计算机网络-数据链路层

Posted 2020-11-27 hoo334

Chap 3 数据链路层

 

3.1 数据链路层的功能

 　　3.1.1 为网络层提供服务

　　对网络层而言，数据链路层的基本任务是将源机器中来自网络层的数据传输到目标机器的网络层。

　　1）无确认的无连接服务。源机器发送数据帧时不需要先建立链路连接，目的机器收到数据帧时无需发回确认，对于丢失的帧交给上层处理。适用于实时通信或误码率较低的通信信道，如以太网。

　　2）有确认的无连接服务。源机器发送数据帧时不需要先建立链路连接，目的机器收到数据帧时必须发回确认。源机器在规定的时间内未收到确认信号时就重传丢失的帧。适用于误码率较高的通信信道，如无线通信。

 　　3）有确认的面向连接服务。帧传输过程分为三个阶段：建立数据链路、传输帧、释放数据链路。目的机器对收到的每一帧都要给出确认，源机器收到确认后才能发送下一帧。适用于通信要求（可靠性、实时性）较高的场合。

　　

　　3.1.2 链路管理

　　数据链路层连接的建立、维持和释放过程称为链路管理，它主要用于面向连接的服务。链路两端的结点要通信必须首先确认对方已处于就绪状态，并交换一些必要的信息以对帧序号初始化，然后才能建立连接，在传输过程中能要维持连接，传输完成后要释放该连接。

　　

　　3.1.3 帧定界、帧同步与透明传输

　　两个工作站之间传输信息时，必须将网络层的分组封装成帧，以帧的格式进行传送。将一段数据的前后分别添加首部和尾部就构成了帧。首部和尾部含有很多控制信息，它们的一个重要作用是确定帧的边界，即帧定界。帧同步指的是接收方应能从收到的二进制比特流中区分帧的起始和终止。如在   HDLC 通信规程中用标识位F（01111110）来标识帧的开始和结束。检测到帧标识位 F 即认为是帧的开始，然后一旦检测到帧标识位 F 即表示帧的结束。

 

 　　如果在数据中刚好出现 01111110 的序列会误认为是帧的结束而抛弃后面的数据，要采取有效的措施解决这个问题，即透明传输。透明传输就是不管所传送数据是什么样的比特组合，都应当能在链路上传送。

 　　

　　3.1.4 流量控制

　　由于收发双发各自的工作速率和缓存空间的差异可能发送方的发送能力大于接受方的接收能力的现象，流量控制实际上就是限制发送方的数据流量，使其发送速率不超过接收方的接收能力。

　　流量控制并不是数据链路层特有的功能，许多高层协议也提供此功能，只不过控制的对象不同而已。对于数据链路层来说，控制的是相邻两节点之间数据链路上的流量，对于传输层来说，控制的则是源端口到目的端口之间的流量。

 

 

　　3.1.5  差错控制

　　由于信道噪声等原因，帧在传输过程中可能会出现错误。用以使发送方确定接收方是否正确收到由其发送的数据的方法称为差错控制。通常，这些错误可分为位错和帧错。

　　位错指帧中某些位出现了差错。通常采用循环冗余校验（CRC）方式发现位错，通过自动重传请求（Automatic Request reQuest，ARQ）方式来重传出错的帧。发送方将数据帧加CRC校验码一起发送，接收方根据检错码对数据帧进行错误检测，若发现错误则丢弃，发送方超时重传该数据帧。ARQ法只需返回很少的控制信息就可有效确认所发数据帧是否被正确接收。

　　帧错指帧的丢失、重复或失序等错误在数据链路层引入定时器和编号机制，能保证每一帧最终都能有且仅有一次正确地交付给目的结点。

 

3.2 组帧

　　数据链路层之所以要把比特组合成帧为单位传输，是为了在出错时只重发出错地帧，而不必重发全部数据，从而提高数据。为了接收方能正确地接收并检查所传输地帧，发送方必须依据一定地规则把网络层递交地分组封装成帧（称为组帧）。组帧主要解决帧定界、帧同步、透明传输等问题。

