目錄
一.數據鏈路層
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。
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
鏈路(link)是一條無源的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。
數據鏈路(data link) 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。
現在最常用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。
常常在兩個對等的數據鏈路層之間畫出一個數字管道，而在這條數字管道上傳輸的數據單位是幀
發送端的數據鏈路層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”(其十六進制編碼是 1B)。
字節填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——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數據當中，那麼應在轉義字符前面插入一個轉義字符。當接收端收到連續的兩個轉義字符時，就刪除其中前面的一個。
在數據鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循環冗餘檢驗 CRC 的檢錯技術：用二進制的模 2 運算進行 2n 乘 M 的運算，這相當於在 M 後面添加 n 個 0。得到的 (k + n) 位的數除以事先選定好的長度爲 (n + 1) 位的除數 P，得出商是 Q 而餘數是 R，餘數 R 比除數 P 少1 位，即 R 是 n 位。
在數據後面添加上的冗餘碼稱爲幀檢驗序列 FCS (Frame Check Sequence)。
二.PPP 協議
現在全世界使用得最多的數據鏈路層協議是點對點協議 PPP (Point-to-Point Protocol)。
標誌字段 F = 0x7E （符號“0x”表示後面的字符是用十六進制表示。十六進制的 7E 的二進制表示是 01111110）。
地址字段 A 只置爲 0xFF。地址字段實際上並不起作用。
控制字段 C 通常置爲 0x03。
PPP 是面向字節的，所有的 PPP 幀的長度都是整數字節。
當協議字段爲 0x0021 時，PPP 幀的信息字段就是IP 數據報。
若爲 0xC021, 則信息字段是 PPP 鏈路控制數據。
若爲 0x8021，則表示這是網絡控制數據
PPP 協議之所以不使用序號和確認機制是出於以下的考慮：
在數據鏈路層出現差錯的概率不大時，使用比較簡單的 PPP 協議較爲合理。
在因特網環境下，PPP 的信息字段放入的數據是 IP 數據報。數據鏈路層的可靠傳輸並不能夠保證網絡層的傳輸也是可靠的。
幀檢驗序列 FCS 字段可保證無差錯接受
三.局域網的數據鏈路層
邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層
媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層。
與接入到傳輸媒體有關的內容都放在 MAC子層，而 LLC 子層則與傳輸媒體無關，不管採用何種協議的局域網對 LLC 子層來說都是透明的
四.MAC 協議:CSMA/CD 協議
最初的以太網是將許多計算機都連接到一根總線上。當初認爲這樣的連接方法既簡單又可靠，因爲總線上沒有有源器件。 
總線上的每一個工作的計算機都能檢測到 B 發送的數據信號。
由於只有計算機 D 的地址與數據幀首部寫入的地址一致，因此只有 D 才接收這個數據幀。
其他所有的計算機（A, C 和 E）都檢測到不是發送給它們的數據幀，因此就丟棄這個數據幀而不能夠收下來。
具有廣播特性的總線上實現了一對一的通信。
以太網發送的數據都使用曼徹斯特(Manchester)編碼
CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。
“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上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。
總線上並沒有什麼“載波”。因此， “載波監聽”就是用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機發送的數據信號。
“碰撞檢測”就是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同時在發送數據，表明產生了碰撞。所謂“碰撞”就是發生了衝突。因此“碰撞檢測”也稱爲“衝突檢測”.在發生碰撞時，總線上傳輸的信號產生了嚴重的失真，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了碰撞，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。
傳播時延對載波監聽的影響
使用 CSMA/CD 協議的以太網不能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信（半雙工通信）。每個站在發送數據之後的一小段時間內，存在着遭遇碰撞的可能性。 這種發送的不確定性使整個以太網的平均通信量遠小於以太網的最高數據率。
最先發送數據幀的站，在發送數據幀後至多經過時間 2t （兩倍的端到端往返時延）就可知道發送的數據幀是否遭受了碰撞。
以太網的端到端往返時延 2t 稱爲爭用期，或碰撞窗口。
二進制指數類型退避算法
發生碰撞的站在停止發送數據後，要推遲（退避）一個隨機時間才能再發送數據。
確定基本退避時間，一般是取爲爭用期 2t。
定義重傳次數 k ，k £ 10，即k = Min[重傳次數, 10]n從整數集合[0,1,…, (2k -1)]中隨機地取出一個數，記爲 r。重傳所需的時延就是 r 倍的基本退避時間。
當重傳達 16 次仍不能成功時即丟棄該幀，並向高層報告
爭用期的長度:
以太網取 51.2 ms 爲爭用期的長度。對於 10 Mb/s 以太網，在爭用期內可發送512 bit，即 64 字節。以太網在發送數據時，若前 64 字節沒有發生衝突，則後續的數據就不會發生衝突。
