📖 前言：数据链路层是 OSI 模型中的第二层，位于物理层之上，是通信网络中的重要组成部分之一。数据链路层协议负责将网络层传输的数据分组封装成帧，传输到物理层，并通过物理介质进行传输。同时，数据链路层协议还需要提供错误检测和纠正、流控等功能，以确保数据的可靠传输。本文将全面介绍数据链路层协议的相关知识，包括其定义、分类、协议运作原理、常用技术以及实际应用等方面。

现在全世界使用得最多的数据链路层协议是PPP（Point to Point Protocol，点到点协议） 。

PPP为点对点连接上传输多种协议的数据包提供了一种标准的方法，其最初的设计目的，是为两个对等结点之间的IP传输提供一种封装协议，除了IP以外，PPP还可以封装其它协议，包括Novell的IPX协议（Internetwork Packet Exchange，网间分组交换）等。

在建立、保持和终止PPP链路的过程中，PPP链路需要经过5个阶段，除认证阶段外，其它4个阶段都是必要过程。 5个阶段如下：

LCP（Link Control Protocol，链路控制协议）：用于建立、配置、维护和终止PPP链路

LCP负责PPP的链路管理，和上层（网络层）协议无关。

当PPP帧中Protocol字段为0xC021时，表示Information 字段数据为LCP报文。

Configure-Request（配置请求）的Code字段值为0x01，Data字段值为一到多个选项（Options）列表，选项列表中的参数可同时协商。

Configure-Request（配置请求）报文示例：

若接收的Configure-Request中的每一个配置选项的值都可接受，则回送Configure-Ack（配置确认）报文，回送的Configure-Ack中的Identifier字段必须与最后接收的Configure-Request相匹配。此外，Configure-Ack中的配置选项必须完全匹配最后接收的Configure-Request。

若收到的每个配置选项都可以识别，但是配置选项的值不能接受，接收方必须回送Configure-Nak（配置否认）。配置选项部分仅用不能接受的配置选项进行填充，回送的Configure-Nak中的Identifier字段必须与最后接收的Configure-Request相匹配。

若收到的部分配置选项是不可识别或不能接受，则回送Configure-Reject（配置拒绝确认）。配置选项部分仅用不可识别或不能接受的配置选项进行填充，回送的Configure- Reject中的Identifier字段必须与最后接收的Configure-Request相匹配。

上述报文除Code字段值不同，配置选项的格式与Configure-Request均相同。

Code-Reject（代码拒绝）报文表示无法识别报文的Code字段

若收到该类错误，应立即终止链路，该报文的格式如图，其中“被拒绝的报文”字段包含了无法识别的LCP报文。

Protocol-Reject（协议拒绝）报文表示无法识别报文的Protocol字段

若收到该类错误，应停止发送该类型的协议报文，该报文的格式如图所示，其中“被拒绝的协议”字段包含了被拒绝的PPP帧的数据区。

Echo-Request（回复请求）和Echo-Reply（回复应答）用于链路质量和性能测试，其格式如图所示。

Discard-Request（丢弃请求）是一个辅助的错误调试和实验报文，无实质用途。

这种报文收到即会丢弃。

NCP（Network Control Protocol，网络控制协议）用于建立、配置网络层协议，进行参数协商。

不同的网络层协议会使用不同的NCP协议。

若PPP帧中Protocol字段取值0x8021，表示PPP帧正在使用IPCP协商相关通信参数。

IPCP会完成协商IP地址等工作，其后在该PPP链路上传送IP数据报；

若IP数据报传送完毕，若要关闭IP协议，仍需通过IPCP协商终止；

若要释放链路，则需借助LCP协议。

与LCP报文格式几乎一样

IPCP协议中，通信双方可协商的配置选项包括3个：

IPCP Configure-Request报文示例：

PAP（Password Authentication Protocol，口令认证协议）

优点：PAP的整个认证流程非常简单

缺点：认证只能在链路建立阶段进行，身份和口令是以明文进行传输，安全性低

目前PPP协议的认证阶段多使用CHAP认证协议。

PAP协议的报文共有三种：

若PPP帧中Protocol字段取值为0xC023时，表示Information字段承载的是PAP报文。

CHAP（Challenge Handshake Authentication Protocol，基于挑战的握手认证协议）

CHAP为三次握手协议，可以在链路建立和数据通信阶段多次使用，进行认证，同时安全性较高

认证过程中需配合事先协商好的算法，确认被认证方的身份，通常使用MD5（Message Digest Algorithm 5）作为其默认算法。只在网络上传输用户名，而不传输用户口令。

