计算机网络 数据链路层 协议知识点总结

计算机网络 数据链路层 协议知识点总结

计算机网络  性能指标

速率：速率就是数据传输（数据是指0和1）的速率，比如你用​​迅雷​​下载，1兆每秒，来衡量目前数据传输的快慢。它是计算机网络中最重要的一个性能指标。 速率就是发送数据的速度。带宽：在计算机网络中，网络带宽是指在单位时间（一般指的是1秒钟）内能传输的数据量，比如说你家的电信网络是100兆比特，意思是，一秒内最大的传输速率是100兆比特。 有百兆网卡，千兆网卡，万兆网卡。所有流量加一块超不过网卡最高速率，这里最高速率是没有空闲时间，这里只能说接近带宽，但是达不到带宽（数据包是分组交换，每个数据包之间都会有间隔）每秒网卡，或者路由器的接口，或者交换机的接口每秒可以传送多少比特。

在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力。表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。单位是 bit/s，即 “比特每秒”

速率带宽区别

这个带宽呢，就是这个网卡的最高的传输速率，就跟一个马路一样啊，这个马路最高啊，每秒钟过100辆车啊，这是带宽的意思啊，然后速率呢，比方说每秒钟，现在他虽然可以过100辆，但是现在呢，每秒钟就过了五辆，那就相当于速率。

数据链路层

OSI参考模型的第 2 层。负责物理层面上两个互连主机间的通信传输，将由 0 、 1 组成的比特流划分成数据帧传输给对端，即数据帧的生成与接收。

数据链路层作用

链路：网络中两个结点之间的物理通道，链路的传输介质主要有双绞线、光纤和微波。分为有线链路、无线链路。

数据链路：两络中两个结点之间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成数据链路。

路由器会去掉帧的首部，拿到数据包之后，查看路由表，从哪个口出去，然后封装为该链路的协议的帧，不同的链路可以使用不同的协议。(路由器做三件件事，一件事去掉帧首部，拿到ip数据包，第二件事情根据路由表转发ip数据包，第三件事再封装)。

可以看到数据包从pc1到pc2每过一条链路都得封装一次。不同链路，不同的的协议，那么帧的格式也就不一样。

路由器的接口，有物理层的功能，收到计算机发来的电信号，然后将封装的帧去掉，然后提交给路由器，路由器有网络层的功能，根据路由表选择接口之后，又由这个接口来封装成帧，再变成这个接口电信号，光信号。

路由器是三层设备，也有数据链路层和物理层的功能。

数据链路层使用的信道

数据链路层使用的信道可以是点对点，还有广播信道，比如同轴电缆连的网络，这就是广播信道。一个计算机通信，电信号会给到所有的计算机，这些计算机都可以收到。

点到点是指链路上就两个设备，广播信道是指链路上有多个设备。

他们使用的通信协议是不一样的。

不同链路协议不一样，帧的格式也不一样

以太网的帧封装了三个字段

还是这个数据包，看看点对点链路的帧，看到源地址，目的地址还是没有变！但是由于链路不一样，协议也不一样，帧的格式也不一样，可以看到点到点的帧就不需要MAC地址。

广播链路的局域网

广播信道使用带冲突检测的载波侦听多路访问（ CSMA/CD ）机制通信。

CSMA/CD就是广播信道使用的数据链路层协议，使用CSMA/CD协议的网络就是以太网。 点到点链路就不用冲突检测，因此没必要使用CSMA/CD协议。

使用集线器组建的局域网也是广播信道，是总线型拓扑。（A计算机和C计算机通信，那么这个信号通过集线器发给所有的口，不做任何的处理，也是一个广播信道）

点到点链路使用的是ppp协议，广播链路使用的是CSMA/CD协议

什么是集线器？

集线器（ hub ）是工作在物理层、具有信号放大功能、以它为中心的网络设备。即一个多端口的中继器，以集线器为中心，连接多个节点。广播方式发送数据，也就是说，当它要发送数据时，会发送到与集线器相连的所有节点。

由于集线器没有控制功能，因此所有终端共享带宽，同一时刻只能一个终端发送数据，多个终端同时发送数据就会产生冲突。这时，集线器、连接线缆以及连接在集线器上的终端设备构成了一个冲突域。于是采用 CSMA/CD 方式决定终端能否发送数据。

数据链路层要解决的三个问题 封装成帧

在数据链路层，探讨的是如何将一段数据传递给另外一个节点的接口。在传递的时候变成电信号，光信号，还是无线信号，我们并不关心这个，因为这是物理层需要做的事情。

封装成帧 (framing) 就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。（网络层给你了数据包，网卡就要将其封装一下，加上头和尾部，从网络层给到数据链路层的ip数据报大小是有限制的，叫做最大传输单元，以太网是1500个字节，如果超过了这个大小，那么网络层的IP数据包就要分片）（封装成帧的意思就是给网络层的数据包加上头和尾，有头有尾代表一个完整的数据）首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

