第三章数据链路层

本章主要内容

点对点信道和广播信道的特点，以及对应协议（ppp）（CSMA/CD）的特点
三个基本问题：封装成帧、透明传输、差错检测
以太网mac层的硬件地址
适配器、转发器、集线器、网桥、以太网交换机的作用以及使用场合。

3.1 数据链路层的几个共同问题

链路：

从一个节点到相邻结点的一段物理线路，中间无其他交换结点。

数据链路：

物理线路以及实现一些必要的通信协议的硬件和软件

1. 封装成帧

给一段数据前后分别加上首部和尾部，便于接收端从比特流中辨认帧的开始和结束位置

2. 透明传输

无论什么样的比特组合的数据，都能按照原样没有差错地通过数据链路层

也就是说：如果数据中出现了和帧界定符一样的比特组合时，就要采取有效的措施来解决这个问题。

3. 差错检测

传输过程会出现差错（比特差错）难以避免。若判定有差错，那就简单地丢弃这个帧。

3.2 点对点协议PPP

点对点协议：

PPP (Point-to-Point Protocol)

ppp协议的特点

互联网用户只有连接某个ISP才能接入互联网。PPP协议就是用户计算机和ISP进行通信时所使用的 数据链路层 协议

PPP协议的组成：

一个将IP数据报封装到串行链路的方法。
一个用于建立、配置、测试链路连接的 链路控制协议 LCP(Link Control Protocol)
一套网络控制协议，这些协议用于支持不同的网络层协议，如IP

1. 各字段的意义

2. 字节填充

3. 零比特填充

ppp协议的工作状态

3.3 使用广播信道的数据链路层

关键词：以太网、局域网

局域网使用的就是广播信道。

3.3.1 局域网的数据链路层

局域网具以下优点：

具有广播功能

便于系统拓展和逐渐地演变

提高了系统的可靠性、可用性、生存性

共享信道要解决用户合理共享信道的问题，解决方法如下：

静态划分信道

频分复用、时分复用、波分复用、码分复用

动态媒体接入控制

又称为多点接入，信道并非时在用户通信时固定分配给用户

随机接入：所有用户随机发送信息，可能会产生碰撞。

受控接入：用户不能随机发送信息，必须服从一定的控制。

1. 以太网的两个主要标准

DIX Ethernet V2

IEEE 802.3

以上两个标准只有很小的差别

很多人把采用802.3标准的局域网简称为以太网

以太网采用无连接的工作方式，不必先建立连接就可以直接发送数据。

以太网提供的服务是尽最大努力的交付即不可靠的交付

2. 适配器的作用

计算机与外部局域网的连接需要通过适配器

适配器本是主机箱内插入的一块网络接口板，这种接口板又称为网络接口卡，简称网卡。

现在计算机上已经嵌入了这种适配器，不再使用单独的网卡了

3.3.2 CSMA/CD协议

CSMA/CD: 载波监听多点接入/碰撞检测(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

几个概念：

载波监听

边发送边监听。不管在数据发送前还是数据发送中，每个站都必须不停地检测信道。保证不在其他站发送数据时发送数据，产生干扰。

多点接入

说明是总线型网路，许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

碰撞检测

适配器边发送数据，边检测信道上的信号电压的变化情况。当两个或者几个站同时发送数据时，总线上的电压会增大（互相叠加），表明发生了碰撞。一旦发现总线出现了碰撞，适配器就要立即停止发送数据。

尽管有以上技术作为保证，数据在总线上仍然会出现碰撞。（数据在总线上传输是有延时的，上一秒还没监听到信号，下一秒可能信号就传到了，但己方已经把数据发出去了）

因为同一时间只能有一个站在发送信息，因此只能进行半双工通信，不能进行全双工通信。

争用期

以太网端到端往返时间 2τ 数据发送后，经过这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送一定不会产生碰撞。

