-17 heathhou

1. 数据链路层基本概念及基本问题

1.1 基本概念

1.1.1 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。

1.1.2 链路与数据链路

1. 链路(link)是一条点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。
   • 一条链路只是一条通路的一个组成部分。
2. 数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
   • 现最常用的方法是使用适配器(即网卡)来实现这些协议的硬件和软件。
   • 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

1.1.3 数据链路层传送的是帧

常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。

帧：帧头 + 帧尾 + 物理层地址 + 校验值

1.2 三个基本问题

1.2.1 封装成帧

1.2.2 透明传输

1.2.3 差错控制

1. 传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。
   • 在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。
   • 误码率与信噪比有很大的关系。
   • 为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。
2. 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。
   • 在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。
   • 假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。
   • 冗余码的计算
     • 用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。
     • 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少1 位，即 R 是 n 位。

3. 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。

   • 循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。
   • CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。
   • FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。

4. 特点：

5. 小结

   

2. 两种情况下的数据链路层

2.1 使用点对点信道的数据链路层（PPP协议）

1. 广域网，使用点对点信道的数据链路层，PPP协议
2. PPP协议就是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。
3. 现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。
4. 用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。

2.1.1满足与不需要满足的要求：

2.1.2 PPP协议的组成

2.1.3 PPP协议帧格式

1. 标志字段 F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。
2. 地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。
3. 控制字段 C 通常置为 0x03。
4. PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。

2.1.4 字节填充

1. 异步传输：以字节为单位传输，PPP使用字节填充。
2. 问题：信息字段中出现了标志字段的值，可能会被误认为是“标志”，怎么办？
   • 将信息字段中出现的每个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5E)。
   • 若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 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），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。

2.1.5 零比特填充

1. 同步传输：以帧为单位传输，PPP使用零比特填充。

2. PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输

3. 在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除。

4. 图示

   

2.1.6 不使用序号和确认机制

1. PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：
   • 在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理。
   • 在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。
   • 帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。

2.1.7 PPP协议的工作状态

1. 当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。
2. PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。
3. 这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。
4. 通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

2.2 使用广播信道的数据链路层（CSMA/CD）

1. 局域网，使用广播信道的数据链路层，CSMA/CD协议
2. CSMA/CD协议，半双工方式工作，后来的以太网交换机是全双工工作方式。
3. 将802.3局域网简称为“以太网”
4. 为了好理解，满足CSMA/CD协议的都算是以太网。
5. CSMA/CD协议：比如一些使用总线网，星形网，集线器的网络。
6. CSMA/CD即载波侦听多路访问/冲突检测，是广播型信道中采用一种随机访问技术的竞争型访问方法，具有多目标地址的特点。它处于一种总线型局域网结构，其物理拓扑结构正逐步向星型发展。CSMA/CD采用分布式控制方法，所有结点之间不存在控制与被控制的关系。

2.2.1 局域网的拓扑

1. 星形网
2. 总线网
3. 环状网
4. 树形网

2.2.2 局域网的特点与优点

1. 局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
2. 局域网具有如下的一些主要优点：
   • 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
   • 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
   • 提高了系统的可靠性、可用性和生存性。

2.2.3 共享通信媒体

1. 静态划分信道
   • 频分复用
   • 时分复用
   • 波分复用
   • 码分复用
2. 动态媒体接入控制（多点接入）
   • 随机接入（主要被以太网采用！）
   • 受控接入 ，如多点线路探询(polling)，或轮询。（目前已不被采用）

2.2.4 认识以太网

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。
4. 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。

2.2.5 以太网使用CSMA/CD协议

1. CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。

2. “多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

3. “载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。

   • “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。

4. 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。

   • 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

5. 检测到碰撞后：

   • 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。
   • 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

2.2.6 电磁波在总线上的有限传播速率的影响

1. 当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。
2. A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。
3. B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。
4. 碰撞的结果是两个帧都变得无用。

2.2.7 重要特性

1. 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。
2. 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。
3. 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。

2.2.8 争用期

1. 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2t （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。
2. 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。
3. 以太网的争用期
   • 以太网的端到端往返时延 2t 称为争用期，或碰撞窗口。通常，取 51.2 ms 为争用期的长度。
   • 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。
   • 以太网在发送数据时，若前 64 字节未发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。
4. 最短有效帧长：

• 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。
• 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。
• 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。

2.2.9 二进制指数类型退避算法

1. 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。
   • 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2t。
   • 定义参数 k ： k = Min[重传次数, 10]
   • 从整数集合[0,1,…, (2k -1)]中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。
   • 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

3. 以太局域网（以太网）

3.1 概述

3.1.1以太网的两个标准

1. pDIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。
2. pIEEE 的 802.3 标准。
3. DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。
4. 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 。
5. 为了好理解，满足CSMA/CD协议的都算是以太网。

3.1.2 以太网与数据链路层的两个子层

1. 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：
   • 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层
   • 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。
2. 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的 。
3. 由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。
4. 很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。

3.1.3 以太网提供的服务

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. 当接收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。

3.2 拓扑

每个站到集线器的距离不超过100米。

3.2.1 集线器的一些特点

3.2.2 10Base-T

1. 10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。
2. 这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。
3. 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。
4. 其他：100Base-FX、100Base-T和100Base-T4….