数据链路层要解决的三个问题 透明传输

当数据是由可打印的 ASCII 码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符。

控制字符 SOH (Start Of Header) 放在一帧的最前面，表示帧的首部开始。另一个控制字符 EOT (End Of Transmission) 表示帧的结束。（控制字符也占用帧头部和尾部字段）

ASCII表里面有非打印的字符，这些字符不是键盘输入的，都是一些控制字符。

如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和 SOH 或 EOT 一样，数据链路层就会错误地“找到帧的边界”。当作无效帧丢弃就产生错误了。

解决透明传输问题

解决方法：字节填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character stuffing)。

发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是1B)。

接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。

如果转义字符也出现在数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符 ESC。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

封装成帧加上头和尾，传输的时候加上转义字符，接收的时候去掉转义字符，加头和尾的过程叫做封装成帧，插入转义字符和去掉转义字符的过程叫透明传输。

不同链路协议解决的透明传输的方法不一样，这个转义字符到底是啥，完全由数据链路层搞定，但是，所有的数据链路层都要解决这个问题。

差错检测

在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。误码率与信噪比有很大的关系。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。在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。

帧的数据部分+数据链路层首部来计算帧校验序列，计算完之后将帧校验序列写到帧尾部FCS字段一块发出去。接收端收到之后使用帧校验序列来验证里面有没有差错。如果有差错就丢掉了。

在数据链路层是不可靠传输，如果有差错就直接丢弃，不会重传。

数据链路层有没有重传功能，完全看数据链路层协议有没有这个功能。ppp hdlc以太网协议都不具有可靠传输，有错误就直接丢弃，由传输层来实现。

需要注意的是校验的部分是帧的数据部分和数据链路层首部，检擦这些部分在传输过程当作有没有差错。用于校验的部分写到帧的FCS位置。

循环冗余检验的原理

在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。在每组 M 后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码，然后一起发送出去。

冗余码的计算

用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少 1 位，即 R 是 n 位。将余数 R 作为冗余码拼接在数据 M 后面，一起发送出去。

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 2nM = 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。

循环冗余检验的原理说明

假设101001是我们要传输的数据，冗余码需要生成3位二进制，这个时候就需要在原始数据后面加上3个0，然后选一个除数，除数要比冗余码多一位，冗余码是3位，除数就得是4位。

这个除数其实是每种协议提前定义好的，发送端和接受端都知道这个除数。

冗余码的计算

接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验

(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。

帧检验序列 FCS

算出来的CRC叫做帧校验序列，CRC是一个算法，当然也可以通过其他算法得出帧校验序列，FCS的计算方法除了CRC还有其他算法算出帧校验序列。

在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。

循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS 并不等同。

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。

PPP 协议的特点

点到点链路不仅仅可以使用PPP协议还可以使用HDLC协议（下面是所有的数据链路层协议都有的功能）

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能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。（出现故障恢复能够自动的去建立连接）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。（如何一个数据链路层都有一个定义最大的传输单元是多少）

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

PPP协议的帧格式

还是这个数据包，看看点对点链路的帧，看到源地址，目的地址还是没有变！但是由于链路不一样，协议也不一样，帧的格式也不一样，可以看到点到点的帧就不需要MAC地址。

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）。(首部中的标志字段F(Flag)，规定为0x7E(符号0x表示它后面的字符是用十六进制表示的。十六进制的7E的二进制表示是01111110)，标志字段表示一个帧的开始。)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。

首部有四个字段F,A,C,协议。尾部有两个字段FCS,F。这个就是ppp协议规定的。

F代表开始和结束，分别占用一个字节，这一个字节的数值是16进制的。7E代表了16进制里面的0111 1110。

A是地址字段。FF全部都是1111 1111，这个地址又不代表目标MAC地址，ppp协议不涉及MAC地址。ppp协议就不需要MAC地址，从一根线的一端发送到另外一端信号，中间没有其他设备，A发送的接收端必然是B，所以有没有地址都是无所谓的，所以这个地址字段形同虚设没有什么实际的意义。

PPP 有一个 2 个字节的协议字段。（和快递一样，得指明快递里面包裹是文件还是什么类型的物品）

其值 若为 0x0021，则信息字段就是 IP 数据报。若为 0x8021，则信息字段是网络控制数据。若为 0xC021，则信息字段是 PPP 链路控制数据。若为 0xC023，则信息字段是鉴别数据。

PPP帧的尾部 尾部中的第一个字段(2个字节)是使用CRC的帧检验序列FCS。

尾部中的标志字段F(Flag)，规定为0x7E(符号0x表示它后面的字符是用十六进制表示的。十六进制的7E的二进制表示是01111110)，标志字段表示一个帧的结束。

注：标志字段就是PPP帧的定界符。连续两帧之间只需要用一个标志字段。如果连续出现两个标志字段，就表示这是一个空帧，应当丢弃。

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