數據鏈路層
一. 數據鏈路層的信道類型
1.點對點信道
這種信道使用一對一的點對點通信方式。
2.廣播信道
這種信道使用一對多的廣播通信方式，因此過程比較複雜，廣播信道上連接的主機很多，因此必須使用專用的共享信道協議來協調這些主機的數據發送。
二. 鏈路與數據鏈路
1.鏈路
是一條點到點的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結點。
一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。
2.數據鏈路
除了物理線路外，還必須有通信協議來控制這些數據的傳輸，若把實現這些協議的硬件和軟件加到鏈路上，就構成了數據鏈路。
現最常見的方法是使用適配器（即網卡）來實現這些協議的硬件和軟件。
一般的適配器都包括了數據鏈路層和物理層這兩層的功能。
三. 幀
數據鏈路層傳送的是幀。將網絡層的信息加上幀頭、幀尾再加上物理層地址與校驗值。
四. 數據鏈路層的三個基本問題
封裝成幀
就是在一段數據的前後分別添加首部和尾部，然後就構成了一個幀，確定幀的界限。
首部與尾部的一個重要的作用就是進行幀定界。
幀開始符、幀結束符是不同的。八位二進制。
透明傳輸
若是數據部分中有幀結束符、幀開始符，應該怎麼告訴計算機這個數據不是開始結束符？
用字節填充法解決透明傳輸的問題
發送端的數據鏈層在數據中出現控制字符”SOH”(幀開始符)或”EOT”(幀結束符)的前面插入一個轉義字符”ESC”(其十六進制編碼是1B)。
字節填充或字符填充–接收端的數據鏈路層在將數據送往網絡層之前刪除插入的轉義字符。
如果轉義字符也出現在數據當中，那麼應在轉義字符前插入一個轉義字符，當接收端收到連續的兩個轉義字符時，就刪除其中的一個。
差錯控制
傳輸過程中可能會產生比特差錯：1可能會變爲0而0也有可能變爲1。在一段時間內，傳輸錯誤的比特佔所傳輸比特總數的比率稱爲誤碼率。誤碼率與信噪比有很大的關係。
爲了保證數據傳輸的可靠性，在計算機網絡傳輸數據時，必須採用各種差錯檢測措施。只是檢測不改錯。
循環冗餘檢驗(CRC)
五. 兩種情況下的數據鏈路層
使用點到點信道的數據鏈路層
PPP協議：現在全世界使用的最多的數據鏈路層協議是點對點協議PPP。
用戶使用撥號電話線接入因特網時，一般都是使用PPP協議。
PPP協議應滿足的要求：
- 簡單–這是首要的要求
- 封裝成幀
- 透明性
- 多種網絡層協議
- 多種類型鏈路
- 差錯檢測
- 檢測連接狀態
- 最大傳送單元
- 網絡層地址協商
- 數據壓縮協商
PPP協議有三個組成部分：
- 數據鏈路層協議可以用於異步串行或同步串行介質
- 它使用LCP（鏈路控制協議）建立並維護數據鏈路連接
- 網絡控制協議（NCP）允許在點到點連接上使用多種網絡層協議。
使用廣播信道的數據鏈路層
大多用於局域網
局域網：局域網的拓撲不固定，連接的物理機器可能會經常更改。
集線器：集線器的主要功能是對接收到的信號進行再生整形放大，以擴大網絡的傳輸距離，同時把所有節點集中在以它爲中心的節點上。它工作於OSI(開放系統互聯參考模型)參考模型第一層，即“物理層”。集線器與網卡、網線等傳輸介質一樣，屬於局域網中的基礎設備，採用CSMA/CD（即帶衝突檢測的載波監聽多路訪問技術)介質訪問控制機制。集線器每個接口簡單的收發比特，收到1就轉發1，收到0就轉發0，不進行碰撞檢測。
局域網的特點與優點：
特點：網絡爲一個單位所擁有，且地理範圍和站點數目均有限。
優點：
- 具有廣播的功能，從一個站點可很方便地訪問全網，局域網上的主機可共享連接在局域網上的各種硬件和軟件資源。
- 便於系統的擴展和逐漸的演變，各設備的位置可靈活調整和改變。
- 提高了系統的可靠性，可用性和生存性。
共享通信媒體
靜態劃分信道
- 頻分複用
- 時分複用
- 波分複用
- 碼分複用
動態媒體接入控制（多點接入）—–現在多用
- 隨機接入（主要被以太網採用）
- 受控接入，如多點線路探詢，或輪詢。（目前基本已不被採用）
具有廣播特性的總線：（廣播：所有計算機都可以接收到數據）
總線上的每一個工作的計算機都能檢測到發送的信號，由於只有某個特定的接收方計算機的地址與數據幀首部寫入的地址一致，因此只有該計算機纔可以接收這個數據幀。其他計算機都可以檢測到不是發送給他們的數據幀，因此具有廣播特性的總線上實現了一對一的通信。
