【網絡原理】數據鏈路層

一、數據鏈路層的基礎知識:

1、數據鏈路層主要目的

• 將原始的、有差錯的物理線路變成無差錯的數據鏈路。

2、數據鏈路層主要功能

• 1.鏈路管理：數據鏈路的建立、維護、釋放；
• 2.幀同步：接收方應從收到的比特流中正確地判斷出一幀的開始與結束位；
• 3.流量控制：控制發送方的數據發送速度，使得接收方來得及接收，以致網絡不發生擁塞；
• 4.差錯控制：發現傳輸中出現的錯誤；
• 5.透明傳輸：使接收方分辨數據還是控制信息；
• 6.尋址：收發雙方應知道對方是誰；

3、數據鏈路層使用的信道

• 1.點對點信道 1vs 1
• 2.廣播信道 1 vs 多

4、基本概念：鏈路和數據鏈路

• 1、鏈路：是一條無源的點到點的物理線路段。
• 3、數據鏈路：數據鏈路 = 鏈路 + 控制數據傳輸的通信協議。
• 最常用的方法：使用適配器（即網卡）來實現這些協議的硬件和軟件

5.傳輸的數據單位：數據幀（幀）

二、使用點對點信道的數據鏈路層

1.主要步驟

• 1、發送方A將網絡層的數據報添加首部和尾部封裝成幀；
• 2、發送方A將幀發送給B的數據鏈路層；
• 3、B收到的幀無錯，則從幀中提取出數據報交給網絡層；若有錯，則丟棄該幀。

2.三個基本操作：封裝成幀、透明傳輸、差錯檢測

1、封裝成幀：數據報添加首部和尾部，就構成了一個幀

• 1、幀的首部和尾部一個重要作用是進行幀定界；
• 2、幀首和幀尾還包括許多必要的控制信息；
• 3、爲提高幀傳輸效率，應使幀的數據部分儘可能大，且規定了數據部分長度上限MTU；
• 幀長 = 幀首尾部長 + 數據部分長

2、透明傳輸：當數據部分是非ASCⅡ文件時，若數據某字節恰好是SOH（幀開始符）或EOT（幀結束符）控制字符時，數據鏈路層就會錯誤地處理幀，這就是“不透明傳輸”。
解決：【字節填充】插入轉義字符ESC

• 1、若數據部分出現EOT或SOH時，就在這個EOT和SOH前插入ESC；接收方在送交網絡層之前將這個ESC刪除。
• 2、用ESC ESC表示ESC。

3、差錯檢測

• 1、差錯產生的原因和差錯類型：
  信噪存在，可能使比特流傳輸產生錯誤。（0-》1 1-》0）
  噪聲分兩類：熱噪聲（分子熱運動）、衝擊噪聲（突發）：
• 誤碼率：二進制比特在數據傳輸系統中被傳錯的概率。
• 2、CRC循環冗餘編碼工作原理：
  將數據比特序列當作一個多項式f(x)的係數，在發送端用預先約定的生成多項式G(x)去除，求出一個餘數多項式。將餘數多項式加到數據多項式後發送到接收端；
  接收端用同樣的G(x)去除收到的f1(x)，得到餘數多項式。如果得到的餘數多項式與接收到的餘數多項式相同，表示傳輸無錯。否則有錯，發送方重傳；
• 3.注：數據鏈路層不使用確認和重傳機制（因爲代價高），由運輸層TCP協議實現可靠傳輸。

【例題3.1】發送數據M=1101011011（K=10），雙方約定生成多項式爲10011，即：G(x)=x4+x+1，N=4；

故實際發送爲1100110111110(在數據後面添加的冗餘碼1110稱爲幀檢驗序列 FCS)；
是否有誤：1100110111110/10011 餘數爲0，則無誤！

三.點對點協議（ppp）

1、PPP協議組成

• 1、一個將IP數據報封裝到串行鏈路的方法；
• 2、一個鏈路控制協議LCP ：用來建立、配置和測試數據鏈路連接。
• 3、一套網絡控制協議NCP ：一個NCP協議支持一種網絡層協議。