　　组帧既要加首部又要加尾部。 接收方依靠帧中地定界符来区分帧地开始和结尾。分组（IP数据报）仅是包含在帧中的数据部分。

　　3.2.1 字符计数法

　　字符计数法是指在帧的头部使用一个计数字段来标明帧内字符数。如果计数字段出错后面的全部出错。

 

 　　

　　3.2.2 字符填充法的首尾定界符法

　　字符填充法使用一些特定的字符来定界一帧的开始（DLE STX）与结束（DLE ETX）。为了使信息位中出现的特殊字符不误认为帧的首尾定界符，可以在特殊字符前面填充一个转义字符（DLE）来加以区分（转义字符使ASCII 码中的控制字符，是一个字符 DLE只是一个代号），以实现数据的透明传输。

 

 上图中信息部分含有一个转义字符DLE，因此在传输过程中添加一个转义字符，接收方将其去掉。

　　

　　3.2.3 零比特填充的首尾标志法

　　使用 01111110 来标志一帧的开始和结束。在信息位中遇到连续的5个1则自动在后面添加一个0。性能优于字符填充法。

 

 

　　3.2.4 违规编码法

　　在物理层进行比特编码时，通常采用违规编码。例如曼彻斯特码。可以借用违规编码序列来定界帧的起始和终止。

　　目前较常用的组帧方法是比特填充法和违规编码法。

 

3.3 差错控制

 　　比特传输是传输差错的一种，这里仅讨论比特差错。通常利用编码技术来进行差错控制，主要有两类：自动重传请求ARQ和前向纠错FEC。在ARQ方式中，接收端检测出差错时通知发送端重发，直到收到正确的码字。在FEC 方式中，接收端不但能发现差错还能确定出错位置纠错。差错控制可分为检错编码和纠错编码。

　　3.3.1 检错编码

　　1）奇偶校验码。在信息位后添加一位校验，以传输11100101 为例，如果是奇校验码 信息位中有5个1 为奇数则信息位为0，11100101 0 。如果是偶校验码 校验位为1 11100101 1。“奇”（“偶”）代表加上信息位之后的 “1” 的个数为 奇（偶）。它分为垂直奇偶校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验。

　　2）循环冗余码。又称多项式码，任意一个由二进制数位串组成的代码都可以与一个只含有0和1两个系数的多项式建立一一对应关系。

　　给定一个 m bit 的帧或报文，发送器生成 r bit 的序列称为帧检验序列（FCS）。形成的帧将由m+r bit 组成。发送方和接收方事先商定一个多项式 G(x) （最高位和最低位必须为1），使这个带校验码的帧刚好能被预先确定的多项式 G(x) 整除。接收方用同样的多项式去除收到的帧，如果无余数，认为无差错。

　　假设一个帧有 m 位，对应的多项式为 M(x)，计算冗余码的步骤如下;

　　a. 加0。假设G(x)的阶为 r ，在帧的低位端加上 r 个0。

　　b. 模2除（不涉及借位，0-1=1） 用帧的数据串除G(x)的数据串得到的余数为冗余码（共 r 位，前面的 0 不可以省略）。

 

 

　　3.3.2 纠错编码

　　以下海明码编码原理与过程。

 

 　　

3.4 流量控制与可靠传输机制

　　3.4.1 流量控制、可靠传输与滑动窗口机制

　　流量控制涉及对链路上的帧的发送速率的控制，以使接收方有足够的缓冲空间来接收每个帧。

　　流量控制的基本方法是由接收方控制发送方的速率，常见的方式有两种：停止-等待协议和滑动窗口协议。

　　1）停止-等待流量控制基本原理

　　发送方每发送一帧，都要等待接收方的应答信号才能发送下一帧，效率很低。

　　2）滑动窗口流量控制基本原理

　　在任意时刻，发送发都维持一组连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口。同时接收方也维持一组连续的允许接收帧的序号，称为接收窗口。发送方每接收到一个确认帧，发送窗口就向前滑动一个帧的位置。