3.3 以太网的信道利用率

1. 以太网的信道被占用的情况：
2. 争用期长度为 2t，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。
3. 帧长为 L (bit)，数据发送速率为 C (b/s)，因而帧的发送时间为 L/C = T0 (s)。

3.4 MAC层

3.4.1 MAC层的硬件地址(MAC地址)

1. 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。
2. 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。
3. 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。
   • IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)。
   • 地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。
   • 一个地址块可以生成224个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是EUI-48。
   • “MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。

3.4.2 适配器检查 MAC 地址

3.5 MAC帧格式

1. 类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。
2. 数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段，最小长度 64 字节 - 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 。
3. 数据字段 46 ~ 1500 字节。
4. 当传输媒体的误码率为 1乘以10的-8 次方时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 1乘以10的-14次方。
5. 当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。
6. 在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧。
7. 为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的,要比 MAC 帧还多 8 个字节

3.6 无效的 MAC 帧

1. 帧的长度不是整数个字节；
2. 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；
3. 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
4. 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
5. 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。

3.7 帧间最小间隔

1. 帧间最小间隔为 9.6 ms，相当于 96 bit 的发送时间。
2. 一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 ms 才能再次发送数据。
3. 这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

4. 扩展以太网

4.1 物理层扩展以太网

1. 组建了一个大的冲突域。
2. 用集线器扩展局域网优点
   • 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
   • 扩大了局域网覆盖的地理范围。
3. 用集线器扩展局域网缺点
   • 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
   • 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。

4.2 数据链路层考虑扩展

1. 优化以太网：网桥 --> 交换机：端口带宽独享，安全，基于MAC地址转发，通过学习构建MAC地址表
2. 在数据链路层扩展局域网是使用网桥。
3. 网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。
4. 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，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

4.2.1网桥的内部结构

4.2.2 使用网桥扩展以太网

4.2.3 使用网桥扩展以太网：好与坏

1. 好：

• 过滤通信量。
• 扩大了物理范围。
• 提高了可靠性。
• 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。

2. 坏：

• 存储转发增加了时延。
• 在MAC 子层并没有流量控制功能。
• 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。
• 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。

4.2.4 透明网桥

1. 目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。
2. “透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。
3. 透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。

5. 高速以太网

5.1 100BASE-T 以太网

1. 速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。
2. 在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。
3. CSMA/CD协议对全双工方式工作的快速以太网是不起作用的，但在半双工方式工作时则一定要使用CSMA/CD协议。
4. 100Base-T以太网的物理层：
   • 100BASE-TX：使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。
   • 100BASE-FX ：使用 2 对光纤。
   • 100BASE-T4：使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。

5.2 100Base-T特点

1. 可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。
2. CSMA/CD协议对全双工方式工作的快速以太网是不起作用的，但在半双工方式工作时则一定要使用CSMA/CD协议。
3. MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。
4. 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。
5. 帧间时间间隔从原来的 9.6 ms 改为现在的 0.96 ms。

5.3 吉比特以太网

1. 允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。
2. 使用 802.3 协议规定的帧格式。
3. 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。
4. 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。
5. 当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发

5.4 吉比特以太网的物理层

1. 1000BASE-X 基于光纤通道的物理层：
   • 1000BASE-SX SX表示短波长 传输距离275 或 550米
   • 1000BASE-LX LX表示长波长 550米或5000米
   • 1000BASE-CX CX表示铜线 传输距离25米
2. 1000BASE-T
   • 使用 4对 5 类线 UTP

5.5 10 吉比特以太网

1. 10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。
2. 10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。
3. 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。
4. 10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。

5.6 端到端的以太网传输

1. 10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。
2. 这种工作方式的好处是：
   • 成熟的技术
   • 互操作性很好
   • 在广域网中使用以太网时价格便宜。
   • 统一的帧格式简化了操作和管理。

5.7 以太网从 10 Mb/s 到10 Gb/s的演进

1. 以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是：
   • 可扩展的（从 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。
   • 灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。
   • 易于安装。
   • 稳健性好。

5.8 使用高速以太网进行宽带接入

1. 以太网已成功地把速率提高到 1 ~ 10 Gb/s ，所覆盖的地理范围也扩展到了城域网和广域网，因此现在人们正在尝试使用以太网进行宽带接入。
2. 以太网接入的重要特点是它可提供双向的宽带通信，并且可根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。
3. 采用以太网接入可实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率和降低了传输的成本。