2、PPP協議幀格式【首部+尾部8字節】

• 1、第一個字節和最後一個字節是標誌字段F，規定爲7EH；
• 2、第二個字節是地址字段A，規定爲FFH；
• 3、第三個字節是控制字段C，規定爲03H；
• 4、協議字段2字節：當爲0021H時表示信息字段是IP數據報；爲C021H時，是PPP鏈路控制協議LCP的數據，若爲8021H時爲NCP控制數據；
• 5、信息字段最大長度不超過1500字節；
• 6、FCS字段使用CRC幀檢驗序列，2字節；
• 注意：PPP 是面向字節的，所有的 PPP 幀的長度都是整數字節；
  

3、透明傳輸問題（字節填充）引入轉義字符7DH

• 1、若信息字段出現7EH（標誌字符），則將其轉化成7DH 5EH
• 2、若信息字段出現7DH（轉義字符），則將其轉化成7DH 5DH
• 3、若出現控制字符（即值小於20H的字符），則在字符前加入7DH，同時將該字符與20H異或
• 4、零比特填充，連續五個1，後面加一個0.

【例題3.2】若數據部分是7D 5E FE 27 7D 5D 7D 5D 65 7D 5E,問真正的數據是什麼？

答：7E FE 27 7D 7D 65 7E

【例題3.3】同步傳輸技術傳送0110111111111100，試問用零比特填充後，變成怎樣的比特串？
若接收端收到PPP幀數據部分是0001110 111110111110110，問真正數據是什麼？

答：（1）011011111011111000；（2）0001110 1111111111110

四、使用廣播信道的數據鏈路層【局域網】

1、局域網工作層次

• 跨物理層和數據鏈路層，無需網絡層；【沒有多次路由選擇，數據報直達】

2、共享信道的媒體共享技術

• 1、靜態劃分信道：如頻分、時分、波分和碼分等多路複用技術；
• 2、動態媒體接入控制（又稱：多點接入）信道並非固定給某用戶。
  ①.隨機接入：所有用戶可以隨機發送信息，可能出現衝突【主要使用】。
  ②.受控接入：所有用戶不能隨機發送信息，服從統一控制。

3.局域網的數據鏈路層

LLC和MAC兩個子層：

• 邏輯鏈路控制 LLC 子層：與傳輸媒體無關。建立和釋放邏輯連接，給幀編號。
• 媒體接入控制 MAC子層：與傳輸媒體有關。組裝成幀、解析幀、地址識別、差錯控制、管理和控制對局域網傳輸介質的訪問。
• 注：由於TCP/IP體系經常使用的標準是DIXEthwrnetV2標準，大多數廠家的網卡只用MAC子層。

4、適配器【網卡】的作用

• 1、並/串行轉換；

• 2、對數據緩存；

• 3、實現以太網（局域網的一種）協議；

• 注意：
  ①.計算機的操作系統必須安裝網卡驅動程序，由它告知網卡如何取數等；
  ②.網卡把幀發送到局域網或從局域網接收並處理幀都不使用CPU，當把處理後的正確幀交給協議棧中的網絡層時使用中斷方式通知CPU。

5、CSMA/CD（帶有衝突檢測的載波偵聽多路訪問）

最早的以太網是將許多的計算機都連接到一根總線上。

• 總線的特點：當一臺計算機向總線發送數據時，總線上所有計算機都能檢測到這個數據；

1、以太網通信的兩種措施

• 1、無連接的廣播工作方式：不必先建立連接就直接發送數據，發現數據幀錯就丟棄。對發送的數據幀不編號，也不要求對方發回確認，差錯的糾正即重傳操作由網絡層處理；
• 2、數據採用曼徹斯特編碼。

2.CSMA/CD協議
協調總線各計算機的工作，保證同一時間只允許一臺計算機發送信息。

• CSMA/CD協議的三個要點：
  ①.多點接入：許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上；
  ②.載波監聽：先聽後發：用電子技術檢測總線上有無其它計算機發送的信號；
  ③.碰撞檢測：邊發邊聽：若發送數據期間檢測到信道是上信號電壓變化幅度增大，則表明出現衝突。若出現衝突，立即停發，等待一個隨即時間後重發。
• 注意:當某站點監聽到總線空閒時，總線並非一定空閒。這是因爲數據傳播有延遲。

