【网络原理】数据链路层 |
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【网络原理】数据链路层
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一、数据链路层的基础知识:
1、数据链路层主要目的
将原始的、有差错的物理线路变成无差错的数据链路。
2、数据链路层主要功能
1.链路管理：数据链路的建立、维护、释放；2.帧同步：接收方应从收到的比特流中正确地判断出一帧的开始与结束位；3.流量控制：控制发送方的数据发送速度，使得接收方来得及接收，以致网络不发生拥塞；4.差错控制：发现传输中出现的错误；5.透明传输：使接收方分辨数据还是控制信息；6.寻址：收发双方应知道对方是谁；
3、数据链路层使用的信道
1.点对点信道 1vs 12.广播信道 1 vs 多
4、基本概念：链路和数据链路
1、链路：是一条无源的点到点的物理线路段。3、数据链路：数据链路 = 链路 + 控制数据传输的通信协议。最常用的方法：使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件
5.传输的数据单位：数据帧（帧）
二、使用点对点信道的数据链路层
1.主要步骤
1、发送方A将网络层的数据报添加首部和尾部封装成帧；2、发送方A将帧发送给B的数据链路层；3、B收到的帧无错，则从帧中提取出数据报交给网络层；若有错，则丢弃该帧。
2.三个基本操作：封装成帧、透明传输、差错检测
1、封装成帧：数据报添加首部和尾部，就构成了一个帧 1、帧的首部和尾部一个重要作用是进行帧定界；2、帧首和帧尾还包括许多必要的控制信息；3、为提高帧传输效率，应使帧的数据部分尽可能大，且规定了数据部分长度上限MTU；帧长 = 帧首尾部长 + 数据部分长2、透明传输：当数据部分是非ASCⅡ文件时，若数据某字节恰好是SOH（帧开始符）或EOT（帧结束符）控制字符时，数据链路层就会错误地处理帧，这就是“不透明传输”。 解决：【字节填充】插入转义字符ESC 1、若数据部分出现EOT或SOH时，就在这个EOT和SOH前插入ESC；接收方在送交网络层之前将这个ESC删除。2、用ESC ESC表示ESC。3、差错检测 1、差错产生的原因和差错类型： 信噪存在，可能使比特流传输产生错误。（0-》1 1-》0） 噪声分两类：热噪声（分子热运动）、冲击噪声（突发）：误码率：二进制比特在数据传输系统中被传错的概率。2、CRC循环冗余编码工作原理： 将数据比特序列当作一个多项式f(x)的系数，在发送端用预先约定的生成多项式G(x)去除，求出一个余数多项式。将余数多项式加到数据多项式后发送到接收端； 接收端用同样的G(x)去除收到的f1(x)，得到余数多项式。如果得到的余数多项式与接收到的余数多项式相同，表示传输无错。否则有错，发送方重传；3.注：数据链路层不使用确认和重传机制（因为代价高），由运输层TCP协议实现可靠传输。【例题3.1】发送数据M=1101011011（K=10），双方约定生成多项式为10011，即：G(x)=x4+x+1，N=4； 
3、透明传输问题（字节填充）引入转义字符7DH
1、若信息字段出现7EH（标志字符），则将其转化成7DH 5EH2、若信息字段出现7DH（转义字符），则将其转化成7DH 5DH3、若出现控制字符（即值小于20H的字符），则在字符前加入7DH，同时将该字符与20H异或4、零比特填充，连续五个1，后面加一个0.
