概述

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

  • 点对点信道
  • 广播信道

使用点对点信道的数据链路层

  • 链路link：一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。一条链路只是一条通路的一个组成部分。
  • 数据链路：链路 + 控制数据传输通信协议的硬件和软件。最常用的方法是使用适配器（网卡）。
  • 数据链路层中传输的数据单位是 帧 。

数据链路层的三个基本问题——封装成帧、透明传输、差错控制

封装成帧与透明传输

封装成帧就是在数据的前后添加首部（帧开始符）和尾部（帧结束符），添加完的这玩意就叫做一个帧。

首部和尾部的一个重要作用就是进行 帧定界 。

然而，如果在原数据中出现了与帧开始符或帧结束符相同的字符，在传输的时候就会识别错误，这就是透明传输问题。要解决这种问题，就可以在 数据中 的控制字符前面添加一个转义字符，而接收端在收到数据后只需删除这些转义字符就可以正确识别，如果转义字符也出现在数据里，就用转义字符对转义字符转义。这种方法被称为 字节填充法 。

差错检测

  • 传输过程中可能产生 比特差错 ，在一段时间内传输错误的比特占所传输比特总数的概率被称为 误码率BER 。
  • 循环冗余检验CRC：在数据段的末尾添加一段 冗余码 ，也称为帧检验序列FCS。接收端对收到的每一帧进行CRC检验，但只能判别出有差错或者无差错，无法确定差错出现的位置，所以有差错的帧一律丢弃。
  • CRC只能做到 无差错接受 ，即接受的数据没有差错。如果要做到可靠传输，则须加上确认与重传的机制。

点对点协议PPP

  • 用户到ISP的链路使用PPP协议

帧格式

  • 标志字段 F = 0x7E
  • 地址字段 A = 0xFF ，没有实际作用（都点对点了还要地址干啥）
  • 控制字段 C = 0x03
  • 协议字段，用于区分PPP帧的数据类型
  • PPP帧的长度为整数字节

透明传输

  • 当PPP用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充
  • 当PPP用在异步传输时，就使用 字符填充法 。将信息字段中的每一个0x7E转变成2字节序列（0x7D，0x5E）；若信息字段中出现一个0x7D字节，则转变成2字节序列（0x7D，0x5D）；若信息字段中出现ASCII码的控制字符（＜0x20），则在前面加入一个0x7D字节，同时改变该字符的编码。
  • PPP协议用在SONET/SDH链路时，是同步传输，此时采用 零比特填充 。发送端，只要有连续5个1（0b1111110 == 0x7E），就立即填入一个0。接收端对帧中的比特扫描，当发现5个连续的1，就把之后的一个0删除。

不提供使用序号的确认

  • 在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的PPP协议比较合理。
  • 在因特网环境下，PPP的信息字段放入的数据是IP数据报，数据链路层的可靠传输不能保证网络层的传输也可靠。
  • 帧检测序列FCS可以保证无差错接受。

使用广播信道的数据链路层

局域网的数据链路层

  • 局域网 ：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目都有限。具有广播功能。
  • 局域网的拓扑：星形网（集线器）、总线网、环形网（令牌）
  • 数据链路层的两个子层：逻辑链路控制LLC子层（局域网对LLC子层透明，即看不见下面的局域网；一般不考虑）、媒体接入控制MAC子层（与传输媒体有关）。

适配器

  • 通信适配器又称网络接口卡或网卡
  • 进行串行/并行转换；缓存数据；在计算机的OS安装设备驱动程序；实现以太网协议
  • 计算机通过适配器进行与局域网的通信

CSMA/CD协议

以太网的广播方式

将许多计算机连接到一根总线上。假设当计算机A发送了数据信号，则将其广播，总线上的所有计算机都能检测到，但只有目的计算机B的地址才与数据帧首部的目的地址一致，所以只有B会接收这段数据，而其他计算机就将其丢弃。

  • 不必先建立连接就可以直接发送数据，较为灵活简便；对发送的数据不编号，也不要求对方发回确认（因为局域网信道质量好，基本不产生差错）
  • 以太网提供的服务是不可靠的交付，当目的站收到有差错的数据帧，就 直接丢弃 。当高层发现丢失了一些数据帧，便将其当作新的数据帧重传。

载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD

  • 多点接入：许多计算机以多点的方式连在总线上
  • 载波监听：每个站在发送数据前要先检测总线上是否有其他计算机在发送数据，来避免碰撞
  • 碰撞检测：计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小，一旦发现总线上出现了碰撞，就立即停止发送，避免继续浪费网络资源，然后等待一段 随机时间 后再次发送。👉CSMA/CD协议的以太网只能进行半双工通信，发送的不确定性使得平均通信量远小于以太网的最高数据率。
  • 传播时延对载波监听的影响：比如A向B发送信息，由于信息传播需要时间，所以B在没收到信息前认为总线空闲，有可能同时发送信息，便会产生碰撞。
  • 将单程端到端的传播时延记为τ，则记 争用期 = 2τ （或碰撞窗口），即：最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过这段时间，就可以知道发送的数据是否遭受了碰撞。👉以太网取 51.2μS 作为争用期的长度，对于10Mb/s以太网，争用期内可以发送64字节，只要前64字节没有发生冲突，后续的数据就不会冲突。👉凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。
  • 当发送数据的站一旦发生了碰撞时：立即停止发送数据；再继续发送若干比特的 人为干扰信号 ，以便让所有用户都知道发生了碰撞。

