计算机网络数据链路层总结

Posted 2021-01-17 duye

数据链路层

目录

1. 数据链路层概述
   • 基本概念
   • 数据链路层的三个基本问题
2. 点对点信道的数据链路层
   • 概述
   • PPP协议的组成
   • PPP帧的格式和要求
   • PPP协议的工作状态
3. 广播信道的数据链路层
   • 局域网和以太网
   • 广播信道数据链路层的任务
   • 适配器
   • CSMA/CD协议的要点
   • 以太网应用CSMA/CD协议
   • 信道利用率
   • 以太网的MAC层
   • 扩展以太网
   • 高速以太网以及问题

1. 数据链路层概述

基本概念

数据链路层讨论的是如何把网络层的数据封装成帧，有效的进行通信传输。

链路是指：一个结点到另一个结点的具体的物理线路。

数据链路是指：在链路上加之实现通信协议的软件和硬件。

实现数据链路层的硬件和软件主要是网卡（但适配器工作在物理层和数据链路层）。

此层的协议数据单元PDU叫做帧。这是将数据报加之首部和尾部形成的。

数据链路层的三个基本问题

1. 封装成帧

   指将数据报加之首部和尾部形成帧。首部和尾部是必要的，主要作用是帧定界、添加控制信息，以及差错控制。

2. 透明传输

   如果是文本文件，可以用SOH/EOT充作帧开始、结束控制符，但数据中可能也出现SOH/EOT，这时需要加转义字符ESC，如ESC-SOH,ESC-EOT,ESC-ESC，以达到透明传输。

   这里的透明指的是，数据链路层对传输的数据透明，传输的数据实际上感受不到数据链路层所做的操作。

3. 差错检测

   奇偶检测、循环冗余CRC等。

   采用CRC，采用n+1位除数（由生成多项式得到），得到n位余数，称作帧检验序列FCS。

   检测时，将传输得到的数据除以同一个除数，若余数0，则可以说无差错。

   若有差错，直接丢弃，除此之外，不做任何操作。

   故差错检测只是检测了bit错误，并不能解决帧失序、丢失、重复等问题。

   也就是说，数据链路层实现的是尽最大努力的交付，即不可靠的传输。

2. 点对点信道的数据链路层

概述

点对点信道主要用于用户同ISP（验证身份）通信时。早期使用高级数据链路控制HDLC，已经淘汰，现在用的是PPP协议，即point-to-point protocol，点对点通信协议。

PPP协议的组成

由三个部分组成：

1. 一个将数据报封装成帧的方法

2. 一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP。

   通信双方用以协商。

3. 一套网络控制协议。

   每一个协议支持不同的网络层协议，也就是说PPP支持不同的网络层协议。

PPP协议帧的格式和要求

PPP帧的格式如下：

格式划分	F	A	C	网络层协议	数据报	FCS	F
具体内容	7E	FF	03	如C021（IP）	数据部分	-	7E
字节数	1	1	1	2	<=1500	2	1

其中，F,A,C都是固定的，A是地址，C字段实际上无用。

实现透明传输：

PPP协议为实现透明传输，采用的策略是：

1. 异步：字节填充（字符填充）。

   在数据部分，(7E->7D,5E)、(7D->7D,5D)、(小于0x20的，前面添加7D)

2. 同步：零比特填充

   即每遇到5个1，添加一个0。

PPP协议工作状态

<课本P81>，重点。

3. 广播信道的数据链路层

局域网和以太网

局域网（LAN）指的是一个网络为一个单位所拥有，地理位置和站点数据有限，统称。局域网的工作跨越了物理层和数据链路层。

以太网是局域网的一种实现方式，但如今以太网占据了绝大多数市场，故某种意义上，以太网就是局域网。

以外网的标准有DIX Ethernet V2和IEEE 802.3。二者差别不大，现在广泛使用的是DIX Ethernet V2。

IEEE 802.3把以太网的数据链路层划分为：逻辑链路控制（LCP）和媒体接入控制（MAC），但LCP实际上并无用，现在只使用MAC层。

以外网的其他特点：

1. 以太网采用的是尽最大努力的交付，不可靠的交付。
2. 以太网采用使用CSMA/CD协议。
3. 以太网采用的是曼彻斯特编码，基带信号传输。这种编码中间跃变，由高->低为1，反之为0。

