计算机网络（谢希仁版）——第三章导读

Posted 2020-09-21

　　※数据链路层讨论什么

　　数据链路层讨论的是局域网中主机与主机间的连接问题，网络（IP）层讨论的主要是网络与网络互连的问题。

　　在数据链路层（局域网）使用的信道主要有两种：点对点信道和广播信道，我们具体要讨论的就是这两个信道的特点，以及它们所使用的协议的特点。但在讨论过程中，我们会先讨论数据链路层的三个基本问题，然后再讨论点对点信道、广播信道。此外我们还会讨论一些些额外知识。

 

 

 

　　数据链路是什么意思？

　　“链路”指的是两个结点间的物理线路（有线或无线），中间没有其它结点，而“数据链路”则是指链路与其实现协议的硬软件的整体。

 

 

 

　　数据链路层的工作是什么？

　　将网络层（不一定是IP层，有可能不是TCP/IP体系）交下来的数据封装成“帧”，以及把“帧”中的数据取出交给网络层。

　　

 

 

 

 

　　※数据链路层的三个基本问题

　　数据链路层也有多种协议（比如点对点信道和广播信道就有不同的协议），但都需要解决三个基本问题：

　　1.如何封装成帧      2.如何实现“透明传输”     3.如何进行差错检测

　　如何封装成帧？

　　为网络层的数据（IP数据报）加上首部和尾部即可封装成帧，首部和尾部根据不同的协议会带有不同的控制信息。

　　

　　但即使在不同的协议中，首部和尾部都必须有“帧定界符”来确定一个帧的范围。（因为帧的数据部分长度不是固定的，所以整个帧的长度也是不固定的）

　　

　　举例来说，我们以00000001作为帧的起始定界符（SOH，start of header），00000100作为帧的结束定界符（EOT，end of transmission），那么当接收方收到SOH时就知道一个帧开始了，而收到EOT时则知道一个帧结束了，如果发送方未发送完就中断了，然后重新发送，接收方也会因为接受到两个SOH（中间没接收到EOT）而确定第二个SOH前面的数据应该丢弃。

　　什么是“透明传输”，如何实现？

　　“透明”即“实际存在的事物却看不到”

　　数据链路层的帧定界符会阻碍数据的传输。假定00000001表示SOH，00000100表示EOT，那么帧的数据部分（IP数据报）就不能出现00000001和00000100，否则就会使得数据链路层的传输出错。而“透明传输”就是要实现“虽然存在SOH和EOT这两个阻碍，但要让数据‘

看不出’有这俩个阻碍”，也就是通过技术手段让IP数据报可以出现SOH和EOT而不影响数据链路层的传输。

　　

　　实现“透明传输”的方法之一就是利用“转义字符”（ESC）来进行字节填充，例如假设ESC为00110000，那么当帧的数据部分出现了SOH或EOT时，只需要在“封装帧”时，在SOH或EOT前面加上00110000即可让接收方明白“这里不是帧定界符而是数据本身”。

　　那么当数据中出现了“转义字符”又该怎么办？

　　通过连续的两个ESC来表示，比如数据中出现了转义字符00110000，那么封装成帧时，在00110000前再加上00110000即可。

　　

　　如何进行差错检测？

　　首先需要明白的是，数据链路层的差错检测只负责“位差错”的检测，而不负责“帧差错”的检测（仅限于通信质量良好的线路，如果通信质量较差则会采用确认-重传机制）。

　　所谓“位差错”即帧当中的某些位出了差错，比如发送的1接收时为0或者发送的0接收时为1.

　　“帧差错”则是指接收方出现了“帧丢失”，“帧重复”或“帧失序”的情况，比如一个IP数据报被分为了帧1，帧2和帧3，但传输过后，接收方只接受到帧1和帧3（丢失帧2），或者接收方接受到了帧1，帧2，帧2，帧3（帧2重复），或者接受到的是帧2，帧1，帧3（失序）

　　目前数据链路层广泛采用的是循环冗余检验技术（CRC，实现方法略），将CRC计算所得的冗余码加在帧数据部分的尾部（帧检验序列FCS）

 

 

 

 

　　什么是PPP协议？

　　PPP即Point-to-Point Protocol，是目前使用最广泛的用于点对点链路的数据链路层协议。（用户计算机和ISP之间就是采用PPP协议）

　　

 

 

 

 

 