問題:發送站要經過多長時間才能知道自己有沒有與別的站發生衝突呢？

• 顯然CSMA/CD協議的以太網只能進行半雙工通信。
• 最先發送數據幀的站，在發送數據幀後至多經過時間2t（兩倍的端到端傳播時延）就可知道發送的數據幀是否遭受了碰撞，2t稱爲爭用期，或碰撞窗口；
• 若經過爭用期後還沒檢測到衝突，則可肯定不會有衝突。因爲發送64字節後沒發現衝突才能肯定不會發生衝突，故10MBb/S以太網規定了最短幀長爲64字節，凡小於64字節幀均視爲無效幀。

3.二進制指數退避算法:CSMA/CD發現衝突到再次發送之間的時間確定方法

• ①.確定基本退避時間，它就是2t。以太網取2t=51.2us。
• ②.第k次重傳時，從離散整數集合{0,1,……，（2k-1）}中隨機取一個數r，重傳等待時間即爲2rt。當重傳次數大於10時k取10。
• ③.當重傳達16次仍不能成功時，丟棄該幀並報告上層。
  4.強化碰撞：發送數據的站點發現衝突後，立即停止發送數據，再發送32bit或48bit的干擾信號，以便所有用戶知道信道發生了衝突。以太網還規定幀間間隔最少爲9.6us，即96bit時間。爲了讓接收站來得及處理剛收到的幀。【幀間最小間隔】
  5、CSMA/CD要點歸納如下：
• ⑴、適配器從網絡層接收到一個分組，加上以太網首部和尾部，組成以太網幀。
• ⑵、若檢測到信道空閒（即96比特時間內沒有檢測到信道上有信號）就發送這個幀。若信道忙，繼續檢測並等待信道轉爲空閒後再發。
• ⑶、數據發送過程中繼續偵聽，若發送過程中一直未檢測到碰撞，則順利發送，若檢測到碰撞，則終止發送，併發送人爲干擾信號。
• ⑷、在中止發送後，執行二進制指數退避算法，等待r倍爭用期，返回步驟⑵。

【例3.4】：某以太網的數據速率爲100Mbps，信號速率爲200000km/s，求最大網絡跨距？
爭用期>=信號來回時間。
爭用期=64*8/100=5.12us

6、以太網信道利用率

一個幀從開始發送，經可能發生的數次碰撞後再重傳，到發送成功且信道轉爲空閒（即再經過時間t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。

7、以太網的MAC層【18字節】

1、MAC層的硬件地址 【局域網中硬件地址又稱物理地址或MAC地址】

• 現在局域網適配器都是用6B（48bit）的全球地址，固化在適配器的ROM中。
• 注意：MAC地址的兩種記法
  一種是字節的高位在先（左），一種是字節的低位在先（左）。

【例題3.5】AC-DE-48-00-00—80
802.5中 10101100-11011110-01001000-00000000-00000000-10000000高位在先
802.3中 00110101-01111011-00010010-00000000-00000000-00000001低位在先
2、適配器檢查 MAC 地址：

• 1、適配器從網絡上每收到一個 MAC 幀就首先用硬件檢查 MAC 幀中的 MAC 地址.
  如果是發往本站的幀則收下，然後再進行其他的處理。否則就將此幀丟棄。
• 2、“發往本站的幀”包括以下三種幀：
  ①.單播幀（一對一）I/G位=0；【第一個字節第七位】
  ②.多播幀（一對多） I/G位=1；【第一個字節第七位】
  ③.廣播幀（一對全體）48位MAC地址全1；

3、以太網的MAC幀格式

• 1.前同步碼：用於同步，使接收端適配器與比特流達成同步，8個字節爲10交替，最後一位爲1.
• 2.類型：高層使用何種協議，8137H表示novell ipx數據、0800H表示IP數據；
• 3.客戶數據字段：46~1500字節，不足46B需填充，填充操作由IP層完成。
  客戶數據字段的最小長度 = 最小幀長度 64 字節 - 18 字節的首部和尾部