使用广播信道的以太网

  • 采用星形拓扑，在星形的中心为集线器（hub）

以太网的信道利用率

  • 记帧长为L(bit)，数据发送速率为C(b/s)，则帧的发送时间为 T0=L/C
  • 发送一帧的平均时间则为 2τ * n + T0 ：发生碰撞的过程可能需要多个争用期，直到转为空闲，然后才能发送信息
  • 记 a=τ/T0 ，则要提高信道利用率，就必须减小a。当a→0，则说明一发生碰撞就可以立即检测出来，停止发送；若a越大，则说明争用期所占比例越大，在碰撞中浪费许多信道资源。👉以太网连线的长度不能太长，否则 τ 会太大；以太网的帧长也不能太短，否则 T0 会太小。
  • 在 理想情况 下，各站发送的数据不会碰撞 ，则发送一帧占用线路的时间为 T0+τ ，但帧本身的发送时间为 T0 ，所以极限信道利用率为 Smax = T0 / ( T0 + τ ) = 1 / ( 1+a )
  • 帧间最小间隔 为9.6μS，用于使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备

以太网的MAC层

  • 硬件地址又称为物理地址或MAC地址，即适配器地址或适配器标识符EUI-48（高位24位由IEEE的注册管理机构RA分配，低位24位 扩展标识符 由厂家自行指派）
  • 适配器每从网络上收到一个MAC帧就先用硬件检查MAC帧中的MAC地址，判断是否发往本站

MAC帧的基本结构

  • 类型字段用来标志 上一层 用的是什么协议，以便把MAC帧的数据交给上一层的这个协议
  • 数据字段的大小为 46~1500 字节，这个46字节为最小数据长度64 - 目的地址(6) - 源地址(6) - 类型(2) - FCS(4) 👉当数据字段小于46字节时，应加入填充字段，以保证不小于64字节
  • 在MAC帧前面插入的8个字节：第一个字段的7个字节为前同步码，用来迅速实现MAC帧的 比特同步 ，第二个字段的1个字节为帧开始定界符，表示后面的信息是MAC帧

扩展的局域网

在物理层扩展局域网

  • 主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器
  • 用多个集线器组成更大的局域网，该局域网都在一个碰撞域中，但总的吞吐量并未提高

在数据链路层扩展局域网

  • 使用 网桥 ，网桥工作在数据链路层，根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发
  • 网桥的过滤帧功能：当网桥收到一个帧，并不是直接向所有接口转发此帧，而是先检查目的MAC地址，再转发到对应接口（通过内部的转发表确定）
  • 优点：可以互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的局域网（如果用hub，速率快的往速率慢的发送会堵塞）；使各网段称为隔离开的碰撞率
  • 缺点：增加了时延，传播过多广播信息会产生 广播风暴 （信息会重复转发）
  • 集线器在转发帧时不会对传输媒体进行检测；网桥在转发帧之前必须执行CSMA/CD算法，检测碰撞
  • 目前使用得比较多得网桥是 透明网桥 ：局域网上的各站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥

网桥的自学习算法

当网桥收到一个数据帧，就记录下它的源地址D和进入网桥的接口，然后把这两个信息加入转发表，以后收到目的地址D的信息，就知道要往这个接口发送了。

同时，也要记录下帧进入该网桥的 时间 ，毕竟以太网的拓扑可能经常发生变化，记录了时间就可以只保留最新状态信息。

自学习完成后，对帧进行转发，首先查看转发表中是否有该目的地址：

  • 如果有，就先判断这个目的地址的对应接口是否和帧进入网桥的接口相同：
    • 是：那就说明不需要经过网桥转发，直接丢弃
    • 否：按对应接口进行转发
  • 如果没有，就通过除进入网桥的接口以外的所有其他接口进行转发。

透明网桥的生成树算法

因为网络是四通八达的，转发的帧很大可能会在网络中不停地兜圈子，所以需要使用生成树找到任意两个站中的唯一路径。

同时，由于网络拓扑是经常发生变化的，生成树上的根网桥每隔一段时间还需要对生成树的拓扑进行更新。

源路由网桥

源路由网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部，源站以广播方式向目的站发送一个 发现帧 ，每个发现帧都记录所经过的路由。

发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站，源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择一个最佳路由，以后从这个源站向这个目的站发送的帧的首部，都必须携带这一个最佳路由信息。

源路由网桥可能提高网络资源的利用率

多接口网桥——以太网交换机

  • 以太网交换机的每个接口都直接和主机相连，而且一般工作在 全双工方式
  • 对于普通的10Mb/s的共享式以太网，若有N个用户，每个用户占有的平均带宽只有10/N。但如果使用以太网交换机，虽然每个接口到主机的带宽还是10Mb/s，但每个用户在通信时是独占带宽，所以总容量为10NMb/s。
虚拟局域网VLAN

由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。每个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个VLAN。

当B1向VLAN2的成员发送数据，B2和B3会收到消息，但A1，A2，C1都不会收到。

虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使网络不会因为广播风暴而引起性能恶化。

虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的VLAN标记，来指明发送该帧的工作站属于哪个虚拟局域网（位于源地址与类型之间）。

高速以太网

  • 速率达到或超过100Mb/s的以太网被称为高速以太网。在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星形拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。100BASE-T以太网又称为快速以太网。
  • 吉比特以太网允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作，在半双工方式下使用CSMA/CD协议。
  • 10吉比特以太网与10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s以太网的帧格式完全相同。10吉比特以太网 只工作在全双工方式 ，因此没有争用问题，也不使用CSMA/CD协议。