【例题3.2】若数据部分是7D 5E FE 27 7D 5D 7D 5D 65 7D 5E,问真正的数据是什么？ 答：7E FE 27 7D 7D 65 7E 【例题3.3】同步传输技术传送0110111111111100，试问用零比特填充后，变成怎样的比特串？ 若接收端收到PPP帧数据部分是0001110 111110111110110，问真正数据是什么？ 答：（1）011011111011111000；（2）0001110 1111111111110 四、使用广播信道的数据链路层【局域网】 1、局域网工作层次 跨物理层和数据链路层，无需网络层；【没有多次路由选择，数据报直达】 2、共享信道的媒体共享技术 1、静态划分信道：如频分、时分、波分和码分等多路复用技术；2、动态媒体接入控制（又称：多点接入）信道并非固定给某用户。 ①.随机接入：所有用户可以随机发送信息，可能出现冲突【主要使用】。 ②.受控接入：所有用户不能随机发送信息，服从统一控制。 3.局域网的数据链路层LLC和MAC两个子层： 逻辑链路控制 LLC 子层：与传输媒体无关。建立和释放逻辑连接，给帧编号。媒体接入控制 MAC子层：与传输媒体有关。组装成帧、解析帧、地址识别、差错控制、管理和控制对局域网传输介质的访问。注：由于TCP/IP体系经常使用的标准是DIXEthwrnetV2标准，大多数厂家的网卡只用MAC子层。 4、适配器【网卡】的作用1、并/串行转换； 2、对数据缓存； 3、实现以太网（局域网的一种）协议； 注意： ①.计算机的操作系统必须安装网卡驱动程序，由它告知网卡如何取数等； ②.网卡把帧发送到局域网或从局域网接收并处理帧都不使用CPU，当把处理后的正确帧交给协议栈中的网络层时使用中断方式通知CPU。 5、CSMA/CD（带有冲突检测的载波侦听多路访问）最早的以太网是将许多的计算机都连接到一根总线上。 总线的特点：当一台计算机向总线发送数据时，总线上所有计算机都能检测到这个数据；1、以太网通信的两种措施 1、无连接的广播工作方式：不必先建立连接就直接发送数据，发现数据帧错就丢弃。对发送的数据帧不编号，也不要求对方发回确认，差错的纠正即重传操作由网络层处理；2、数据采用曼彻斯特编码。2.CSMA/CD协议 协调总线各计算机的工作，保证同一时间只允许一台计算机发送信息。 CSMA/CD协议的三个要点： ①.多点接入：许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上； ②.载波监听：先听后发：用电子技术检测总线上有无其它计算机发送的信号； ③.碰撞检测：边发边听：若发送数据期间检测到信道是上信号电压变化幅度增大，则表明出现冲突。若出现冲突，立即停发，等待一个随即时间后重发。注意:当某站点监听到总线空闲时，总线并非一定空闲。这是因为数据传播有延迟。问题:发送站要经过多长时间才能知道自己有没有与别的站发生冲突呢？ 3.二进制指数退避算法:CSMA/CD发现冲突到再次发送之间的时间确定方法 ①.确定基本退避时间，它就是2t。以太网取2t=51.2us。②.第k次重传时，从离散整数集合{0,1,……，（2k-1）}中随机取一个数r，重传等待时间即为2rt。当重传次数大于10时k取10。③.当重传达16次仍不能成功时，丢弃该帧并报告上层。 4.强化碰撞：发送数据的站点发现冲突后，立即停止发送数据，再发送32bit或48bit的干扰信号，以便所有用户知道信道发生了冲突。以太网还规定帧间间隔最少为9.6us，即96bit时间。为了让接收站来得及处理刚收到的帧。【帧间最小间隔】 5、CSMA/CD要点归纳如下：⑴、适配器从网络层接收到一个分组，加上以太网首部和尾部，组成以太网帧。⑵、若检测到信道空闲（即96比特时间内没有检测到信道上有信号）就发送这个帧。若信道忙，继续检测并等待信道转为空闲后再发。⑶、数据发送过程中继续侦听，若发送过程中一直未检测到碰撞，则顺利发送，若检测到碰撞，则终止发送，并发送人为干扰信号。⑷、在中止发送后，执行二进制指数退避算法，等待r倍争用期，返回步骤⑵。【例3.4】：某以太网的数据速率为100Mbps，信号速率为200000km/s，求最大网络跨距？ 争用期>=信号来回时间。 争用期=64*8/100=5.12us 一个帧从开始发送，经可能发生的数次碰撞后再重传，到发送成功且信道转为空闲（即再经过时间t使得信道上无信号在传播）时为止，是发送一帧所需的平均时间。 