广播信道数据链路层的任

广播信道主要由总线式网络，环形网，星形网等。

广播信道的数据链路层讨论的是如何在一个网络中实现一对一、一对多通信。这里要解决的问题是，总线网络上不能有两个站点同时发送数据，否则就称碰撞（冲突）。

必须有解决这个问题的协议，这就是CSMA/CD协议。

但首先应了解其他几个概念。

适配器

即网卡，实现了数据链路层协议，工作于物理层和数据链路层。

适配器的另一个作用是实现并行通信和串行通信的转换。外网--适配器为串行，而适配器--主机为并行。

适配器还配有ROM，实现缓存，这样可以实现不同速率的兼容。

另外，需要注意，适配器中的ROM中是硬件地址，即MAC地址，而在计算机的存储器中存有IP地址，即软件地址。

CSMA/CD协议的要点

CSMA/CD协议全称：载波多点监听/碰撞检测。他解决的问题是如何在总线局域网上进行“有效”通信。

CSMA/CD的要点如下：

1. 多点接入

   CSMA/CD协议适用于广播信道，允许总线上多个站点接入。协议的核心是载波监听和碰撞检测。

2. 载波监听

   由于总线型广播信道上同一时刻只允许一个站点发送数据，故站点需要时时检测信道上是否有其他站点发送数据，这就是载波监听。检测信道通过才能获得发送权。

   载波监听发生在：一个站点发送数据之前，以及发送数据的过程中。一旦发现有其他站点发送数据，则立即停止发送。

   顺便指出，信道上发送的是基带信号，并没有载波，“载波”一词为借用。

3. 碰撞检测（冲突检测）

   碰撞检测就是“边发送边监听”。适配器边发送数据边检测信道上信号变化情况，看是否发生了 碰撞。若有两个计算机同时发送数据，则信道上的信号电压变化幅度会超过一定的门限值，则计算机（适配器）能够发现这种变化，后续作出进一步响应。

Question：既然每个站点发送数据前，信道已经清空，为什么发送过程中还要碰撞检测（可能发生碰撞）？

Answer： 信号传播需要时间。1Km的电缆传播时延为5us，记单程端到端时延为(t)，若A站点向B站点发送数据后，经过极短时间(e)（(e)小于(t) us），数据尚未到达B，(e)时刻B依然检测到信道为空，此时B也发送数据，那么在时间(t-e/2) 时刻，发生碰撞，则A端在(2t-e)时刻检测到碰撞发生。

另外，定义单程端到端时延的两倍为争用期，因为从上面分析可以看到，A最迟在(2t)时刻检测到碰撞发生（当(e)趋向于0），在A发送数据(2t)时间内若不发生碰撞，则之后不会发生碰撞。下面对以太网应用CSMA/CD协议的具体规定。

以太网应用CSMA/CD协议

以太网应用CSMA/CD协议，实现了半双工通信，其具体的规定和要点如下：

1. 以太网发送数据采用曼彻斯特编码。

2. 发送前（中）载波监听。

3. 争用期2t定义为51.2us，对于10Mbit/s的以太网，可以算出争用期内发送了512bit数据，故也称作512比特时间。在这个时间内，传播的距离约为5km，但实际上达不到这么多。

   由于争用期内必须发送完512bit才能检测是否发生了碰撞，故以太网规定最短帧长为512bit，即64字节，若数据不够，则需要填充。

4. 若检测到发生碰撞，等到一段时间后再发送。具体的等待时间采用截断二进制指数退避算法，即：

   在区间([0,1,3,...(2^k-1)])内随机选出一个数(r)，等待(r×2t)时间。即随机个争用期的时间。

   具体(k)为：(重传次数，k = Min(重传次数，10))。

   另外，规定重传次数达到16次，则表示想发送数据的站点太多，丢弃该帧，向高层报告。

5. 强化碰撞策略。一旦检测到发生碰撞，则立即发送32或48bit的人为干扰信号，让所有站点都知道发生了碰撞。

6. 帧最小间隔为9.6us。因为以太网的帧并没有个帧结束定界，故最小间隔是应有的，这样也可以保证接收站点来得及缓存清理和处理。

7. 时间计算。若发送时延为(t0)，传播时延为(t)，A发送完毕到检测到发生碰撞的时延为(tB)，强化信号时延为(tJ)，则因为碰撞浪费的时延为(tB+tJ)，总线被占用的时延为(tB+tJ+t)，因为最后1bit还要经过一个单程端到端时延。

信道利用率

说明以太网信道利用率。

发送一帧的时间是（若干个争用期时间(2t)）+发送时延(T_0) + 单程端到端时延(t)。可见，提高信道利用率，就要减小(t)和(T0)之比。定义：$a = frac {t} {T_0} (，希望)a$越小越好。

信道极限利用率为：假设发生碰撞，极限利用率为：

(S_{max}=frac{T_0}{T_0+t}=frac{1}{1+a}) ，可见，(a)越小越好。

以太网的MAC层

上面提到过，对于广播信道，802.3将数据链路层划分为LLC和MAC，但实际上LLC无用，只讨论MAC。MAC就是媒体接入控制的意思。因而，实际上广播信道的数据链路层就是指MAC层。