五、擴展以太網

1、在物理層擴展以太網（使用集線器擴展）

因爲信號在傳輸過程中會衰減，導致CSMA/CD協議無法正常工作。標準規定單個網段不超過500米長，兩個網段之間可用轉發器連接起來，但任意兩個站點最多可經過3個電纜網段。

• 可以採用以下兩種途徑擴展：
  ⑴、用光纖取代雙絞線：可擴展以太網覆蓋範圍：【需要光纖解調器】
  ⑵、使用多級集線器，就可以連接成覆蓋範圍更大的多級星型以太網。
• 優點：
  ①.實現不同以太網之間通信。
  ②.擴大了以太網範圍。主機與集線器之間最多100米，集線器與集線器之間距離也可是100米。
• 缺點：
  ①.多個碰撞域成爲一個碰撞域，碰撞域增大了，但總的吞吐量並未提高。
  ②.不同技術以太網不能用集線器互連。

2、在數據鏈路層擴展以太網（使用網橋擴展）

兩個以太網通過網橋連接起來後，就成爲一個覆蓋範圍很大的以太網，原先的每個以太網稱一個網段（每個網段處在各自獨立的衝突域中）。

• 1.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。
• 2.網橋具有過濾幀的功能。當網橋收到一個幀時，並不是立即轉發幀，而是先檢查幀的目的MAC 地址，然後確定是丟棄還是將該幀轉發到哪一個接口。

1、網橋的內部結構

網橋依靠轉發表來轉發幀。
2.好處

• ①.過濾通信量，增大吞吐量：不同網段上間部通信時互不干擾。
• ②.擴大的了物理範圍：增加以太網上工作站的最大數目。
• ③.提高了可靠性：當網絡出現故障時，隻影響個別網段。
• ④.可互連不同以太網：不同物理層、不同MAC子層，不同速率。

3.網橋的缺點

• ①.先存儲、後轉發，轉發時執行CSMA/CD算法，增加了時延。
• ②.MAC子層沒有流量控制，可能因緩存不夠丟失幀。
• ③.可能產生廣播風暴，擴展的以太網共一個廣播域，若網橋之間通過點對點轉發幀時採用PPP協議，則在幀的頭部和尾部再加上PPP-H和PPP-T。

4、網橋和集線器（或轉發器）的區別

• 集線器在轉發幀時，不對傳輸媒體進行檢測。網橋在轉發幀之前必須執行CSMA/CD 算法。

5、透明網橋

• ⑴、透明網橋：是指以太網網站點並不知道所發送的幀將經過哪幾個網橋，即網橋對站點是透明的。
  轉發表每項記錄的信息結構：MAC地址+接口+ 幀進入該網橋的時間。
• ⑵、透明網橋的自學習原理：若從站點A發出的幀從接口X進入了某網橋，那麼從這個接口出發，沿相反方向一定可以把一個幀傳送到A。所以網橋每收到一個幀時檢查是否有相應的表項。
• ⑶、網橋的自學習和轉發幀的步驟：
  自學習：網橋收到一幀後，查找轉發表中有無與源地址匹配的項目，若有，則更新（接口時間），若無，增加一個新表項：地址、接口、時間。
  轉發幀：若幀的目的地址與轉發表中所有表項不匹配，則向除進入接口以外的其它所有接口轉發，若與轉發表中給出接口相同，則丟棄該幀，若進入的接口與轉發表給出接口不同，則按轉發表給出的接口進行轉發。
• 網橋工作原理簡述：學習源地址、過濾本網段幀、轉發異網段幀、廣播未知幀。
• ⑷、透明網橋的生成樹算法：目的：避免幀在網絡中不停地兜圈子，白白耗費資源。
• 生成樹算法：每個網橋都有一個唯一的標示符，通常取網橋MAC加一個優先級，網橋每個端口有一個路徑代價：
  第一步：“決定根網橋”，取優先級最高者，同優先級取MAC最小者；
  選根期間各網橋廣播自己的BPDU（網橋協議數據單元）表明自己的標示符，當收到比自己優先級高的BPDU時就不再廣播自己的BPDU而轉發高優先級的BPDU，最終只產生一個根端口；
  第二步：“決定非根網橋的根端口”，從它出發到根網橋路徑代價最小的端口；
  方法是根網橋廣播一個BPDU，非根網橋在各端口收到此BPDU後檢測出代價，從而決定根端口；
  第三部：“決定指定網橋和各網絡的指定端口”，指定網橋就是本網絡A到達另一網絡B路徑代價最小的網橋，由它負責本網絡A與B之間的數據交換（一個網絡可能有多個通向數個網絡的多個指定網橋）；指定端口就是網絡與指定網橋的相連端口，其它非指定端口被阻塞。