1、MAC层的硬件地址 【局域网中硬件地址又称物理地址或MAC地址】 现在局域网适配器都是用6B（48bit）的全球地址，固化在适配器的ROM中。注意：MAC地址的两种记法 一种是字节的高位在先（左），一种是字节的低位在先（左）。【例题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、适配器检查 MAC 地址： 1、适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址. 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃。2、“发往本站的帧”包括以下三种帧： ①.单播帧（一对一）I/G位=0；【第一个字节第七位】 ②.多播帧（一对多） I/G位=1；【第一个字节第七位】 ③.广播帧（一对全体）48位MAC地址全1；3、以太网的MAC帧格式 1.前同步码：用于同步，使接收端适配器与比特流达成同步，8个字节为10交替，最后一位为1.2.类型：高层使用何种协议，8137H表示novell ipx数据、0800H表示IP数据；3.客户数据字段：46~1500字节，不足46B需填充，填充操作由IP层完成。 客户数据字段的最小长度 = 最小帧长度 64 字节 - 18 字节的首部和尾部 五、扩展以太网 1、在物理层扩展以太网（使用集线器扩展）因为信号在传输过程中会衰减，导致CSMA/CD协议无法正常工作。标准规定单个网段不超过500米长，两个网段之间可用转发器连接起来，但任意两个站点最多可经过3个电缆网段。 可以采用以下两种途径扩展： ⑴、用光纤取代双绞线：可扩展以太网覆盖范围：【需要光纤解调器】 ⑵、使用多级集线器，就可以连接成覆盖范围更大的多级星型以太网。优点： ①.实现不同以太网之间通信。 ②.扩大了以太网范围。主机与集线器之间最多100米，集线器与集线器之间距离也可是100米。缺点： ①.多个碰撞域成为一个碰撞域，碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。 ②.不同技术以太网不能用集线器互连。 2、在数据链路层扩展以太网（使用网桥扩展）两个以太网通过网桥连接起来后，就成为一个覆盖范围很大的以太网，原先的每个以太网称一个网段（每个网段处在各自独立的冲突域中）。 1.网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。2.网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是立即转发帧，而是先检查帧的目的MAC 地址，然后确定是丢弃还是将该帧转发到哪一个接口。1、网桥的内部结构 3.网桥的缺点 ①.先存储、后转发，转发时执行CSMA/CD算法，增加了时延。②.MAC子层没有流量控制，可能因缓存不够丢失帧。③.可能产生广播风暴，扩展的以太网共一个广播域，若网桥之间通过点对点转发帧时采用PPP协议，则在帧的头部和尾部再加上PPP-H和PPP-T。4、网桥和集线器（或转发器）的区别 集线器在转发帧时，不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。5、透明网桥 ⑴、透明网桥：是指以太网网站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，即网桥对站点是透明的。 转发表每项记录的信息结构：MAC地址+接口+ 帧进入该网桥的时间。⑵、透明网桥的自学习原理：若从站点A发出的帧从接口X进入了某网桥，那么从这个接口出发，沿相反方向一定可以把一个帧传送到A。所以网桥每收到一个帧时检查是否有相应的表项。⑶、网桥的自学习和转发帧的步骤： 自学习：网桥收到一帧后，查找转发表中有无与源地址匹配的项目，若有，则更新（接口时间），若无，增加一个新表项：地址、接口、时间。 转发帧：若帧的目的地址与转发表中所有表项不匹配，则向除进入接口以外的其它所有接口转发，若与转发表中给出接口相同，则丢弃该帧，若进入的接口与转发表给出接口不同，则按转发表给出的接口进行转发。网桥工作原理简述：学习源地址、过滤本网段帧、转发异网段帧、广播未知帧。⑷、透明网桥的生成树算法：目的：避免帧在网络中不停地兜圈子，白白耗费资源。