计算机网络( 二十二)-数据链路层(补充)

1.链路link：结点------>相邻结点的物理线路。
2.数据链路：物理线路+通信协议,通信协议(通信规程)用来控制数据的传输。
3.最常用网络适配器(硬件、软件)来实现协议。适配器包括了数据链路层和物理层两层的功能。
4.数据链路层的协议数据单元PDU------帧。

  • PDU是指对等层之间传递的数据单位。
  • 物理层的PDU------数据位
  • 数据链路层的PDU------数据帧
  • 网络层的PDU------IP数据报( 数据报、分组或包)
  • 传输层的PDU------报文段segment
  • 更高层次的PDU------数据Data

5.数据链路层任务：

  • 网络层数据------>封装成帧------>发送到链路上。
  • 收到的帧------>取出数据------>传送到网络层。
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6.数据链路层在信道上传输的数据单位是帧。而不考虑物理层的实现比特传输的细节。
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7.基本概念

  • 封装成帧：确定链路上帧的开始和结束------帧定界问题。
    • 在一段数据的前后添加首部和尾部，用于定界。
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    • 根据传输的数据类型(文本文件)------涉及编码问题，可以使用特殊字符作为帧定界符 ,SOH放在首部，EOT放在尾部。
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    • 若数据中包含帧定界符或转义字符，则在前插入一个转义字符ESC。
    • 字符填充/字节填充
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  • 透明传输：数据链路层传送的数据的比特组合是任意组合的，不受限制的。
  • 差错控制：具有检错功能。
    • 帧检验序列FCS,即冗余码。出错的帧直接丢弃。
    • 可靠传输：要做到可靠传输(即发送什么就接收什么)，就必须加上确认和重传机制。
    • 现在，数据链路层都不需要可靠传输，若数据出现差错，且需要改正是，就有上层协议来完成，这样提高了通信效率。

8.点对点协议(PPP协议)

  • 使用比较广泛的数据链路层协议。用户使用拨号电话线接入互联网，一般都使用的PPP协议。
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  • PPP协议满足的要求

    • 简单：数据链路层的帧，不需要纠错，不需要序号和不需要流量控制。
    • 封装成帧：规定特殊的字符作为帧定界符。
    • 透明性：保证数据传输的透明性。
    • 多种网络层协议：在一条物理链路上同时支持多种网络层协议的运行，同时支持在链路所连接的局域网或路由器上运行的各种网络层协议。
    • 多种类型链路:如PPPoE，是为宽带上网的主机使用的链路层协议。

  • PPPoE
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    • 以太网的hub或交换机用双绞线连接到ATU-R。
    • 加载PPPoE协议栈，是PPP协议工作在以太网上。

  • PPP满足要求：

    • 差错检验：丢弃错误的帧。
    • 检测连接状态：及时自动检测出链路上连接的活跃度------线路正常还是故障。
    • 最大传输单元：对每种类型的点对点里链路设置最大传输单元MTU的标准默认值。
      • 如果高层协议发送的分组过长并超过MTU的数值，PPP就要丢弃该帧。
      • MTU是数据链路层的帧可以载荷的数据部分的最大长度，而不是帧的总长度。
    • 网络层地址地址协商：PPP协议提供一种机制使通信的两个网络层的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：PPP协议必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。

  • PPP协议不需要的功能：

    • 纠错：PPP协议是不可靠传输；
    • 流量控制
    • 序号
    • 多点线路：只支持点对点的链路连接。
    • 半双工或单工链路：PPP协议只支持全双工链路。

  • PPP协议的组成：

    • 一个将IP数据报封装到串行链路的方法。
    • 链路控制协议LCP：建立、配置、测试数据链路。
    • 网络控制协议NCP。

  • PPP帧格式
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    • 两字节协议字段：

      • 议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。
      • 为0x8021时，表示是网络控制协议NCP的数据。
      • 0xC021时，信息字段时PPP链路控制协议LCP的数据。
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      • 标志(Flag)字段F=0x7E（01111110）。
      • 地址(Address)=0xFF:表示所有站都可以接收。PPP只用于点对点链路，该字段实际上并不起作用。
      • 控制字段C=0x03；
      • PPP是面向字节的，PPP帧的长度都是整数字节。
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    • 透明传输