　　滑动窗口特性：

　　a.只有接收窗口向前滑动（同时接收方发送了确认帧时），发送窗口才有可能向前移动（发送发接收到了确认帧）。

　　b.从滑动窗口概念上看，停止-等待协议、后退 N 帧协议和选择重传协议只在发送窗口大小与接收窗口大小上有所差别：

　　停止-等待协议：发送窗口大小 = 1，接收窗口大小 = 1

　　后退 N 帧协议：发送窗口 > 1，接收窗口大小 = 1

　　选择重传协议：发送窗口 > 1，接收窗口大小 = 1

　　c.接收窗口大小为 1 时，可保证帧的有序接收。

　　d.数据链路层的滑动窗口协议中，窗口的大小在传输过程中是固定的，传输层的滑动窗口会改变。

　　3）可靠传输机制

　　数据链路层的可靠传输通常使用确认和超时重传两种机制来完成。确认是一种无数据的控制帧，这种控制帧使得接收方知道哪些内容被正确接收。有时候为了提高传输效率，将确认捎带在一个回复帧中，称为捎带确认。超时重传是发送方在发送数据帧后一段时间内没有收到确认帧，重新发送该数据帧。

　　自动重传请求（ARQ）通过接收方请求发送方重传出错的数据帧来恢复出错的帧。传统的自动重传请求分三种，停止-等待 ARQ，后退N帧 ARQ ，选择性重传 ARQ。

　　停止等待 ARQ：发送一帧，确认一帧。超时重传。

　　后退 N 帧 ARQ：可以连续发送窗口内的帧，接收方接收窗口为 1 可以保证按序接收数据帧。如果采用 n 比特对帧编号， 则其发送窗口W的大小应满足 1 <= W <= 2^n-1 。如果发送方窗口大于上限就会造成无法分辨新帧和旧帧。

 

 　　2 号帧出错，丢弃窗口内所有帧。

　　3）选择重传 ARQ

　　设法只重传出现差错的数据帧或计时器超时的帧，必须加大接收窗口，接收发送序号不连续但仍处在接收窗口中的那些数据帧。等到所缺失的帧后一起交给主机。若采用 n 比特对帧编号则满足发送窗口W1 + W2 <= 2^n 。接收窗口不应超过发送窗口 。一般情况下 W1=W2 = 2^(n-1)。

 

 　GBN 和选择重传 都使用累计确认 收到 3 号帧的确认说明 接收方已经收到 0 - 3 号帧。　

　　信道效率：发送方在一个发送周期的时间内，有效地发送数据所需要地时间占整个发送周期的比率。

　　例如，发送方从开始发送数据开始到收到第一个确认帧为止，称为一个发送周期，设为T，发送方在这个周期内共发送L比特的数据，发送方的数据传输率为C，则发送方用于发送有效数据的时间为L/C，在这种情况下 信道利用率为 (L/C)/T。

　　信道吞吐率 = 信道利用率 * 发送方的发送速率。

3.5 介质访问控制

　　介质访问控制所要完成的任务是，为使用介质的每个结点隔离来自同一信道上其他结点所传送的信号，以协调活动结点的传输。用来决定广播信道中信道分配的协议属于数据链路层的一个子层，称为介质访问控制（Medium Access Control， MAC）子层。

　　3.5.1 信道划分介质访问控制

　　信道划分介质访问控制将使用介质的每个设备与来自同一通信信道上的其他设备的通信隔开，把时域和频域资源合理地分配给网络上地设备。在一条介质上同时携带多个传输信号的方法来提高系统的利用率，这就是多路复用。