最短有效幀長:
如果發生衝突，就一定是在發送的前 64 字節之內。 由於一檢測到衝突就立即中止發送，這時已經發送出去的數據一定小於 64 字節。 以太網規定了最短有效幀長爲 64 字節，凡長度小於 64 字節的幀都是由於衝突而異常中止的無效幀。
五.集線器
每個站需要用兩對雙絞線，分別用於發送和接收。
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 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
要提高以太網的信道利用率，就必須減小 t 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 t 與幀的發送時間 T0 之比
• a→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，表明爭用期所佔的比例增大，每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。
在理想化的情況下，以太網上的各站發送數據都不會產生碰撞（這顯然已經不是 CSMA/CD，而是需要使用一種特殊的調度方法），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 + t，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：
六.以太網的 MAC 幀格式
目的地址字段 6 字節
源地址字段 6 字節
類型字段 2 字節: 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
數據字段 46 ~ 1500 字節：數據字段的正式名稱是 MAC 客戶數據字段，最小長度 64 字節 - 18 字節的首部和尾部 = 數據字段的最小長度
FCS 字段 4 字節:當數據字段的長度小於 46 字節時，應在數據字段的後面加入整數字節的填充字段，以保證以太網的 MAC 幀長不小於 64 字節
在幀的前面插入的 8 字節中的第一個字段共 7 個字節，是前同步碼，用來迅速實現 MAC 幀的比特同步。第二個字段是幀開始定界符，表示後面的信息就是MAC 幀。
無效的 MAC 幀 :
- 數據字段的長度與長度字段的值不一致；
- 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。
- 對於檢查出的無效 MAC 幀就簡單地丟棄。以太網不負責重傳丟棄的幀。
用集線器擴展局域網
- 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。
七.網橋
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
優點：
- 過濾通信量。
- 擴大了物理範圍。
- 提高了可靠性。
- 可互連不同物理層、不同 MAC 子層和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太網）的局域網
缺點：
- 存儲轉發增加了時延。
- 在MAC 子層並沒有流量控制功能。
- 具有不同 MAC 子層的網段橋接在一起時時延更大。
- 網橋只適合於用戶數不太多(不超過幾百個)和通信量不太大的局域網，否則有時還會因傳播過多的廣播信息而產生網絡擁塞。這就是所謂的廣播風暴。
集線器在轉發幀時，不對傳輸媒體進行檢測。
在網橋的轉發表中寫入的信息除了地址和接口外，還有幀進入該網橋的時間。
這是因爲以太網的拓撲可能經常會發生變化，站點也可能會更換適配器（這就改變了站點的地址）。另外，以太網上的工作站並非總是接通電源的。
把每個幀到達網橋的時間登記下來，就可以在轉發表中只保留網絡拓撲的最新狀態信息。這樣就使得網橋中的轉發表能反映當前網絡的最新拓撲狀態。
網橋收到一幀後先進行自學習。查找轉發表中與收到幀的源地址有無相匹配的項目。如沒有，就在轉發表中增加一個項目（源地址、進入的接口和時間）。如有，則把原有的項目進行更新。
轉發幀。查找轉發表中與收到幀的目的地址有無相匹配的項目。
如沒有，則通過所有其他接口（但進入網橋的接口除外）按進行轉發。
如有，則按轉發表中給出的接口進行轉發。
若轉發表中給出的接口就是該幀進入網橋的接口，則應丟棄這個幀（因爲這時不需要經過網橋進行轉發）。
透明網橋使用了生成樹算法
互連在一起的網橋在進行彼此通信後，就能找出原來的網絡拓撲的一個子集。在這個子集裏，整個連通的網絡中不存在迴路，即在任何兩個站之間只有一條路徑。
爲了避免產生轉發的幀在網絡中不斷地兜圈子。
爲了得出能夠反映網絡拓撲發生變化時的生成樹，在生成樹上的根網橋每隔一段時間還要對生成樹的拓撲進行更新。
八.以太網交換機
以太網交換機的每個接口都直接與主機相連，並且一般都工作在全雙工方式。
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。
以太網交換機由於使用了專用的交換結構芯片，其交換速率就較高。
對於普通 10 Mb/s 的共享式以太網，若共有 N 個用戶，則每個用戶佔有的平均帶寬只有總帶寬(10 Mb/s)的 N 分之一。
使用以太網交換機時，雖然在每個接口到主機的帶寬還是 10 Mb/s，但由於一個用戶在通信時是獨佔而不是和其他網絡用戶共享傳輸媒體的帶寬，因此對於擁有 N 對接口的交換機的總容量爲 N´10 Mb/s。這正是交換機的最大優點。
當 B1 向 VLAN2 工作組內成員發送數據時，工作站 B2 和 B3 將會收到廣播的信息。
B1 發送數據時，工作站 A1, A2 和 C1都不會收到 B1 發出的廣播信息。
虛擬局域網限制了接收廣播信息的工作站數，使得網絡不會因傳播過多的廣播信息(即“廣播風暴”)而引起性能惡化
可在全雙工方式下工作而無衝突發生。因此，不使用 CSMA/CD 協議
以太網從 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演進證明了以太網是：
可擴展的（從 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。
靈活的（多種傳輸媒體、全/半雙工、共享/交換）。
易於安裝。
穩健性好。