      • PPP在同步传输链路时，协议采用硬件来完成比特填充(HDLC相同);

      • 在异步传输时，采用特殊的字符填充法。

        • 将信息字段中的0x7E转变为两个字节------>(0x7D，0x5E);
        • 信息字段中0x7D------>（0x7D,0x5D）
        • 信息字段出现ASCII码控制字符(数值小于0x20的字符),则在该字符前添加0x7D，同时将该字符改变。

      • 零比特填充

        • PPP协议在使用SONET/SDH链路时，使用的是同步传输(一连串的比特传输)而不是异步传输(逐个字符地传送)。
        • 这时PPP协议采用零比特填充来实现透明传输。
        • 五个1插入一个0；

      • PPP不提供序号和确认机制来实现可靠传输的考虑：

        • 在数据链路层出现差错的概率不大；
        • PPP信息部分放入的是IP数据报，不能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收。

    • PPP协议的工作状态

      • 用户拨号------>接入ISP------>路由器调制解调器对拨号确认，建立物理连接；
      • PC机向ISP发送系列LCP分组(多个PPP帧)；
      • 网络层配置，NCP给PC机分配一个临时IP地址；
      • 用户通信完毕，NCP释放网络层连接，收回IP地址，LCP释放数据链路层连接，释放物理层的连接。

9.局域网的数据链路层

  • 优点

    • 广播功能，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演变；
    • 提高了系统的可靠性、可用性和生存性。
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  • 媒体共享技术

    • 静态划分信道
      • 频分、时分复用
      • 波分、码分复用
    • 动态媒体接入控制(多点接入)
      • 随机接入：所有用户可以随机地发送信息
      • 受控接入：服从一定控制，如多点线路探询或轮询。

  • 以太网两个标准

    • 第一个以太网规约：DIX Ethernet V2，占据主流；
    • IEEE802.3，数据为10Mb/bit/s。
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  • 数据链路层的两个子层

    • 为了使数据链路层更好适应各种局域网的标准，将数据链路层分为两个子层。

      • 逻辑链路控制LLC子层

      • 媒体接入控制MAC子层

      • 与接入到传输媒体有光的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关，不管采用何种传输媒体和MAC子层的局域网对LLC子层来说都是透明的。
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      • 以后一般不考虑LLC子层，因为TCP/IP体系经常使用的局域网是DIX Ethernet V2。很多网卡仅装有MAC协议儿没有LLC协议。

  • 适配器的作用

    • 网络接口板又称为通信适配器或网络接口卡NIC，或网卡。
    • 重要功能：
      • 进行串行并行的转换。
      • 对数据进行缓存；
      • 在操作系统安装设备驱动程序；
      • 实现以太网协议。
    • 计算机通过网卡与局域网通信如下：
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    • 通过适配器和局域网通信：
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  • CAMA/CD协议

    • 通过广播方式发送数据，只有地址与数据帧首部地址一致的计算机接收数据帧。其他计算机丢弃该帧。

    • 总线两端有匹配电阻：为了吸收总线上传播的电磁波信号的能量避免在总线上产生有害电磁波反射。
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    • 为了通信方便而采用的两种措施：