　　PPP协议有什么特点？

　　1.简单，不需要纠错（只检错），不需要序号（不管帧差错），接收方收到一个帧就进行CRC检验，正确就收下，出错就扔掉，不需要做其他事情。

　　2.封装成帧     3.透明性      4.差错检测

　　5.支持多种链路和多种网络层协议

　　6.负责检查连接状态

　　7.对数据部分有最大传输单元（Max Transmission Unit，MTU）的限定

　　8.允许双方“协商”部分事宜（网络层地址，数据压缩方式）

 

 

 

　　※简单来说，PPP协议由以下三部分组成

　　1.封装IP数据包的方法（MTU，透明性，差错检测等均在内）

　　2.建立、配置、测试数据链路链接的链路控制协议LCP（Link Control Protocol）

　　3.负责支持不同网络层协议的一套网络控制协议NCP（Network Control Protocol）

 

　　

 

 

　　PPP协议中的帧是怎样的？

　　

　　PPP帧的首部有4个部分，尾部有2个部分

　　首部的4个部分分别是F段，A段，C段和协议段

　　F段即Flag段，也就是帧定界符，表示帧的开始与结束（尾部表示结束的也是F段，两者均为0x7E）

　　A段和C段在最初时是准备给以后的某种应用的，但目前为止还没有用上，所以两者一直是0xFF和0x03

　　协议段的内容决定了“帧的信息部分是什么”，如果协议段为0x0021，则信息部分为IP数据报，如果协议段为0xC021，则信息部分为链路控制协议LCP的数据，如果协议段为0x8021则信息部分为网络层的控制数据（网络控制协议NCP）

　　尾部的2个部分分别是帧检验序列FCS和帧定界符F段（与首部的相同）

 

 

 

 

　　※PPP实现透明传输的方式有两种，一种是通过之前所说的字节填充（“转义字符”）来实现（具体实现方式略），另一种则是“零比特填充”。

　　字节填充方式在PPP中主要适用于异步传输的情况（数据并不是从第一个位到最后一个位一次性传输完毕的，比如出现信道时分复用的情况）

　　当同步传输时，PPP采用零比特填充的方式。PPP中的帧定界符为0x7E，也就是1111110。所以我们可以通过以下方式来避免数据部分出现1111110：

　　发送方每当数据部分出现连续的5个1，即11111时，就在其后加一个0。接收方则每当遇到11111，就去掉其后的一个0

　　

 

　　

　　

 

　　使用PPP协议的链路的工作状态大概是怎样的？

　　按步骤来说，大致如下：

　　1.双方没有连接（包括物理层，但实际上来说双方有线路相连）

　　2.双方建立物理层连接（比如用户通过调制解调器呼叫ISP的路由器）

　　3.双方通过发送LCP的配置请求帧来协商链路配置（协商结束后即建立好LCP链路）

　　4.鉴别（可选，用于确认对方身份等用途）

　　5.双方根据网络层使用的协议，选择NCP中对应的支持协议进行配置（比如网络层使用IP协议，则分配IP地址等）

　　

 

　　

 

 

　　什么是“广播信道”？

　　广播信道即可以进行一对多通信的信道，信道上一个主机发出的信息可以被多个主机接收，因而叫广播信道，一般使用广播信道的为局域网。

　　

 

 

　　什么是以太网？

　　以太网就是一种局域网，在共享信道技术上采用了“随机接入”方式，早期为总线网（上图），以太是一种假想的用于传播电磁波的介质，将总线局域网命名为以太网并无特殊含义。

　　

 

　　什么是“随机接入”？

　　在第二章中我们提过一些信道复用技术，比如频分复用、时分复用，只要信道上的用户分配到了信道就可以实现共享信道，这类方法其实是“静态划分信道”，一旦划分完毕就不便更改，不适用于局域网。因此局域网必须采用“动态媒体接入控制”。

　　“动态媒体接入控制”的特点是不将信道固定的分配给用户，其又分为“随机接入”和“受控接入”两种。

　　随机接入中用户可随时发送信息，但如果信道中同时有多个用户发送消息则必须发生“碰撞”，令他们全部发送失败，然后再解决（后面讨论）。

　　受控接入则是用户不可随时发送信息，必须受到控制，受控接入的实现方法之一类似于计算机内部总线的轮询。

　　

 

　　※随机接入即以太网所采用的方式，目前来说大部分局域网都是以太网，因此以太网与局域网基本同义，讨论广播信道即讨论局域网、以太网。

 

　　※以太网有两个标准，分别是DIX Ethernet V2和IEEE 802.3，但目前TCP/IP体系中只剩下DIX Ethernet V2标准的以太网，所以很多厂商生产适配器也只配置了MAC协议（Medium Access Control）而没有配置LLC协议（Logical Link Control）。

 

 

 

 

 

