计算机网络

数据链路层概述

基本概念

数据发送模型：

数据链路层的信道类型：

• 点对点信道：这种信道使用一对一的点对点通信方式。
• 广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。

链路和数据链路：

• 链路（link）:是一条点到点的物理线路段，中间没有任何其他的点，一条链路只是一条通路的一个组成部分。
• 数据链路(data link)：除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
  • 现最常用的方法是使用适配器(即网卡)来实现这些协议的硬件和
    软件。
  • 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

帧：

数据链路层传送的是帧

数据链路层就像一个数字管道

常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。

要解决的三个基本问题

封装成帧

• 封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧，用以确定帧的界限。

• 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

• 如果发送端发送时出现故障，接收端没收到完整的头和尾，就会将帧丢掉

  

透明传输

若传输的数据是ASCI I码中“可打印字符(共95个)”集时，一切正常。
若传输的数据不是仅由“可打印字符”组成时，就会出问题，如下图

我们可以使用字节填充法解决透明传输的问题：

• 发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个字符“ESC” (其十六进制编码是1B)

• 字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。

• 如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

差错控制

• 传输过程中可能会产生比特差错:1可能会变成0而0也可能变成1。
• 在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为 误码率 BER (Bit Error Rate) 。
• 误码率与信噪比有很大的关系。
• 为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。

我们可以使用 循环冗余检测 CRC

仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。

• “无差错接受” 是指：“凡是接受的帧( 即不包括丢弃的帧)，我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。也就是说:“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”(有差错的帧就丢弃而不接受)。

要做到 “可靠传输” (即发送 什么就收到什么)就必须再加上确认和重传机制。

• 考虑:帧重复、帧丢失、帧乱序的情况

可以说 “CRC是一种无比特差错，而不是无传输差错的检测机制”

• OSI/RM模型的观点:数据链路层要做成无传输差错的，但这种理念目前不被接受!

使用点对点信道的数据链路层（PPP协议）

PPP协议

现在全世界使用的最多的数据链路层协议就是 点对点协议 即 PPP协议(Pointer to Pointer Protocol)，用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP协议。

PPP协议的使用场合

PPP协议应该满足的要求	PPP协议不需要满足的要求
简单——这是首要的要求	纠错
封装成帧	流量控制
透明性	序号
多种类型链路	多点线路
差错检测	半双工或单工链路
检测连接状态
最大传送单元
网络层地址协商
数据压缩协商

PPP协议的组成

• 数据链路层协议可以用于异步串行或同步串行介质。

• 它使用LCP (链路控制协议)建立并维护数据链路连接。

• 网络控制协议(NCP)允许在点到点连接上使用多种网络层协议，如图所示

  

PPP协议帧格式

字节填充

问题:信息字段中出现了标志字段的值，可能会被误认为是“标志位”怎么办?

• 将信息字段中出现的每个0x7E字节转变成为2字节序列(0x7D，0x5E)。
• 若信息字段中出现一个0x7D的字节，则将其转变成为2字节序列(0x7D，0x5D)。
• 若信息字段中出现ASCII 码的控制字符(即数值小于0x20的字符)，则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。

零比特填充

PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。
在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个0。
接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除

PPP协议工作状态

当用户拨号接入ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。
PC机向路由器发送一系列的LCP分组(封装成多个PPP帧)。
这些分组及其响应选择一些PPP参数，和进行网络层配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。
通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。接着，LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

使用广播信道的数据链路层（CSMA/CD协议）

局域网的拓扑

局域网的特点与优点

局域网最主要的特点是:

• 网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

局域网具有如下的一些主要优点:

• 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
• 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
• 提高了系统的可靠性、可用性和生存性。

共享通信媒体

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（多点接入）

• 随机接入(主要被以太网采用! )
• 受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。(目前已不被采用)

认识以太网

最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。但是不安全，有可能被非目标计算机抓包

总线上的每一个工作的计算机都能检测到B发送的数据信号。
由于只有计算机D的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有D才接收这个数据帧。
其他所有的计算机(A,C和E)都检测到不是发送给它们的数据帧,因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。
具广播特性的总线上实现了一对一的通信。

载波监听多点接入/碰撞检测 （CSMA/CD）协议

CSMA/CD表示Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。

载波监听多点接入

“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。
“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线 上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生
碰撞。“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。

碰撞检测

“碰撞检测” 就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小

• 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大(互相叠加)
• 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。
• 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

检测到碰撞后：

• 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。
• 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

争用期

最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间2τ ( 两倍的端到端的往返时延)就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

以太网的争用期

• 以太网的端到端往返时延2τ称为争用期，或碰撞窗口。通常，取51.2 μs为争用期的长度。
• 对于10 Mb/s以太网，在争用期内可发送512 bit, 即64字节。
• 以太网在发送数据时，若前64字节未发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

最短有效帧长

• 如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。
• 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节。
• 以太网规定了最短有效帧长为64字节，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。

二进制指数类型退避算法

发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟(退避) 一个随机时间才能再发送数据。

• 确定基本退避时间，一般是取为争用期2τ。
• 定义参数k，k = Min[重传次数， 10]
• 从整数集合[0，1，...，(2^k -1)]中随机地取出一个数，记为 г 。
  重传所需的时延就是r倍的基本退避时间。当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