      • 采用较为灵活的无连接的工作方式；
      • 对数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认(出现差错概率小)。
        • 以太网提供的是不可靠服务；
        • 对有差错的帧是否需要重传则由高层决定。
        • 对于重传的帧，以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当做新帧来传输。
        • 采用CSMA/CD协议来协调计算机对信资源的占用。
          • 使用曼彻斯特编码的信号；
          • 载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD:
            • 多点接入：总线型，表示计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。
            • 载波监听：每个站要发送数据时，要监听信道，避免发生碰撞。
            • 碰撞检测：检测信号电压的摆动值；
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            • 该协议的以太网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，存在碰撞的可能，这个发生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。
            • 争用期：在发送数据帧后经过两倍端到端往返时延就知道是否发送冲突。
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            • 强烈碰撞
              • 当发送数据的站发生碰撞，就立即停止数据发送，在继续发送若干比特的人为干扰信号，以便让所有用户都知道已经发送碰撞了。
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            • 帧间最小间隔
              • 最小帧间间隔为9.6us，相当于96比特时间。
              • 优点：为了使收到的数据帧的站的接受缓存来及清理，做好接受下一帧的准备。
        • 协议要点：
          • 适配器从网络层获取分组------>加上以太网的首部和尾部------>以太网帧------>适配器缓存；
          • 检测信道
            • 忙则一直检测信道；
            • 空闲：没有退避或退避后是空闲的，并且在96比特时间内信道保持空闲(保证最小帧间间隔)，就发生数据帧。
          • 网络适配器边发送数据边监听信道；

  • 使用集线器的星型拓扑：

    • 星型的的中间增加了一种可靠性高的设备------集线器(hub);
    • 星型网10BASE-T：
      • 不用电缆而用无屏蔽双绞线；
      • 每个站两对双绞线------发送和接收；
    • 传统以太网的连接方法：
      • 四种传输媒体------四种不同的物理层。
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    • 集线器特点：
      • 集线器在逻辑上仍是一个总线型网络。
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  • 以太网的信道利用率
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    • 信道占用情况;

      • 占用期：包括发送完数据后，比特在信道上的传播时间。

      • 要提高以太网信道利用率，就需要减小传播时间t1与T0之比，定义参数a来表示。
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        • a=0，表示已发送碰撞，就检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高；
        • a越大，表明争用期所占比例增大，浪费了很多信道资源，利用率明显降低;

      • 以太网对参数a的要求：

        • 当数据率一定时，以太网的连线长度受到限制，否则t1的数值会太大。
        • 以太网的 帧长不能太短，否则T0的值会太小，使a值太大。

      • 信道利用率的最大值：
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    • 信道利用率：

      • 假定总线上共N站，每个站发送帧的率为p；

      • 争用期2t传播时延,检测碰撞后发送干扰信号；

      • 帧长为L bit，数据发送速率为C b/s,因此帧的发送时间为T0=L/C。
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      • 站A发送成功的概率为 PA=N* p(1-p)N-1;

      • P争用期为j个=P发送j次失败但下一次成功=(1-PA)jPA;

      • 争用期的平均个数等于帧重发的次数NR；图中A即为PA。
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      • 使PA最大，则可获得最大信道利用率，对其求极值：当p=1/N时，最大值如下，当N趋向于无穷大时，为1/e;
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      • 带入Smax，当a趋向于0时，信道000最大值可达100%。

    • 参数a与时延带宽积
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  • 以太网MAC层

    • MAC层的硬件地址

      • 又称为物理地址或MAC地址；
      • IEEE802所说的地址严格说是每个站的名字或标识符------>48位。
      • 某局域网上的主机或路由器有多个适配器，则有多个地址，这种48位的地址应当是某接口的标识符。
      • 48位地址称为MAC-48，通用名称 EUI-48。
      • MAC地址实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48；
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        • I/G:1比特，称为单个或组地址标志，它指明MAC地址单个的地址(0),还是组地址(1)组地址用来进行组播。
        • 当I/G=1,MAC地址其余47比特用于编码组地址，此时L/G、OUI和OUA字段不存在。
        • L/G：占1 比特，称为通用或局部管理标志。它指明MAC地址是全局唯一的(0),还是局部唯一的(1).
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    • 组播MAC地址：I/G=1,其余47为不全为1；

    • 广播地址：48比特全为1的MAC地址称为广播地址。

    • MAC帧的格式
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