　　1）频分多路复用（FDM）：将多路基带信号调制到不同频率载波上，再叠加形成一个复合信号的多路服用技术。

　　2）时分多路复用（TDM）：将一条物理信道按时间分成若干时间片，轮流地分配给多个信号使用。每个时间片由复用的一个信号占用。

　　3）波分多路复用（WDM）：在一根光纤中传输多种不同波长的光信号。

　　4）码分多路复用（CDM）：采用不同的编码来区分各路原始信号。

　　码分多址（Code Division Multiple Access ，CDMA）是码分复用的一种方式。每比特时间分成 m 个更短的时间槽，称为码片。当两个或多个站点同时发送时，各路数据在信道中线性相加。为从信道中分离出各路信号，要求各个站点的码片序列相互正交。

　　可以把多个站点发送的数据看作多个向量，这些向量都是两两正交的。发送方和接收方都有相同的、独一无二的码片序列。在信道中多个向量线性相加，在接收端用码片序列和信道中多个向量的和做规格化内积（点乘后取平均值）我们知道正交的向量点乘的结果为0，其他的向量可以忽略掉。只有发送方的向量做规格化内积。结果为 1 则代表 发送1 ，结果为 -1 代表发送0.。

　　

　　3.5.2 随机访问介质访问控制

　　当有两个或多个用户同时发送信息时，就会产生帧的冲突。为了解决帧的碰撞，每个用户须按照一定的规则重传它的帧，知道该帧无碰撞地通过。常用的协议有 ALOHA 协议、CSMA 协议、CSMA/CD协议、CSMA/CA协议等，他们的核心思想是：胜利者争用获得信道，从而获得信息的发送权。随机介质访问控制机制实质上是将一种广播信道转化为点到点信道的行为。

　　1）ALOHA 协议

　　a. 纯 ALOHA 协议 ：不检测信道状态 直接发送 ，一段时间没收到确认 等待一段随机的时间后再发送，直到成功。假设网络负载（T 时间内所有站点发送的所有帧数）为G,纯ALOHA吞吐量（T时间内发送成功的平均帧数）为 S = G*e^(-2*G) 。当G=0.5时。 S = 0.184

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

　　b.时隙 ALOHA 协议 ：把所有各站在时间上同步起来，并将时间划分为一段段等长的时隙，规定只能在每个时隙开始才能发送一个帧。在一个时隙内又两个或以上的帧到达时在下一个时隙产生碰撞碰撞后重传策略与纯 ALOHA 协议相似。网络吞吐量S与网络负载关系是 S = G*e^(-G) 。当G=0.5时。 S = 0.368

　　2）CSMA 协议（Carrier Sense Multiple Access，载波监听多路访问）

 

　　3）CSMA/CD 协议 （Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection， 载波监听多路访问/碰撞检测）有线局域网--以太网

　　CSMA/CD 是 CDMA 的改进，CSMA/CD 适用于总线型网络或半双工网络。“载波监听”指发送前前检测总线上是否有其他站点在发送数据，若有则暂时不发送数据，等待信道变为空闲再发送。”碰撞检测“ 就是边发送边监听，即适配器边发送边监听信道上信号电压的变化情况，判断是否有其他站点是否也在发送数据。

　　CSMA/CD 的工作流程可概括为 “先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发”。

　　采用CSMA/CD 协议的以太网不可能进行全双工通信，只能进行半双工通信。

 

 

 　　为了确保发送站在发送数据的同时能检测到可能存在的冲突，需要在发送完帧之前就能收到自己发送出去的数据，帧的传输时延至少要两倍于信号在总线中的传播时延，所以CSMA/CD 总线网中所有数据帧必须要大于一个最小帧长。最小帧长 = 总线传播时延*数据传输率*2. 以太网最小帧长64B 最大帧长1500B。

　　

　　二进制退避算法：确定基本退避时间，一般取两倍的总线端到端传播时延 2r 。定义参数 k ，它等于重传次数 k=min(重传次数，10)。从离散的整数集合 0 ~ 2^k -1 中随机取出一个数n，重传所需要退避的时间就是n倍的基本退避时间 2nr。当重传16次仍不成功抛弃此帧，向上层报告。