以太網採用CSMA/CD（載波監聽多點接入/碰撞檢測）協議。
- 多點接入：表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上
- 載波監聽：是指每一個站在發送數據之前先要檢測一下總線是否有其他計算機在發送數據，如果有，則暫時不要發送數據，以免發生碰撞。（可用於電子技術檢測總線上有沒有其他計算機發送的數據信號）。
以太網的碰撞：
碰撞檢測：計算機邊發送數據邊檢測信道上的信號電壓大小
- 當幾個站同時在總線上發送數據時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）
- 當一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認爲總線上至少有兩個站在同時發送數據，表明產生了碰撞。
- 碰撞就是指發生了衝突。
檢測到碰撞後：
- 在發生碰撞時，總線上傳輸的信號產生了很嚴重的失真，無法從中恢復出有用的信息來
- 每一個正在發送數據的站，一旦發現總線上出現碰撞，就要立即停止發送，免得繼續浪費網絡資源，然後等待一段隨機時間後再次發送。
什麼是以太網？
以太網提供的服務
以太網提供的服務是不可靠的交付，即盡最大努力的交付，當接收站收到有差錯的數據幀時就丟棄此幀，其他什麼也不做，差錯的糾正由高層來決定。如果高層發現丟失了一些數據而進行重傳，但以太網並不知道這是一個重傳的幀，而是當作一個新的數據幀來發送。
以太網的信道利用率
一個幀從開始發送，經可能發生的碰撞後，將再重傳數次，到發送成功且信道轉爲空閒（即再經過時間τ使得信道上無信號在傳播）時爲止，是發送一幀所需的平均時間。
1. 參數a
要提高以太網的信道利用率，就必須減小τ與T0之比，在以太網中定義了參數a，它是以太網單程端到端時延τ與幀的發送時間T0之比：
a = τ / T0a->0表示一發生碰撞就立即可以檢測出來，並立即停止發送，因而信道利用率很高。a越大比阿敏爭用期所佔的比例增大，沒發生一次碰撞就浪費許多信道資源，使得信道利用率明顯降低。
2.最大值：
對以太網參數的要求：
- 在數據率一定時，以太網的連線的長度受到限制，否則
τ（數據幀的轉送時間）的數值會太大 - 以太網的幀長不能太短，否則T0的值會太小，使a的值太大
信道利用率的最大值
- 在理想化的情況下（以太網上的各站發送的數據都不會產生碰撞），即總線一旦空閒就有某一個站立即發送數據。
- 發送一幀佔用線路的時間是T0+
τ，而幀本身的發送時間是T0，於是我們可計算出理想情況下的極限信道利用率Smax爲：
Smax = T0 / (T0 + τ) = 1 / ( 1 + a )
MAC層
在局域網中，硬件地址又稱爲物理地址，或MAC地址。
MAC地址後三個字節（低位24位）由廠家自行指派，稱爲擴展標示符，必須保證生產出的適配器沒有重複的地址。
MAC幀的的格式
最常用的 MAC 幀是以太網 V2 的格式。
無效的MAC幀
對於檢查出來的無效的MAC幀就簡單的丟棄，以太網不負責重傳丟棄的幀
- 幀的長度不是整數個字節
- 用收到的幀檢驗序列FCS查出有差錯
- 數據字段的長度不在46~1500字節之間
- 有效的MAC幀長度爲64~1518字節之間
幀間最小間隔
幀間最小間隔爲9.6us，相當於96bit的發送時間
一個站在檢測到總線開始空閒後，還要等待9.6us才能再次發送數據
這樣做是爲了使剛剛收到的數據幀的站的接收緩存來得及清理，做好接收下一幀的準備。
以太網的擴展
用集線器擴展
優點
- 使原來屬於不同碰撞域的局域網上的計算機能夠進行跨碰撞域的通信。
- 擴大了局域網覆蓋的地理範圍。
缺點
- 碰撞域增大了，但總的吞吐量並未提高。
- 如果不同的碰撞域使用不同的數據率，那麼就不能用集線器將它們互連起來。
在數據鏈路層擴展
- 在數據鏈路層擴展局域網是使用網橋。
- 網橋工作在數據鏈路層，它根據 MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉發。
- 網橋具有過濾幀的功能。當網橋收到一個幀時，並不是向所有的接口轉發此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然後再確定將該幀轉發到哪一個接口
高速以太網