6、源路由網橋：由發送幀的源站負責路由選擇的網橋。

• 源站發送幀時將詳細的路由信息放在幀的首部中。
• 爲發現合適的路由，源站以廣播方式向目的站發送一個發現幀，作探測之用。發現幀在整個擴展的以太網上沿所有可能的路徑傳送。在傳送過程中，每個發現幀都記錄所經過的路由。當這些發現幀到達目的站時，就沿着各自路由返回源站。源站從各種路由中選擇一個最佳路由。

7、多接口網橋：“以太網交換機”
以太網交換機工作在數據鏈路層，實際上是一個多接口網橋。

• 1、以太網交換機的特點：
  ①.一般都工作在全雙工方式。
  ②.交換機能同時連通許多對的接口，使每一對相互通信的主機都能像獨佔通信媒體那樣，進行無碰撞地傳輸數據，從而增加總容量。

• 2、交換機與集線器的不同點：
  ①.工作層次不同：交換機工作在數據鏈路層，集線器工作在物理層。
  ②.傳輸數據方式不同：交換機轉發，集線器廣播。
  ③.帶寬佔用方式不同：交換機用戶獨佔帶寬，集線器用戶共享帶寬。
  ④.傳輸模式不同：交換機全雙工，集線器半雙工。
  ⑤.碰撞域不同：集線器所有接口是一個碰撞域，交換機每個接口是一個獨立的碰撞域。

• 3、利用以太網交換機可以很方便地實現VLAN（虛擬局域網）
  

• 每一個VLAN 的幀都有一個明確的標識符，指明發送這個幀的工作站是屬於哪一個VLAN。

• 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。

• VLAN的優點
  ①.可控制廣播風暴，廣播只在同一個VLAN中。
  ②.提高網絡整體安全性

• 實現虛擬局域網主要的三種途徑
  ①.基於端口的虛擬局域網
  ②.基於MAC地址的VLAN；
  ③.基於IP 地址的VLAN。

• 虛擬局域網使用的以太網MAC幀格式：在以太網幀格式中插入一個4字節標識符，稱VLAN標記，用來指明發送該幀的工作屬於哪一個虛擬局域網。

3、在網絡層擴展以太網è 使用路由器擴展（局域網擴展成廣域網）

六、高速以太網

1、100BASE-T以太網 ----又稱爲快速以太網(Fast Ethernet)

• 1、支持半雙工和全雙工方式，雙工方式下CSMA/CD不起作用。
• 2、最短幀長仍爲64B，最大幀長爲1518B，但將網段的最大電纜長度減小到 100 m。
• 3、爭用期仍爲512比特時間，幀間隙爲0.96us（96比特時間）。

2、吉比特以太網

• 1、支持全雙工和半雙工（此時使用 CSMA/CD 協議）工作方式。
• 2、使用載波延長（載波擴展技術）和分組突發技術。
• 3、最短幀長仍然爲64B，爭用期增加爲512B時間，當幀長處於64B～512B時需要填充到512B。
• 載波擴展技術：若幀長小於512B,將整個發送長度擴展到512B。
• 分組突發技術：一個站獲得介質訪問權後連續發送多個短幀時，第一個短幀採用載波擴展技術擴展爲512B，以後的短幀就不必擴展而連續發送，但在所有的幀之間用載波擴展爲填充幀與幀之間的間隔IPG（一個IPG共96b），以便使得其它站始終能夠檢測到載波，防止他們打斷當前站的幀突發操作。

【例題3.10】半雙工千兆位以太網中，要發送一個100B的幀，需要多長時間才發完？若要發送10個100B的幀，又需要多長時間才發完？

3、10吉比特以太網

• 1、只支持全雙工，不使用 CSMA/CD 協議。
• 2、只使用光纖作傳輸媒體。