第三章 數據鏈路層
3.1不同的數據鏈路層協議
PPP協議（點到點）
CSMA/CD協議（以太網）（帶衝突檢測的載波偵聽多路訪問機制）
（網關和本計算機在同一個網段，一般是路由器的地址，路由器隔絕廣播包）
集線器（只能工作在半雙工）和總線型類似
命令提示符cmd：
arp（地址解析協議）命令：可以查看計算機中緩存ip地址對應的mac地址
ipconfig：可以查看計算機的mac地址，ip地址
以太網（Etherne II）的數據幀格式：
報頭8 目標地址6 源地址6 以太類型2 數據46－1500 幀檢驗序列
報頭：8個字節，提供接收器同步和幀定界服務。
目標地址：6個字節，目標MAC地址，廣播地址全爲1，0xFF FF FF FF。
源地址：6個字節。指出發送節點的單點廣播地址。
以太類型：2個字節，用來指出以太網幀內所含的上層協議。
有效負載：由一個上層協議的PDU（協議數據單元）構成。可以發送的最大有效負載是1500字節。由於以太網的衝突檢測特性，有效負載至少是46個字節。如果上層協議數據單元長度少於46個字節，必須增補到46個字節。
幀檢驗序列：4個字節。驗證比特完整性。
使用wireshark抓取的以太網數據包的幀格式
PPP協議幀格式：
首部標誌字段（5字節） 數據（不超過1500字節） 尾部（3字節）
首部：由標誌字段和協議字段構成
數據部分：信息字段的長度可變，不超過1500字節
尾部：FCS校驗字段和尾部標誌字段
使用GNS3抓取的PPP協議數據包的幀格式
3.2數據鏈路層實現的功能
封裝成幀：在發送數據之前先給其加上頭和尾，用來給數據定界（選定界定符的要求是儘量避免與數據混淆）
透明傳輸：發送端給數據加上轉義字符後發送數據，接收端接收數據並去掉轉義字符，這個過程由於轉義字符在發送時被加上，在接收完成之後被移除，整個過程就好像沒有發生任何事情，所以被稱爲透明傳輸。
差錯檢測：主要通過CRC校驗進行差錯檢測。
算法：先規定一個生成多項式（共有n位），然後給被傳輸數據的末尾加上n-1個 0，用生成多項式除以（mod 2）加零後的傳輸數據，得到n位的餘數，即爲FCS（幀校驗序列）的值
3.3數據鏈路層協議
3.3.1 PPP（點到點）協議：
（1）特點：簡單（不提供可靠傳輸）
封裝成幀（首部和尾部，具有幀開始符和幀結束符）
透明傳輸（加轉義字符，去掉轉義字符）
差錯校驗：CRC計算FCS
支持多種類型的鏈路：光纖，銅線。。。
檢測連接裝狀態
支持身份驗證
最大傳輸單元：1500字節
（2）PPP協議的劃分：網絡控制協議（NCP）:支持不同網絡層協議
鏈路控制協議（LCP）：建立/配置和測試鏈路連接的選項
高級數據鏈路控制協議（HDLC）：將數據包封裝到串行鏈路，支持同步傳輸和異步傳輸
（3）PPP協議的幀格式
幀首字段（1B）7E+地址字段（1B）FF+控制字段（1B）+協議字段（2B）+信息部分（MTU=1500B）+FCS（2B）+幀尾字段（1B）7E
（4） PPP協議傳輸的方式
1）異步傳輸使用字節填充：如果在傳輸的數據中出現了7E（01111110），則將7E變成（7D和5E），如果出現 7D，則變成7D和5D
2)同步傳輸使用零比特填充：如果出現了0111 1110等連續的5個 0的情況，則每5個1後加一個0.