　　4）CSMA/CA 协议 （Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidence）无线局域网

　　无线局域网环境下，不能简单地搬用CSMA/CD 协议，特别是碰撞检测部分。主要有两个原因 a.接收信号地强度会远小于发送信号地强度，无线介质上信号强度地动态变化范围很大，若要实现碰撞检测，硬件上地花费就会过大。b.在无线通信中，并非所有站点都能听见对方，即存在“隐蔽站”问题。　　

　　CSMA/CA 采用二进制指数退避算法。任何一个站要发送数据帧时，不仅要等待一个时间间隔，还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次试图接入信道。

　　CSMA/CA 还使用预约信道、ACK帧、RTS/CTS 帧等三种机制来实现碰撞避免：

　　预约信道：发送方在发送数据的同时向其他站点通知自己传输数据需要的时间长度，以便让其他站点在这段时间内不会发送数据，从而避免碰撞。

　　ACK帧：所有站点在正确接收到发给自己的帧（除广播帧和组播帧）后，都需要向发送方发回一个ACK帧。

　　RTS/CTS 帧：可选的碰撞避免机制，主要解决无线网中的 “屏蔽站”问题。

　　CSMA/CD 与 CSMA/CA 区别：

　　CSMA/CD 可以检测冲突但无法避免；CSMA/CA 发送包的同时不能检测信道上有无冲突，只能尽量避免。

　　CSMA/CD 用于总线形以太网， CSMA/CA用于无线局域网 802.11 a/b/g/n等。

　　CSMA/CD 通过电缆中的电压变化来检测；CSMA/CA 采用能能量检测、载波检测、和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。

　　总结：CSMA/CA 在发送数据前广播告知其他结点，让其他结点不要发送数据。CSMA/CD 发送前侦听，边发送边侦听，一旦出现碰撞停止发送。

　　

　　3.5.3 轮询访问介质访问控制：令牌传递协议

　　在轮询访问中，用户不能随机地发送消息，而是要通过一个集中控制的监控站，以循环方式轮询每个结点，再决定信道的分配。典型的轮询访问介质访问控制协议是令牌传递协议，主要用在令牌环局域网中。当环上一个站希望传送帧时，必须等待令牌。一旦收到令牌，站点便可启动发送帧。帧在环上传送时，不管该帧是否是发给本站点的，所有站点都进行转发，直到该帧回到它的始发站，并由始发站撤销该帧。帧的目的站除转发帧外，应针对该帧维持一个副本。当计算机都不需要发送数据时，令牌在环形网上游荡。数据链路层研究的是点到点之间的通信。

 

3.6 局域网

　　3.6.1局域网的基本概念和体系结构

　　局域网（LAN）是指在一个较小的物理范围内，将各种设备通过双绞线等连接介质互相连接起来组成资源和信息共享的计算机互联网络。

　　局域网的特性主要由三个要素决定：拓扑结构、传输介质、介质访问控制方式，最重要的是介质访问控制方式，决定局域网的技术特性。

　　常见的局域网拓扑结构：星形、环形、总线形和星形总线形复合型结构。

　　局域网的介质访问控制方式有 CSMA/CD、令牌总线和令牌环，其中前两种方法主要用于总线形局域网，令牌环主要用于环形局域网。

　　三种特殊的局域网拓扑实现如下：

　　以太网：逻辑拓扑是总线形结构，物理拓扑是星形或拓展星形结构。

　　令牌环：逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是星形结构。

　　FDDI（光纤分布数字接口）：逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是双环结构。

　　IEEE 802标准定义的局域网参考模型只对应于OSI参考模型的数据链路层和物理层，将数据链路层拆分成两个子层：逻辑链路控制（LLC）子层和媒体接入控制（MAC）子层。与接入传输媒体有关的内容都放在MAC子层，主要功能包括：组帧和拆帧、比特传输差错检测、透明传输。LLC子层与传输媒体无关，它向网络层提供无确认无连接、面向连接、带确认无连接、告诉传送4种不同的连接服务类型。