目前PPP协议的认证阶段多使用CHAP认证协议

CHAP协议的报文共有四种：

若PPP帧中Protocol字段取值为0xC223时，表示Information字段承载的是CHAP报文。

题目：本实验模拟企业网络环境。R1为分支机构接入网关设备，PC-1为企业分支机构终端。R2为企业总部接入终端网关设备，PC-2为企业总部终端，网络管理员在分支机构访问总部时部署PPP认证 ，R1和R2互为认证路由器和被认证路由器。只有认证通过才能建立PPP连接进行正常访问。

步骤：开启GNS3虚拟机，新建拓扑文件，在工作区添加两台路由器（c3745）和两台PC，按下图连接路由器、PC，开启设备。并按照下图和下表，在R1和R2之间配置PPP协议，并开启CHAP认证（此时s0/0口关闭），将路由器的配置指令截图如下：

配置R1：

配置R2：

Q：DCE设备和DTE设备是什么？为什么R1要设置时钟而R2不用？ A：DCE 和 DTE 分别代表数据通信设备和数据端点设备。 DCE (Data Circuit-terminating Equipment) 通常指在数据传输中终止数字电路的设备，负责将数字信号转换为模拟信号，以便在通信设备之间传输。例如，MODEM 设备通过电话线将数字信号转换为模拟信号，然后通过电话线进行传输，以连接到互联网。 DTE (Data Terminal Equipment)指的是终端设备，例如电脑、终端、打印机等。在通信中，DTE 既可以接收数据，也可以发送数据，但必须通过通信线路与 DCE 进行连接。 在数据通信中，DCE 和 DTE 通常通过串行通信线（例如 RS-232、V.35 或 X.21）进行连接，DCE 端常常为对方提供时钟同步信号。一些常见的 DCE 设备包括调制解调器、CSU (Channel Service Unit)、DSU (Data Service Unit) 等。 需要注意的是，相同的设备可能在不同情况下被视为 DTE 或 DCE。例如，一个串口可以连接到一个调制解调器作为 DTE，也可以连接到一个计算机作为 DCE。在本次实验中，R1为分支机构接入网关设备（DCE），R2为企业总部接入终端网关设备（DTE），clock rate 128000 命令仅在 DCE 设备上使用，表示 DCE 设备要发送或接收数据的速率。在这里，另一端是一个 DTE 设备，无需使用 clock rate 命令。

配置PC-1和PC-2：

抓包分析： 在R1和R2的链路上右键start capture

VLAN技术把用户划分成多组逻辑的网络，组内可以通信，组间不允许通信。

二层转发的单播、组播、广播报文只能在组内转发。

为了实现转发控制，在待转发的以太网帧中添加 VLAN标签 ，然后设定交换机端口对该标签和帧的处理方式。

方式包括丢弃帧、转发帧、添加标签、移除标签。

802.1Q帧是由交换机来处理的，而不是用户主机来处理的

端口上接收时总希望能够打上标签，发送出去时候总希望能去除标签

基于端口（常用）

基于MAC地址

基于协议

基于子网

基于策略（安全性很高）

VLAN 技术的出现，使得交换网络中存在了带VLAN 的以太网帧和不带VLAN 的以太网帧。因此，相应地也对链路做了区分： （1）接入链路（Access Link）：连接用户主机和交换机的链路。通过的帧为不带Tag 的以太网帧。 （2）干道链路（Trunk Link）：连接交换机和交换机的链路。通过的帧一般为带Tag 的VLAN 帧，也允许通过不带Tag 的以太网帧。

交换机的端口类型有以下三种：Access、Trunk、Hybrid

交换机各端口的缺省VLAN ID

注意：交换机与路由器连接的接口也需要使用接入接口。这是因为路由器中的消息也不带VLAN标签，就像终端一样，保证路由器的数据能够进入交换机领域，数据由路由器进入交换机是会被打上默认标签，接着猜按照交换机间VLAN的规则行走。简单理解就是把路由器当作终端。

接入端口只能属于一个VLAN

接入端口的PVID值与端口所属VLAN的ID相同（默认为1）

接入端口接收处理方法：一般只接收"未打标签"的普通以太网MAC帧。根据接收帧的端口PVID值给帧"打标签"，即插入4字节的VLAN标记字段，字段中的VID取值与端口PVID取值相等

接入端口发送处理方法：若帧中的VID与端口的PVID相等，则"去标签"并转发该帧；否则不转发

（1）数据帧首先到达SWA 的端口GE0/0/4。 （2）端口GE0/0/4 给数据帧加上Tag，Tag 的VID 字段填入该端口所属的VLAN 的编号2。 （3）SWA 查找VLAN2的MAC 地址表，将该帧转发到相应的出端口GE0/0/2，到SWB。 （4）SWB 收到帧后，会根据帧中的Tag 识别出该帧属于VLAN2，查找MAC 地址表，将该帧转发到相应的出接口 （5）端口GE0/0/3 将数据帧发送给主机Host B。

