计算机网络基础---数据链路层

Posted 2021-01-19 xiaokang01

数据链路层知识梳理

在数据链路层传输的数据单位为：帧

 

链路和数据链路

链路：一条点到点的物理线路。

数据链路：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。（用网卡来实现这些协议的硬件和软件）

数据发送的模型

 

数据链路层主要使用的通道：

广播讯道：

一对多通信，一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到。

所有的节点都在同一个广播信道上发送数据，因此需要有专门的控制方法进行协调，避免发生冲突（冲突也叫碰撞）。

主要有两种控制方法进行协调，一个是使用信道复用技术，一是使用 CSMA/CD 协议。

点对点传播：

一对一通信。

因为不会发生碰撞，因此也比较简单，使用 PPP 协议进行控制。

 

数据链路层传输的是帧：

 

数据链路层的三个基本问题：封装成帧，透明传输，差错检测

封装成帧

 

就是在一段数据的前后添加首部和尾部，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。  （分片）

MTU：最大传输单元，不能超过1500字节

 

为什么加一个头部和尾部：

如果在接收端，只收到首部或者尾部，没有全都收到，就会将这个不完整的帧丢弃，重新接受

 

透明传输

透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。

帧使用首部和尾部进行定界，如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容，那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。

需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符，那么就在转义字符前面再加个转义字符。

在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符，用户察觉不到转义字符的存在。

在传输过程中，我们用一般传输的是ASCII，其中有打印字符和非打印字符，

我们用非打印字符作为帧定界符：代码SOH（Start Of Header）作为帧开始定界符，代码EOT（End Of Transmission）作为帧结束定界符。

如果我们传输的文本中也含有帧定界符的话， 为了防止错误就要加上转义字符，ESC作为转义字符。 

 

差错检测

目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验（CRC）来检查比特差错。

现实的通信链路都不会是理想的。这就是说，比特在传输过程中可能会产生差错：1可能会变成0，而0也可能变成1，这就叫做比特差错。

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。目前在数据链路层广泛使用了循环冗余检验CRC(Cyclic Redundancy Check）的差错检验技术

降低误码率（BER，Bit Error Rate），广泛使用循环冗余检测（CRC，Cyclic Redundancy Check）

 

PPP协议

互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网，PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。

PPP 的帧格式：

• F 字段为帧的定界符
• A 和 C 字段暂时没有意义
• FCS 字段是使用 CRC 的检验序列
• 信息部分的长度不超过 1500

PPP的帧格式分为首部和尾部，分别为四个字段和两个字段。

首部的F（flag）表示帧定界，如果连续出现两个表示为空帧。

A和C目前无意义。然后是协议字段。表示后面的ip数据报存放的是什么信息数据。

信息部分长度不能超过1500字节

尾部的FCS占2个字节表示使用CRC的帧检验序列。

 

MAC地址

 

MAC 地址是链路层地址，长度为 6 字节（48 位），用于唯一标识网络适配器（网卡）。

一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器，因此就有两个 MAC 地址。

mac帧格式：

前两个字段为6字节的目的地址和源地址字段，第三个字段是2字节的类型字段，表示数据段的是什么信息。

第四个字段是46--1500字节的数据字段（46字节=64字节减去18字节的首部和尾部），第五个字段是4个字节的帧检验序列。

 

局域网：

局域网是一种典型的广播信道，主要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。

主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术，目前以太网占领着有线局域网市场。

可以按照网络拓扑结构对局域网进行分类

 

以太网

以太网是一种星型拓扑结构局域网。

早期使用集线器进行连接，集线器是一种物理层设备， 作用于比特而不是帧，当一个比特到达接口时，集线器重新生成这个比特，并将其能量强度放大，从而扩大网络的传输距离，之后再将这个比特发送到其它所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧，那么就发生了碰撞。

目前以太网使用交换机替代了集线器，交换机是一种链路层设备，它不会发生碰撞，能根据 MAC 地址进行存储转发。

以太网帧格式：

• 类型 ：标记上层使用的协议；
• 数据 ：长度在 46-1500 之间，如果太小则需要填充；
• FCS ：帧检验序列，使用的是 CRC 检验方法；
• 前同步码 ：只是为了计算 FCS 临时加入的，计算结束之后会丢弃。

 

 

虚拟局域网

虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组，只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息。

例如下图中 (A1, A2, A3, A4) 属于一个虚拟局域网，A1 发送的广播会被 A2、A3、A4 收到，而其它站点收不到。

使用 VLAN 干线连接来建立虚拟局域网，每台交换机上的一个特殊接口被设置为干线接口，以互连 VLAN 交换机。IEEE 定义了一种扩展的以太网帧格式 802.1Q，它在标准以太网帧上加进了 4 字节首部 VLAN 标签，用于表示该帧属于哪一个虚拟局域网。