　　3.6.2 以太网与IEEE 802.3

　　1）以太网的传输介质与网卡

　　IEEE 802.3 标准是一种基带总线形的局域网标准。

 

 　　网卡工作在数据链路层和物理层。出厂时自带MAC地址。

　　2）以太网的MAC帧

 

 　　由于总线上使用的是广播通信，因此网卡从网络上每收到一个MAC帧，首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址，如果是发往本站的帧就留下否则丢弃。

　　以太网帧结构：

　　前导码：使接收端与发送端时钟同步。第一个字段7B，是前同步码，用来快速实现MAC帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，1B。

　　注意：MAC帧并不需要帧结束符，在以太网传输帧时，各帧之间必须有一定的间隙。但不要误以为以太网帧不需要尾部，在数据链路层上帧既要加首部又要加尾部。

　　地址：通常使用MAC地址，6B。

　　类型：2B，指出数据域中携带的数据应交给哪个协议实体处理。

　　数据：46~1500B，包含高层的协议信息。由于CSMA/CD 限制，以太网帧必须满足最小长度64B

　　校验码（FCS）：4B，采用32位循环冗余校验码（CRC），不但需要校验MAC帧的数据部分还要校验目的地址、源地址和类型字段，但不校验前导码。

　　3）高速以太网

　　a. 100BASE-T 以太网：100Mb/s 星形拓扑结构以太网，半双工使用 CSMA/CD，全双工不使用CSMA/CD。

　　b. 吉比特以太网：1Gb/s 半双工使用 CSMA/CD，全双工不使用CSMA/CD。

　　c.10吉比特网：10Gb/s 只使用光纤作为传输媒体，只工作在全双工方式，没有争用问题，不使用CSMA/CD。

　　

　　3.6.3 IEEE 802.11

　　IEEE 802.11 是无线局域网的一系列协议标准，包括 802.11a 和802.11b等。它们制定了MAC 层协议，运行在多个物理层标准上。

　　802.11 的MAC 层采用CSMA/CA 协议进行介质访问控制。

　　无线局域网可分为两大类：固定基础设施无线局域网和无固定基础设施无线局域网自组织网络。

　　a. 有固定基础设施无线局域网：802.11标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集（BSS）。一个基本服务集包括一个基站和若干移动站。BSS内可直接通信，与BSS外的站点通信时要通过本BSS的基站。基本服务集中的基站也称接入点，其作用和网桥相似。

　　b. 无固定基础设施无线局域网自组织网络

　　自组织网络没有上述基本服务集的接入点，而是由一些平等状态移动站相互通信组成的临时网络。各站点之间地位平等，中间结点都为转发结点，这些结点都具有路由器功能。

 

　　3.6.4 令牌环网的基本原理

　　令牌环网的每一站通过电缆与环接口干线耦合器（TCU）相连。TCU 的主要作用是，传递所有经过的帧，为接入站发送和接收数据提供接口。TCU 的状态有收听和发送状态。在令牌环网中有一个令牌沿着环形总线在入网结点计算机间依次传递，令牌实际上是一个特殊格式的MAC控制帧，它本身不包含信息，仅控制信道的使用，确保在同一时刻只有一个结点能够独占信道。

　　令牌环网物理上采用星形拓扑结构，逻辑上仍是环形拓扑结构。

 

3.7 广域网

　　3.7.1 广域网基本概念

　　广域网通常指覆盖范围很广的长距离网络。广域网是因特网的核心部分，其任务是长距离运送主机所发送的数据。

　　广域网由一些结点交换机几连接这些交换机的链路组成。结点交换机的功能是将分组存储并转发。局域网使用的协议主要在数据链路层，而广域网使用的协议主要在网络层。

 