基本退避时间为争用期2τ 具体的争用期时间是51.2微秒

当数据发送不成功时就要重传，从0—2*k-1 这些整数中随机选出一个数，这个数乘以2τ 就是推迟重传时间（不一定要推迟，可以立即发送）

当重传16次仍然不成功，那么就丢弃该帧，并向高层报告。（这种情况表明同一时间想发送数据的站太多）

最短帧

如果发送的帧很短，那么可能会出现以下情况

发送方发完了这个很短的帧，没有检测到碰撞，但是实际上在发送后这个帧与其他站发送的数据产生了碰撞。

这种情况会导致发送方不知道发送失败了，因此不会重传（数据永久丢失了）

为了避免这种情况，以太网规定帧长最短不能小于64字节

最短帧是64字节

凡是小于64字节的帧都是无效帧，都应该被丢弃

帧间最小间隔

9.6微秒

作用是防止接收方来不及反应，留出时间处理上一个帧的缓存

强化碰撞：

当发送数据的站检测到碰撞以后，除了立即停止发送数据以外，还需要发送人为的干扰信号，方便让所有站都知道已经发生了碰撞

3.3.3 使用集线器的星型拓扑

几个概念

10BASE-T标准

10代表10Mbit/s的数据率 base代表信号是基带信号 T代表双绞线

10BASS-F

与10BASE-T类似，F代表光纤

集线器

位于星型拓扑以太网的中心，取代了单一的总线

集线器工作在物理层，只进行转发，不负责碰撞检测。

3.3.4 以太网的信道利用率

成功发送一个帧所经历的时间是 T0+τ

T0: 完整发送一个帧的时间

τ：从信道起点到终点传输过程中经历的时间

a: 单程端到端时延 τ 与帧的发送时间 T0 之比

a = τ/T0

a越小，信道利用率越高。因为a趋近于0时，表示一旦发生碰撞，就能马上检测出来，并立即停止发送。因而信道资源被浪费的时间很少。

3.3.5 以太网的mac层

MAC地址：单独表示每个适配器，每个MAC地址全球唯一

MAC帧的格式：

后面补充

适配器的过滤功能：

适配器每从网络上收到一个mac帧，先用硬件检查帧中的目的地址。如果是发往本站的就收下，如果不是，那就丢弃。

3.4 拓展的以太网

3.4.1 在物理层拓展以太网

涉及到的设备：

光纤和调制解调器：拓展主机和集线器之间的距离
集线器：代替总线

涉及的概念：

碰撞域：又称为冲突域。在这个域内，同一时间只能有一个设备在发数据，否则就会冲突。

碰撞域的最大吞吐量：假设三个系通过集线器连接起来，其中每个系的最大吞吐量都是10Mbit/s 那这个连接起来的碰撞域的最大吞吐量就是30Mbit/s

注意：如果不同的系使用不同的以太网技术（如：数据率不同），就不能用集线器将他们互联起来。

如果一个系使用10Mbit/s的适配器，另外的系使用10/100Mbit/s的适配器，连起来后，就只能支持10Mbit/s的工作速率。因为集线器只能转发，不能缓存。

3.4.2 在数据链路层拓展以太网

涉及到的设备：

网桥：根据收到的帧根据其MAC帧目的地址进行转发和过滤。
交换机：工作在数据链路层，实质上是一个多端口的网桥，每个端口都与一台单独的主机或另一台交换机相连，工作在全双工模式。

涉及到的概念：

交换机的自学习：当交换机收到一个帧时，先检测交换表里有没有这个帧目的地址设备的记录，如果有就可以确定需要转发的端口；如果没有，则先在交换表记录下发送这个帧的设备的MAC地址和帧的来源端口，再对除来源端口外的其他端口进行广播。这个过程一直循环，最后交换表里就会存储有连接这台交换机所有站的MAC地址和对应连接端口。

交换表：交换机是一种即插即用的设备，其内部有张交换表（地址表），通过自学习，交换表里会存储连接这台交换机的所有站的MAC地址和连接的端口，以便在收到新的帧时，只需要检测帧的目的地址就能直接确定调用哪个端口

”兜圈子“问题：当网络中存在冗余链路（如：两台交换机存在一个环形回路）时，可能会导致以太网帧再某个环路中无线兜圈子，白白消耗了网络资源。

解决兜圈子问题的方案：在逻辑上切断环路。IEEE的802.1D标准制定的生成树协议STP

3.4.2 虚拟局域网

虚拟局域网的作用：

缩小广播域，把一个大的以太网，在逻辑上分割成几个小的以太网，每个小的以太网各自成为新的广播域

3.5 高速以太网

100BASE-T 以太网

Fast Ethernet快速以太网在双绞线上传输 100Mbit/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的 CSMA/CD 协议。

吉比特以太网

使用802.3z标准，具有以下特点：

允许在1Gbit/s下以全双工和半双工两种方式工作。

使用IEEE802.3协议规定的帧格式

半双工下使用CSMA/CD协议，全双工下不使用

与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容

10吉比特以太网

帧的格式没有变化。

只工作在全双工模式。因此不存在争用问题，不适用CSMA/CD协议。

3.6 使用以太网进行宽带接入

把ppp协议中的ppp帧封装到以太网中来传输————PPPoE（PPP over Ethernet）

例：使用光纤到大楼方案（FTTB），用光纤连接每栋大楼，在每栋大楼的楼梯口安装一个光网络单元ONU ，根据用户所申请的带宽，使用5类线接到用户家中。用户只需要用5类线把自己的个人电脑连接到墙上的RJ-45接口上，然后在PPPoE的弹出窗口输入自己在运营商处购买的用户名和密码，就可以进行宽带上网了。