VLAN隔离了二层广播域，也就严格地隔离了各个VLAN之间的任何流量，分属于不同VLAN的用户不能互相通信。

不同VLAN 之间的流量不能直接跨越VLAN 的边界，需要使用路由，通过路由将报文从一个VLAN 转发到另外一个VLAN。

在主机设置默认网关，对于非本地的通信，主机会自动寻找默认网关，并把报文交给默认网关转发而不是直接发给目的主机。

为每个VLAN 分配一个单独的路由接口：

多个VLAN公用一条物理连接：

路由器仅仅提供一个以太网接口，而在该接口下提供三个子接口分别作为3个VLAN用户的缺省网关，当VLAN100的用户需要与其它VLAN的用户进行通信时，该用户只需将数据包发送给缺省网关，缺省网关修改数据帧的VLAN标签后再发送至目的主机所在VLAN，即完成了VLAN间的通信。

三层交换机：

🔎 【GNS3】Window10 下 GNS3 配置 IOU 模拟环境

题目：开启GNS3虚拟机，新建拓扑文件，在工作区添加一台二层交换机(IOU)、一台路由器和两台PC，按下图连接路由器、交换机和PC，开启设备。设备的vlan 配置和IP地址配置按下表进行。PC1属于VLAN30，PC2属于VLAN40，现需要在路由器R1上配置单臂路由使得VLAN30和40连通。将路由器和交换机的配置指令截图如下：

配置R1：

配置PC-1与PC-2：

配置IOU1：

配置完记得write保存！

在PC1上ping PC2：

以太网交换机使用生成树协议STP（Spanning Tree Protocol），可以在提高网络可靠性的同时又避免环路带来的各种问题。

生成树算法STA（Spanning Tree Algorithm）是生成树协议STP的核心。它的实现目标是：在包含有物理环路的网络中，构建出一个能够连通全网各节点的树型无环逻辑拓扑。

STP协议由IEEE 802.1D 定义，描述时使用的是“网桥”，由于“交换机”的本质是“多端口网桥”，接下来都使用“网桥”来描述。

生成树算法的三个步骤：

注：这里所谓的“选举”，是通过网络中各交换机相互发送生成树协议专用的数据帧来实现的，这些交换信息的报文称为网桥协议数据单元，简称BPDU。

选举根交换机：

选举根端口：

选举指定端口（Designated Port）并阻塞备用端口（预备端口）：

端口状态描述：

STP生成树的计算，根端口、指定端口的选举，都是借助BPDU（Configuration Bridge Protocol Data Unit）报文进行信息的传递和交换的。

BPDU报文有两类：配置BPDU和TCN BPDU

配置内容：

报文标识：

STP计算：

时间参数：

如果网络拓扑发生了变化，会触发STP 的重新计算，新的生成树拓扑可能会跟原先的网络拓扑存在一定的差异。

在交换机上，指导报文转发的是MAC 地址表，默认的动态表项的生存时间是300 s，此时，数据转发如果仍然按照原有的MAC 地址表，会导致数据转发错误。

为防止拓扑变更情况下的数据发送错误，STP 中定义了拓扑改变消息泛洪机制。

当网络拓扑发生变化的时候，除了在整网泛洪拓扑改变信息外，同时修改MAC 地址表的生存期为一个较短的数值，等拓扑结构稳定之后，再恢复MAC 地址表的生存期。

在向整网泛洪拓扑改变信息的过程中，共涉及三种BPDU：

SWA收到SWB发送的拓扑改变通知BPDU之后，每隔2秒向网络中发送拓扑改变配置BPDU（设置了一个Flag位的配置BPDU），使网络中所有的交换机都把MAC地址表的生存期修改为Forward Delay（15秒），经过一段时间（Max Age加上Forward Delay，默认为35秒）之后，SWA（根交换机）在自己发送的配置BPDU中，清除Flag位，表示网络拓扑已经稳定，网络中的交换机恢复MAC地址生存期。

拓扑改变通知BPDU格式：

拓扑改变确认配置BPDU和拓扑改变配置BPDU都是配置BPDU的一种，和普通的配置BPDU不同的是：

OK，以上就是本期知识点“数据链路层协议”的知识啦~~ ，感谢友友们的阅读。后续还会继续更新，欢迎持续关注哟📌~ 💫如果有错误❌，欢迎批评指正呀👀~让我们一起相互进步🚀 🎉如果觉得收获满满，可以点点赞👍支持一下哟~

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