计算机网络：数据链路层（计算机网络数据链路层的功能）

计算机网络：数据链路层（计算机网络数据链路层的功能）

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一、 使用点对点信道的数据链路层

1.数据链路和帧

链路 (link) 是一条无源的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。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。

现在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。

也有人采用另外的术语。这就是把链路分为物理链路和逻辑链路。物理链路就是上面所说的链路。逻辑链路就是上面的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议。早期的数据通信协议曾叫做通信规程 (procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。

数据链路层不必考虑物理层如何实现比特传输的细节。甚至还可以更简单地设想好像是沿着两个数据链路层之间的水平方向把帧直接发送到对方。

2.三个基本问题

数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题则是共同的。这三个基本问题是：

2.2透明传输

透明指某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。“在数据链路层透明传送数据”表示无论发送什么样的比特组合的数据，这些数据都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层。

2.3差错检测

(1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受 (accept)。 (2) 若余数 R ≠ 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。

但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

冗余码的计算举例 现在 k = 6, M = 101001。设 n = 3, 除数 P = 1101，被除数是 2^n*M = 101001000。 模 2 运算的结果是：商 Q = 110101，余数 R = 001。把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。发送的数据是：2nM + R，即：101001001，共 (k + n) 位。

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。

应当注意仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受 (accept)。“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。单纯使用 CRC 差错检测技术不能实现“无差错传输”或“可靠传输”。应当明确，“无比特差错”与“无传输差错”是不同的概念。在数据链路层使用 CRC 检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。要做到“无差错传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。 本章介绍的数据链路层协议都不是可靠传输的协议。

二、 点对点协议 PPP

1. PPP 协议的特点

1.1PPP 协议应满足的需求

简单 —— 这是首要的要求。封装成帧 —— 必须规定特殊的字符作为帧定界符。透明性 —— 必须保证数据传输的透明性。多种网络层协议 —— 能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议。多种类型链路 —— 能够在多种类型的链路上运行。差错检测 —— 能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。检测连接状态 —— 能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。最大传送单元 —— 必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元 MTU 的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性。网络层地址协商 —— 必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。数据压缩协商 —— 必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。

1.2.PPP 协议不需要的功能

纠错 流量控制 序号 多点线路 半双工或单工链路

1.3PPP 协议的组成

PPP 协议有三个组成部分：一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

2. PPP 协议的帧格式

PPP 帧的首部和尾部分别为 4 个字段和 2 个字段。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）。地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。控制字段 C 通常置为 0x03。PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。

2.1PPP 协议的帧格式

2.2透明传输问题

当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。 当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和 HDLC 的做法一样）。

2.3字符填充

将信息字段中出现的每一个 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。

2.4 字符填充法

2.5零比特填充

2.6 不提供使用序号和确认的可靠传输

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。

3.PPP 协议的工作状态

三、 使用广播信道的数据链路层

1.局域网的数据链路层

局域网最主要的特点是：

网络为一个单位所拥有； 地理范围和站点数目均有限。

局域网具有如下主要优点：

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、可用性和残存性。

1.1局域网拓扑结构

1.2局域网传输媒体

1.3共享信道带来的问题

1.4媒体共享技术

静态划分信道频分复用时分复用波分复用码分复用 动态媒体接入控制（多点接入）随机接入受控接入 ，如多点线路探询 (polling)，或轮询。

1. 以太网的两个标准 DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE 802.3 是第一个 IEEE 的以太网标准。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”。严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 。

1.5数据链路层的两个子层

为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，IEEE 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。

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。

一般不考虑 LLC 子层由于 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。很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。

1.7 适配器的作用

2. CSMA/CD 协议

2.1以太网采取了两种重要的措施

曼彻斯特编码缺点是：它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。

2.2以太网提供的服务

CSMA/CD 含义：载波监听多点接入 / 碰撞检测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 。“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。“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。 总线上并没有什么“载波”。因此， “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。

2.3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”。

2.4 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。

2.5争用期

最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2r （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。以太网的端到端往返时延 2r 称为争用期，或碰撞窗口。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。

2.6二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type)

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。

基本退避时间取为争用期 2r 。 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。 参数 k 按下面的公式计算：k = Min[重传次数, 10] 当 k ≤10 时，参数 k 等于重传次数。 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

例如：第 1 次冲突重传时：k = 1，r 为 {0，1} 集合中的任何一个数。第 2 次冲突重传时：k = 2，r 为 {0，1，2，3} 集合中的任何一个数。第 3 次冲突重传时：k = 3，r 为 {0，1，2，3，4，5，6，7} 集合中的任何一个数。10 Mbit/s 以太网争用期的长度