MAC地址

MAC地址是一个硬件地址，于网卡的ROM中。他是一个48bit即6个字节的序列，现在使用的是EUI-48。一个地址是一个站的名字或者标识符，它由注册管理机构RA同一颁发。前三个字节为公司标识符，即组织唯一标识符OUI，这是生产公司申请到的。后三个字节为扩展标识符，为公司自己制定。

IEEE规定，MAC地址的第一字节的最低位为I/G位，标志是I（individual）或者G（group），为I时为0，表示单个站地址，G时为1，表示组地址，用来多播。

MAC地址的第一字节的倒数第二位为G/L位，表示全球管理(0)/本地管理(1)，若不申请全球OUI，也可以使用本地管理，即将G/L位置1。

这样，实际上全球MAC共有(2^{44})个。

局域网内就根据MAC地址进行发送、接受数据，当某站点接收到帧，检查MAC目的地址是否与本机MAC相匹配，不匹配则不接受。

发送的帧包括：单播帧、广播帧（全1）和多播帧。

MAC帧格式

MAC帧（+最前面插入8字节）格式如下：

前同步码	帧开始定界符	目的地址	源地址	类型	数据	FCS
1010..10	1010101011	目的MAC	本站MAC	网络层类型	数据报	CRC检验
7字节	1字节	6字节	6字节	2字节	46-1500字节	4字节

1. 上面的表格中，前8个字节不属于MAC帧内容，只是为了帧同步和开始定界，CRC也不检测前8字节是否出错。
2. MAC帧的范围是64字节-1518字节，数据部分是46-1500字节。

扩展以太网

扩展以太网主要从下面两方面。

物理层上扩展以太网

工作在物理层的转发器、集线器，将多个局域网连接起来，扩大碰撞域，但并不增加吞吐量。

数据链路层扩展以太网

使用工作在数据链路层的以太网交换机，扩大以太网。交换机可以实现全双工，并行，存储数据帧缓存，以及自学习交换表（地址表）进行转发。这种方式增加了吞吐量。

应注意自学习交换表的方法，P100，另外，为了防止数据在物理环路上绕圈子，采用“生成树协议STP”，将某些链路在逻辑上切断，其过程类似于最小生成树。

虚拟局域网

不同局域网内的几个计算机可以虚拟的连接起来构成虚拟局域网VLAN，以实现某些特定目的。

VLAN就是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。

VLAN的帧增加了4个字节的VLAN标识符，标记此站点属于哪个VLAN。

这样可以防止广播风暴。

器件

总结工作在物理层的：转发器、集线器hub。

工作于数据链路层：交换机。

工作于物理+数据链路层：适配器。

高速以太网以及问题

传统以太网指的是10BASE T，意义10：10Mbit/s，BASE：基带信号，T：双绞线。

之前还有：

10BASE 5：10：10Mbit/s，BASE：基带信号，5：500m粗缆。

10BASE 2：10：10Mbit/s，BASE：基带信号，2：200m细缆。

现在带宽逐渐提高，已经有：

100BASE T：100：100Mbit/s，BASE：基带信号，T：双绞线。

吉比特以太网、10吉比特以太网等。

100BASE T

将带宽提高10倍，帧格式不变。参数(a=frac{t}{T_0})，(T_0)变为(1/10)，则(a)增加10倍，信道利用率降低。100 BASE T采用的策略是保证最短帧长不变，争用期减少到(1/10)，即争用期为5.12us，帧最小间隔是0.96us，（这其实是将物理线路最长长度减少到(1/10)，实际中100BASE-TX是100m）

吉比特以太网

发送速率1G bit/s。帧格式不变，吉比特以太网可以工作在半双工和全双工下，保持(a)不变，采取：

1. 半双工下

   仍然保持物理线路最长为100m（与100BASE-T同），最短帧长依然为512bit（64字节），但争用期不再是512bit时间，而是512字节时间（扩大8倍），这样，发送不足512字节的帧，需要进行填充处理，使得达到512字节，这叫载波延伸。另外，还有分组突发功能，第一个短帧采用载波延伸，后面跟着的短帧则一个接一个发送，形成长度达到1500字节的数据。（这是为了保证不要每个短帧都填充，只要过了争用期就好了。）

2. 全双工下

   不需要载波延伸和分组突发，因为不会发生冲突。

10吉比特以太网（10GE）

帧格式不变，只工作于全双工，不使用CSMA/CD协议，没有争用期之说。

NOTE：半双工下采用CSMA/CD，全双工不用CSMA/CD。