　　什么是适配器？

　　适配器即通常所说的“网卡”，其功能包含数据链路层和物理层，比如实现串、并行的转换，对数据的缓存，发送和接收帧等。

　　

 

　　※计算机的硬件地址（MAC地址，之后讨论）存储在适配器的ROM中

　　计算机的软件地址（IP地址）则存储在计算机的存储器中。

 

 

 

 

 

　　※虽然广播信道上一台主机发出的信息可以被所有主机所接收到，但并不是任何时候我们都希望进行广播通信，所以如果信道上的主机有适配器，而适配器中又有唯一的硬件地址，那么我们就可以通过在帧的首部写明接收方的地址，在广播信道上实现一对一的通信。

　　

 

 

 

　　早期以太网的特点是？

　　1.采用总线结构（因为当时这种方法比较可靠）。因为采用总线结构，所以才会出现主机间的“碰撞”现象。现在的以太网通过以太网交换机可以避免“碰撞”的发生

　　

　　2.采用灵活的无连接工作方式，即主机间不需要先建立连接就可直接发送信息。但总线上同一时间只能有一台主机在发送消息，如果有多台主机同时发送消息就会发生“碰撞”，为了解决碰撞，以太网采用了CSMA/CD协议（载波监听多点接入/碰撞检测协议）来处理“碰撞”

　　3.以太网中的数据采用曼彻斯特编码方式，从而接收方可以从中提取同步信号。

 

 

 

 

　　什么是CSMA/CD协议？

　　载波监听多点接入/碰撞检测协议中：

　　载波监听其实就是“监听载波”也就是“监测信道”，协议要求每个主机都必须不停的检测信道，不论是发送前还是发送中途

　　多点接入就是指的总线结构

　　碰撞检测也就是“边发送边监测”，当适配器发送数据的同时监测信号电压的变化情况，从中判断是否有其他主机也在发送数据，如果有则说明“碰撞”发生。

　　

 

　　既然发送前已经确定没有其他主机的信号，为什么发送时还要继续监测信道？

　　因为电磁波在信道中的传输需要时间（电磁波在1km电缆的传播时间约为5微秒），有可能发送前信道中没有信号，但开始发送后却监测到信道中有其他主机之前发出的信号。

　　

 

　　当发生碰撞时，CSAM/CD协议规定怎么做？

　　首先，当发生碰撞时，主机应停止继续发送帧。但并不能一等到信道空闲就重新发送，因为如果发生碰撞的主机都在监测信道，那么大家都会发现信道空闲然后重新发送，就会再次发生碰撞。因此当碰撞发生后，必须经过一定时间才能再次发送信息，如何确定主机多久以后发送才是难点所在。以太网采用截断二进制指数退避算法来确定主机重传的时间。

 

　　截断二进制指数退避算法是怎样的？

　　首先需要了解一些前提知识：

　　在图3.17中，主机A从发送数据开始到监测到碰撞最多需要2τ时间（称为“争用期”），也就是说主机A发送数据2τ时间（经过争用期）后就可以确定自己不会被“打断”。同理，一个以太网中必然存在最远的两台主机，这两台主机间信号传输需要的时间记为τ，那么整个以太网的争用期也就是2τ。一般以太网规定争用期时间为51.2微秒，也即τ=25.6微秒（这足够电磁波传送5km的电缆，对于以太网来说足够了）。

　　在确定争用期时间后，以太网中的主机每当发生碰撞，就从一个离散整数集[0,1,…,2^k-1]中随机取一个数，其中k=Min[重传次数，10]，将取出的数与争用期时间相乘，即重传的等待时间。比如第二次碰撞重传时，k=2，集合为[0,1,2,3]，从中取一个随机数乘以2τ，假设取出2，则等待4τ时间，然后重传。

　　当重传次数达到16次，就说明信道中需要发送数据的主机太多，则丢弃该帧并向上汇报。

　　使用本退避算法可以很好的起到“随着重传次数的增加，重传推迟的平均时间也增加”的效果

 

 

 

　　※有一种特殊情况是某个主机发送了一个很短很短的帧，该帧发送完毕时依然没有遇到碰撞，但却在传输过程中发生了碰撞，此时接收方将收到有差错的帧从而丢弃它，但发送方却不知情从而不会重传此帧。为了避免这种情况，以太网规定了帧的最低长度，如果要发送的数据真的很少，也必须加入一些填充字节来达到最低长度要求。

 

 

 

　　※强化碰撞即发送数据的主机在发送时遇上碰撞，此时不仅停止继续发送数据，还要发送一些人为干扰信号以告知所有用户现在发生了碰撞。