生成树算法：每个网桥都有一个唯一的标示符，通常取网桥MAC加一个优先级，网桥每个端口有一个路径代价： 第一步：“决定根网桥”，取优先级最高者，同优先级取MAC最小者； 选根期间各网桥广播自己的BPDU（网桥协议数据单元）表明自己的标示符，当收到比自己优先级高的BPDU时就不再广播自己的BPDU而转发高优先级的BPDU，最终只产生一个根端口； 第二步：“决定非根网桥的根端口”，从它出发到根网桥路径代价最小的端口； 方法是根网桥广播一个BPDU，非根网桥在各端口收到此BPDU后检测出代价，从而决定根端口； 第三部：“决定指定网桥和各网络的指定端口”，指定网桥就是本网络A到达另一网络B路径代价最小的网桥，由它负责本网络A与B之间的数据交换（一个网络可能有多个通向数个网络的多个指定网桥）；指定端口就是网络与指定网桥的相连端口，其它非指定端口被阻塞。6、源路由网桥：由发送帧的源站负责路由选择的网桥。 源站发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。为发现合适的路由，源站以广播方式向目的站发送一个发现帧，作探测之用。发现帧在整个扩展的以太网上沿所有可能的路径传送。在传送过程中，每个发现帧都记录所经过的路由。当这些发现帧到达目的站时，就沿着各自路由返回源站。源站从各种路由中选择一个最佳路由。7、多接口网桥：“以太网交换机” 以太网交换机工作在数据链路层，实际上是一个多接口网桥。 1、以太网交换机的特点： ①.一般都工作在全双工方式。 ②.交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据，从而增加总容量。 2、交换机与集线器的不同点： ①.工作层次不同：交换机工作在数据链路层，集线器工作在物理层。 ②.传输数据方式不同：交换机转发，集线器广播。 ③.带宽占用方式不同：交换机用户独占带宽，集线器用户共享带宽。 ④.传输模式不同：交换机全双工，集线器半双工。 ⑤.碰撞域不同：集线器所有接口是一个碰撞域，交换机每个接口是一个独立的碰撞域。 3、利用以太网交换机可以很方便地实现VLAN（虚拟局域网） 每一个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。 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。 VLAN的优点 ①.可控制广播风暴，广播只在同一个VLAN中。 ②.提高网络整体安全性 实现虚拟局域网主要的三种途径 ①.基于端口的虚拟局域网 ②.基于MAC地址的VLAN； ③.基于IP 地址的VLAN。 虚拟局域网使用的以太网MAC帧格式：在以太网帧格式中插入一个4字节标识符，称VLAN标记，用来指明发送该帧的工作属于哪一个虚拟局域网。 3、在网络层扩展以太网è 使用路由器扩展（局域网扩展成广域网） 六、高速以太网 1、100BASE-T以太网 ----又称为快速以太网(Fast Ethernet) 1、支持半双工和全双工方式，双工方式下CSMA/CD不起作用。2、最短帧长仍为64B，最大帧长为1518B，但将网段的最大电缆长度减小到 100 m。3、争用期仍为512比特时间，帧间隙为0.96us（96比特时间）。 2、吉比特以太网 1、支持全双工和半双工（此时使用 CSMA/CD 协议）工作方式。2、使用载波延长（载波扩展技术）和分组突发技术。3、最短帧长仍然为64B，争用期增加为512B时间，当帧长处于64B～512B时需要填充到512B。载波扩展技术：若帧长小于512B,将整个发送长度扩展到512B。分组突发技术：一个站获得介质访问权后连续发送多个短帧时，第一个短帧采用载波扩展技术扩展为512B，以后的短帧就不必扩展而连续发送，但在所有的帧之间用载波扩展为填充帧与帧之间的间隔IPG（一个IPG共96b），以便使得其它站始终能够检测到载波，防止他们打断当前站的帧突发操作。【例题3.10】半双工千兆位以太网中，要发送一个100B的帧，需要多长时间才发完？若要发送10个100B的帧，又需要多长时间才发完？ |
故实际发送为1100110111110(在数据后面添加的冗余码1110称为帧检验序列 FCS)； 是否有误：1100110111110/10011 余数为0，则无误！
网桥依靠转发表来转发帧。 2.好处
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