計算機網絡基礎知識總結及思維導圖（三）數據鏈路層

三、數據鏈路層

3.1 基礎概念

1）協議數據單元： 幀

2）數據鏈路層使用的信道主要有以下兩種類型

• 點對點信道：這種信道使用一對一的點對點通信方式。（使用PPP協議）
• 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。（使用CSMA/CD協議）

3）數據鏈路層的三個基本問題

• 封裝成幀：封裝成幀（framing）就是在一段數據（IP數據報）的前後分別添加首部和尾部，這樣就構成了一個幀。

• 透明傳輸：“在數據鏈路層透明傳送數據”表示無論什麼樣的比特組合的數據，都能夠按照原樣沒有差錯地通過這個數據鏈路層。由於幀的開始和結束的標記使用專門指明的控制字符，因此，所傳輸的數據中的任何8比特的組合一定不允許和用作幀定界的控制字符的比特編碼一樣，否則就會出現幀定界的錯誤。

  解決方法是字節填充（字符填充）：在數據中出現控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一個轉義字符“ESC”，接受方處理時刪除這個插入的轉義字符。

• 差錯檢測：使用循環冗餘檢驗CRC（Cyclic Redundancy Check），檢驗範圍是整個幀（包括首尾部和數據部分）。

3.2 使用點對點信道的數據鏈路層

1）鏈路和數據鏈路

• 鏈路：從一個結點到相鄰結點的一段物理線路（有線或無線），而中間沒有任何其他的交換結點。
• 數據鏈路：把實現控制數據運輸的協議的硬件和軟件加到鏈路上就構成了數據鏈路。

2）PPP（Point-to-Point Protocol ）協議：點對點協議。即用戶計算機和ISP進行通信時所使用的數據鏈路層協議。

• PPP幀格式
  

  • 標誌字段F（Flag）規定爲0x7E（符號“0x”表示它後面的字符是用十六進制表示的。十六進制的7E的二進制表示是01111110）。

  • 地址字段A規定爲0xFF（即11111111），實際並不起作用。

  • 控制字段C規定爲0x03（即00000011）。

  • PPP首部的第四個字段是2字節的協議字段。

  • 信息字段的長度是可變的，不超過1500字節。

  • 尾部中的第一個字段（2字節）是使用CRC的幀檢驗序列FCS。

• PPP協議實現透明傳輸

  • 異步：字節填充（字符填充）。

    在數據部分，(0x7E->0x7D,0x5E)、(0x7D->0x7D,0x5D)、(小於0x20的在前面添加0x7D，0x03->0x7D,0x23)。

  • 同步：零比特填充。

    即每遇到5個1，馬上在後面添加一個0。

3.3 使用廣播信道的數據鏈路層

1）局域網的拓撲結構：總線網、星形網、環形網和樹形網。

2）共享通信媒體資源的方法

• 靜態劃分信道：各種信道複用技術。
• 動態媒體接入控制：又稱爲多點接入，分爲隨機接入或受控接入。

3）CSMA/CD協議

• CSMA/CD協議要點

  • 多點接入：就是說明這是總線型網絡，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：不管在發送前，還是在發送中，每個站都必須不停地檢測信道。
  • 碰撞檢測：當適配器檢測到的信號電壓變化幅度超過一定的門限值時，就認爲總線上至少有兩個站同時在發送數據，表明產生了碰撞。

• 若檢測到發生碰撞，等到一段時間後再發送。具體的等待時間採用截斷二進制指數退避算法。即：在區間[0,1,3,…(2^k-1)]內隨機選出一個數r，等待r×2t時間。即隨機r個爭用期的時間。
  具體k爲：重傳次數k = Min(重傳次數，10)。另外，規定重傳次數達到16次，則表示想發送數據的站點太多，丟棄該幀，向高層報告。

4）以太網的信道利用率

要提高以太網的信道利用率，就必須減小τ（單程端到端時延）與T（發送時延）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與幀的發送時延T之比：$a={\frac{τ}{T}}$，我們希望a越小越好。

5）MAC硬件地址：在局域網中，硬件地址又稱爲物理地址或MAC地址（因爲這種地址用在MAC幀中），有48位。

6）MAC幀

• MAC幀格式

  • 前兩個字段分別爲6字節長的目的地址和源地址字段。
  • 第三個字段是2字節的類型字段，用來標誌上一層使用的是什麼協議，以便把收到的MAC幀的數據上交給上一層的這個協議。
  • 第四個字段是數據字段，其長度在46到1500字節之間（46字節是這樣得出的：最小幀長度64字節減去18字節的首部和尾部就得出數據字段的最小長度）。
  • 最後一個字段是4字節的幀檢驗序列FCS（使用CRC檢驗）。

• 爲了接收端迅速實現位同步，從MAC子層向下傳到物理層時還要在幀的前面插入8字節（由硬件生成），它由兩個字段構成。第一個字段是7個字節的前同步碼，第二個字段是1個字節的幀開始定界符，定義爲10101011。

• MAC幀長度範圍：64字節~1518字節。IP數據報長度範圍：46字節~1500字節。

3.4 擴展的以太網

1）物理層上擴展以太網

工作在物理層的轉發器、集線器，將多個局域網連接起來，擴大碰撞域，但並不增加吞吐量。

2）數據鏈路層擴展以太網

• 網橋：可以轉發、過濾幀，一次只能分析和轉發一個幀。

• 交換機：可以實現全雙工，並行（可以同時分析和轉發幀），存儲數據幀緩存，以及自學習交換表（地址表）進行轉發。這種方式隔絕衝突域，增加了吞吐量。

  詳情參考：https://blog.csdn.net/qq_42780289/article/details/103357141

3）虛擬局域網VLAN（Virtual LAN）：由一些局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組，而這些網段具有某些共同的需求。每一個VLAN的幀都有一個明確的標識符，指明發送這個幀的計算機屬於哪一個VLAN。

VLAN的幀增加了4個字節的VLAN標識符，標記此站點屬於哪個VLAN。虛擬局域網VLAN可以防止廣播風暴。

4）器件

• 工作在物理層：轉發器、集線器hub。
• 工作在數據鏈路層：網橋、交換機。

3.5 高速以太網

1）10BASE-T以太網：傳統以太網。意義10：10Mbit/s，BASE：基帶信號，T：雙絞線。附：F代表光纖。

2）100BASE-T以太網：快速以太網，又稱高速以太網。

3）吉比特以太網

4）10吉比特以太網（10GE）和更快的以太網

思維導圖