 　　广域网一个重要问题是路由选择和分组转发。路由选择协议负责搜索分组从某个结点到目的结点的最佳传输路由，以便构造路由表，然后从路由表再构造出转发分组的转发表。分组通过转发表转发。PPP 协议和HDLC 协议是目前最常用的两种广域网数据链路层控制协议。

　　3.7.2 PPP 协议

　　PPP（Point-to-Point Protocol）是使用串行线路面向字节的协议，该协议应用再直接连接两个结点的链路上。设计的目的只要是用来通过拨号或专线方式建立点对点发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共同解决方案。

 

　　PPP协议有三个组成部分

　　1）链路控制协议（LCP）。一种扩展链路控制协议，用于建立、配置、测试和管理数据链路。

　　2）网络控制协议（NCP）。PPP协议采用多种网络层协议，每个不同的网络层协议要用一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。

　　3）一个将IP数据报封装到串行链路的方法。IP数据报在PPP帧中就是其信息部分，这个信息部分的长度受最大传输单元（MTU）的限制。

 

 　　标志字段F 仍为01111110 前后各占1B若它出现在信息字段中，必须做字节填充，使用的控制转义字符为 7D 。在PPP中，地址字段A占1B，规定为0xFF，控制字段C占1B，规定为0x03，两者的内容始终不变。PPP是面向字符的，因而所有PPP帧的长度都是整数个字节。协议字段占2B，说明信息段中运载的是什么种类的分组，以比特0开始的是诸如IP、IPX这样的网络层协议；以比特1开始的用来协商其他协议。信息段长度是可变的，大于等于0且小于等于1500B。FCS 检验地址字段、控制字段、协议字段和信息字段。

　　PPP提供差错检测但不提供纠错功能，只保证无差错接收。是不可靠的传输协议，也不使用序号和确认机制。仅支持点对点的链路通信。PPP只支持全双工链路。PPP的两端可以运行不同的网络协议。

　　3.7.3 HDLC 协议

　　高级数据链路控制（High-level Data Link Control）协议是ISO 制定的面向比特的数据链路层协议。

 

　　1）站。HDLC 有3种站类型：主站、从站和复合站。主站负责控制链路的操作，主站发出的帧成为命令帧。从站受控于主站，按主站的命令进行操作，发出的帧称为响应帧。有些站既有主站的功能又有从站的功能，称为复合站，可以发出两种帧。

 

　　2）数据操作方式

　　a. 正常相应方式。非平衡结构操作方式。主站向从站传输数据，从站响应传输，从站只有收到主站的许可后，才可进行响应。

　　b. 异步平衡方式。平衡结构操作方式。每个复合站都可以进行对另一站的数据传输。

　　c. 异步响应方式。非平衡结构操作方式。从站即使未收到主站的允许也可以传输。

　　3）HDLC 帧

 

 　　标志段F：8 bit，01111110。采用比特填充的首尾标志法实现透明传输。地址字段A：8 bit 使用非平衡方式传送数据时，站地址写入从站的地址，使用平衡方式传送数据时，站地址写入应答站的地址。控制字段C：根据其第一位或第一第二位的取值可以将HDLC 帧分为三类：

　　1）信息帧，第一位为0，用来传输数据信息，或使用捎带技术对数据进行确认。

　　2）监督真，第一二位为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，低一二位为11，用于提供对链路的建立、拆除等多种控制功能。

 

　　 PPP与HDLC区别：

　　1）PPP面向字节，HDLC 面向比特

　　2）PPP帧比HDLC帧多一个2B的协议字段，当协议字段为0x0021时，表示信息字段是IP数据报。

　　3）PPP不使用序号和确认机制，只保证无差错接收，端到端差错检测由高层负责。HDLC信息帧使用了编号和确认机制，能够提供可靠传输。

 