10 Mbit/s 以太网取 51.2 s 为争用期的长度。 对于 10 Mbit/s 以太网，在争用期内可发送 512 bit，即 64 字节。

这意味着：以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。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。覆盖范围在 10 Mbit/s 以太网 51.2 μs 的争用期内，信号能传输多远的距离？以太网上最大的端到端单程时延必须小于争用期的一半（即 25.6 μs），这相当于以太网的最大端到端长度约为 5 km。

2.7CSMA/CD 协议的重要特性

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）。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。 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。

3. 使用集线器的星形拓扑

3.1使用集线器的双绞线以太网

3.2 星形以太网 10BASE-T

使用无屏蔽双绞线，采用星形拓扑。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。双绞线的两端使用 RJ-45 插头。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此集线器的可靠性提高。 10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100m。

10BASE-T 以太网在局域网中的统治地位这种 10 Mbit/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。 具有很高的性价比。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。从此以太网的拓扑就从总线形变为更加方便的星形网络，而以太网也就在局域网中占据了统治地位。

3.3 集线器的一些特点

4.以太网的信道利用率

5.以太网的 MAC 层

5.1 MAC 层的硬件地址

单播 (unicast) 帧（一对一） 广播 (broadcast) 帧（一对全体） 多播 (multicast) 帧（一对多）

所有的适配器都至少能够识别前两种帧，即能够识别单播地址和广播地址。有的适配器可用编程方法识别多播地址。只有目的地址才能使用广播地址和多播地址。以混杂方式 (promiscuous mode) 工作的以太网适配器只要“听到”有帧在以太网上传输就都接收下来。

5.2 MAC 帧的格式

四、 扩展的以太网

1.在物理层扩展以太网

使用光纤扩展

优点

使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。 扩大了以太网覆盖的地理范围。 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。

2. 在数据链路层扩展以太网

2.1网桥与以太网交换机

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和过滤。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，或把它丢弃。 1990 年问世的交换式集线器 (switching hub) 可明显地提高以太网的性能。交换式集线器常称为以太网交换机 (switch) 或第二层交换机 (L2 switch)，强调这种交换机工作在数据链路层。

2.2 以太网交换机的特点

2.3 以太网交换机的交换方式

存储转发方式：把整个数据帧先缓存后再进行处理。直通 (cut-through) 方式：接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的 MAC 地址决定该帧的转发接口，因而提高了帧的转发速度。缺点是它不检查差错就直接将帧转发出去，因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站。

2.4以太网交换机的自学习功能

2.5交换机自学习和转发帧的步骤归纳

2.6理解以太网交换机的自学习功能

2.7交换机使用了生成树协议

IEEE 802.1D 标准制定了一个生成树协议 STP (Spanning Tree Protocol)。其要点是：不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象。

2.8从总线以太网到星形以太网

早期，以太网采用无源的总线结构。现在，采用以太网交换机的星形结构成为以太网的首选拓扑。总线以太网使用 CSMA/CD 协议，以半双工方式工作。以太网交换机不使用共享总线，没有碰撞问题，因此不使用 CSMA/CD 协议，以全双工方式工作。但仍然采用以太网的帧结构。

2.9 局域网存在的问题

局域网存在的以下几个方面的问题：扩展性安全性可管理性 等

2.10总线以太网 和 10Base_T 星形以太网

2.11 广播域

2.12采用以太网交换机的星形以太网

3.虚拟局域网

3.1虚拟局域网优点

虚拟局域网（VLAN）技术具有以下主要优点：改善了性能简化了管理降低了成本改善了安全性

3.2划分虚拟局域网的方法

基于交换机端口基于计算机网卡的MAC地址基于协议类型基于IP子网地址基于高层应用或服务

3.3虚拟局域网使用的以太网帧格式

五、 高速以太网

1.100BASE-T 以太网

速率达到或超过 100 Mbit/s 的以太网称为高速以太网。100BASE-T 在双绞线上传送 100 Mbit/s 基带信号的星形拓扑以太网，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)。1995 年IEEE已把 100BASE-T 的快速以太网定为正式标准，其代号为 IEEE 802.3u。

1.1100BASE-T 以太网的特点

可在全双工方式下工作而无冲突发生。在全双工方式下工作时，不使用 CSMA/CD 协议。MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。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 米。帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在的 0.96 s 。

2.吉比特以太网

允许在 1 Gbit/s 下以全双工和半双工两种方式工作。使用 IEEE 802.3 协议规定的帧格式。在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议，全双工方式不使用 CSMA/CD 协议。与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。吉比特以太网可用作现有网络的主干网，也可在高带宽（高速率）的应用场合中。

3.10 吉比特以太网 (10GE) 和更快的以太网

4.使用以太网进行宽带接入

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