3.3.1.1同步傳輸和異步傳輸
同步傳輸（synchronoustransmission ）：以幀爲單位進行發送，通過時鐘同步信號，有兩種方式：有專門的線路來同步時鐘；傳輸的數據本身就帶有時鐘信號（前同步碼）
異步傳輸（asynchronous transmission）：以字符爲單位進行發送，兩段有獨立的時鐘（頻率不能相差太多）
3.4 廣播信道的數據鏈路層（使用CSMA/CD協議）
3.4.1 國際標準
10base-5（表示10M帶寬，使用粗同軸電纜，基帶信號，最大傳輸距離爲500m）
T表示雙絞線
F表示光纖
X表示混合介質
3.4.2以太網的最短幀
（1）標準以太網設計的長度爲5km，帶寬爲10m單程傳播時延爲25.6us，往返傳播時延爲51.2us，
則最短幀爲10Mb/S*51.2us=10^7b/s*51.2*10^-6s=512b (64B)
(2)實際爲等待時間t*2（爭用期）*帶寬
（3）截斷二進制指數退避算法
從離散的整數集合［0，1，…，（2k-1）］中隨機取出一個數，記爲r。重傳應推後的時間就是r倍的爭用期。上面的參數k按下面的公式計算：
k=Min[重傳次數，10]
可見當重傳次數不超過10時，參數k等於重傳次數；但當重傳次數超過10時，k就不再增大而一直等於10。
當重傳達16次仍不能成功時（這表明同時打算髮送數據的站太多，以致連續發生衝突），則丟棄該幀，並向高層報告。
3.4.3 以太網的幀格式
對於無效幀，路由器直接丟棄
3.4.4 網卡的作用和MAC地址
（1）網卡使用並行通訊，其工作在物理層（物理連接，數字信號同步，數據的編碼解碼）和數據鏈路層（幀的封裝、差錯檢驗、介質訪問控制）
（2）MAC地址爲全球唯一，共48位二進制組成，前24位標識廠商，後24位自己指定（有單播、多播、廣播MAC地址）
使用arp -a 可以解析出與其通訊的MAC地址
3.4.5 擴展以太網 （計算機數量、距離）
（1）集線器（hub）：工作在物理層，不安全，可以帶寬分享，是衝突域相當於網線=總線型
（2）網橋：基於MAC地址轉發數據幀 數據鏈路層設備（衝突變小，但是延遲增加（載波偵聽多路訪問衝突檢測））
網橋不關心是否存在其他網橋的存在，只記錄自己端口對應的mac地址
（3）交換機：很多口的網橋，端口帶寬獨享，每一個端口衝突域（多口網橋）全雙工通訊（可以不使用CSMA/CD協議）
匯聚層交換機（父級交換機） 接入層交換機（子交換機）
只要有集線器存在就爲半雙工 交換機比集線器安全
最短幀 幀格式 退避算法 信道利用率
以太網最短幀：往返最長時間*帶寬
Ipconfig -all（查看本機的ip，mac命令）
Arp -a （本網段其他計算機的mac地址，緩存）
Wf.msc（windows防火牆）
3.4.6 生成樹協議（高可用網絡）
阻斷環路，避免廣播風暴的形成，每個交換機都有優先級和mac地址，通過比較id來i小的優先級高
選根網橋->選根端口(轉發狀態)->選指定端口（轉發狀態）其他端口爲阻斷狀態
高速以太網（100M,1000M，10000 M）
100M 10M以太網最短幀兼容，網線長度變爲100m
1GB以太網 分組突發 工作在全雙工半雙工 最短幀64字節+載波延伸=512字節（有衝突檢測）
10GB以太網只能工作在全雙工通訊，不用衝突檢測 沒有最短幀要求
3.4.7 VLAN 虛擬局域網
VLAN 是由一些局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組。
虛擬局域網其實只是局域網給用戶提供的一種服務，而並不是一種新型局域網。
作者：xuan97916
參考資料： [1]韓立剛，計算機網絡原理創新教程[M],水利水電出版社，2017.1