3.8  数据链路层设备

　　3.8.1 网桥的概念及其基本原理

　　两个或多个以太网通过网桥连接后，就成为一个覆盖范围更大的以太网，原来的以太网称为一个网段。网桥工作在链路层的MAC子层，可以使以以太网各网段成为隔离开的碰撞域。网桥处理数据是帧它工作在数据链路层，中继器放大器处理的对象是信号，它工作在物理层。

 

　　网桥的基本特点：

　　1）具备寻址和路径选择的能力，以确定帧的传输方向

　　2）从源网络接收帧，以目的网络的介质访问控制协议向目的网络转发该帧

　　3）网桥在不同或相同类型的LAN之间存储并转发帧，必要时还进行链路层上的协议转换。

　　4）网桥对接收到的帧不做任何修改，或只对帧的封装格式做很少的修改。

　　5）网桥可以通过帧翻译互联不同类型的局域网，即把原协议的信息段内容作为另一种协议的信息部分封装在帧中。

　　6）网桥应有足够大的缓冲空间。

 

　　网桥的优点：

　　1）能过滤通信量；2）扩大了物理范围；3）可使用不同的物理层；4）可互联不同类型的局域网；5）提高了可靠性；6）性能得到改善

　　网桥的缺点：

　　1）增大了时延；2）MAC子层没有流量控制功能（流量控制在LLC子层）；3）不同MAC子层的网桥接在一起时，需要进行帧格式的转换；4）网桥只适合用户数不多和通信量不大的局域网，否则广播信息太多引起广播风暴。

 

　　网桥必须具有路径选择的功能，接收到帧后要决定正确的路径，将该帧转送到响应的目的局域网站点。根据路径算法的不同，可将网桥分为透明网桥和源路由网桥。

　　1.透明网桥（选择的不是最佳路由）

　　接收与之连接的所有LAN传送的每一帧，到达帧的路由选择取决于源LAN 和目的LAN 。1）如果源LAN和目的LAN相同则丢弃；2）如果源LAN和目的LAN不同则转发此帧；3）如果目的LAN未知，那么扩散此帧。（网桥自学习算法）

　　2.源路由网桥（选择的是最佳路由）

　　路由选择由发送数据帧的源站负责，网桥只根据真正的路由信息对帧进行接收和转发。为了找到最佳的路由，源站以广播方式向目的站发送一个发现帧作为探测用。目的站也将一一发送应答帧；每个应答帧将通过原路径返回，途径的网桥把自己的标志记录在应答帧中；源站选出最佳路由。

　　3.两种网桥的比较

　　使用源路由网桥可以利用最佳路由，若两个以太网之间使用并联的路由器还可以是通信量较平均的分配给每个网桥。采用透明网桥时，只能使用生成树，而生成树并不能保证所有路由是最佳的，也不能在不同的链路中进行负载均衡。

　　透明网桥和源路由网桥中提到的最佳路由并不是经过路由器最少的路由，而是可以发送帧往返时间最短的路由。

 

　　3.8.2 局域网交换机及其工作原理

　　1）局域网交换机

　　以太网交换机是一个多端口的网桥，它工作在数据链路层。交换机能将网络分成更小的冲突域，为每个工作站提供更高的带宽。利用交换机还可以实现虚拟局域网（VLAN）不仅可以隔离冲突域还能隔离广播域。

　　2）原理

　　以太网交换机的原理是，检测以太端口来的数据帧的源和目的地的MAC地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据帧的MAC地址不在查找表中，则将该地址加入查找表，并将数据帧发送给响应的目的端口。

 

　　3）特点

　　a.交换机的每个端口都直接与单台主机相连，工作在全双工方式。

　　b.以太网交换机能同时连通许多对端口，使每对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样无碰撞地传输数据。

　　c.即插即用。

　　d.交换速率高。

　　e.独占传输媒体地带宽

 

　　4）两种交换方式

　　a.直通式交换机只检查帧地目的地址，帧在接收后几乎马上就能被传出去。

　　b.存储转法式交换机先将接收到地帧缓存到高速缓冲器中，检查并转发。