以太局域网（以太网）

以太网的两个标准

• DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品(以太网)的规约
• IEEE 的802.3标准。
  • DIX Ethernet V2标准与IEEE 的802. 3标准只有很小的差别，因此可以将802. 3局域网简称为“以太网”。严格说来，“以太网” 应当是指符合DIX Ethernet V2标准的局域网。

以太网与数据链路层的两个子层

为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层:

• 逻辑链路控制LLC (Logical Link Control)子层
• 媒体接入控制MAC (Medium Access Control)子层。

与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的。

由于TCP/IP体系经常使用的局域网是DIX Ethernet V2而不是802.3标准中的几种局域网，因此现在802委员会制定的逻辑链路控制子层LLC (即802. 2标准)的作用已经不大了。很多厂商生产的适配器上就仅装有MAC协议而没有LLC 协议。

星型拓扑

传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。
这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备,
叫做集线器(hub)。

集线器的一些特点：

集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。

使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线。

集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。

以太网的信道利用率

以太网的信道被占用的情况：

• 争用期长度为2τ,即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。
• 帧长为L (bit)， 数据发送速率为C (b/s)，因而帧的发送时间为L/C = T₀ (s)

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一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间τ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。

以太网的信道利用率：参数a

• 要提高以太网的信道利用率，就必须减小 τ 与 T₀ 之比。在以太网中定义了参数a，它是以太网单程端到端时延τ与帧的发送时间 T₀ 之比: $$a = frac τ {T₀}$$

• a- >0表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高。

• a越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。

以太网的信道利用率：最大值

对以太网参数的要求

• 当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 τ 的数值会太大

• 以太网的帧长不能太短，否则 T₀ 的值会太小，使 a 值太大。

信道利用率的最大值

• 在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞(这显然
  已经不是CSMA/CD， 而是需要使用一种特殊的调度方法)，即总线一旦
  空闲就有某一个站立即发送数据。

• 发送一帧占用线路的时间是 T₀+ t，而帧本身的发送时间是 T₀，于是
  我们可计算出理想情况下的极限信道利用率$S_{max}$为:

MAC层的硬件地址（MAC地址）

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC地址。

802 标准所说的 “地址” 严格地讲应当是每一个站的 “名字” 或 标识符。但鉴于大家都早已习惯了将这种48位的“名字”称为“地址”，所以本文也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。

• IEEE的注册管理机构RA负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位24位)。
• 地址字段中的后三个字节(即低位24位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。
• 一个地址块可以生成2²⁴个不同的地址。这种48位地址称为MAC- 48，它的通用名称是EUI-48。
• “MAC地址” 实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。

在同一个交换机上的计算机MAC地址不可相同，否则会产生网络故障，MAC地址可以手动修改

适配器检查 MAC 地址

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，不再进行其他的处理。

“发往本站的帧”包括以下三种帧:

• 单播(unicast)帧(一对一 )
• 广播(broadcast)帧(一对全体)
• 多播(multicast)帧(一对多)

MAC 帧格式

常用的以太网MAC帧格式有两种标准：

• DIX Ethernet V2 标准

• IEEE 的 802.3 标准

最常用的MAC帧是以太网V2的格式。

无效的 MAC 帧

• 帧的长度不是整数个字节;
• 用收到的帧检验序列FCS 查出有差错;
• 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
• 有效的MAC帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
• 对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。

帧间最小间隔

• 帧间最小间隔为9.6 μs,相当于96 bit的发送时间。
• 一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6 μs才能再次发送数据。
• 这样做是为了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。

扩展以太网

在物理层考虑扩展

• 主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器

• 用一个集线器连接多个集线器（数量不宜超过30台计算机，连接越多，效率越低）

在数据链路层考虑扩展

• 在数据链路层扩展局域网是使用网桥。
• 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。
• 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口。

网桥的内部结构

使用网桥扩展以太网

网桥扩展以太网的优缺点

优点：

• 过滤通信量。
• 扩大了物理范围。
• 提高了可靠性。
• 可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率(如10 Mb/s和100Mb/s以太网)的局域网。

缺点：

• 存储转发增加了时延。
• 在MAC子层并没有流量控制功能。
• 具有不同MAC子层的网段桥接在一起时时延更大。
• 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。

透明网桥

• 目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent br idge)。
• “透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。
• 透明网桥是一种即插即用设备，其标准是IEEE 802.1D

网桥的自学习算法

• 若从 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把一个帧传送到 A 。
• 网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。
• 在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在 “地址” 这一栏的下面。
• 在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。

用交换机扩展以太网

虚拟局域网

LAN和VLAN

• 交换机的使用使得VLAN的创建成为可能

• 虛拟局域网VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。

  • 这些网段具有某些共同的需求。

  • 每一个VLAN的帧都有-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。

虚拟局域网枕格式

虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。

高速以太网

100BASE-T

速率达到或超过100 Mb/s的以太网称为高速以太网。
在双绞线上传送100 Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE 802. 3的CSMA/CD协议。100BASE T以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet) 。

特点：

• 可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用CSMA/CD 协议。MAC帧格式仍然是802.3标准规定的。
• 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到100 m。帧间时间间隔从原来的9.6 μs改为现在的0. 96 μs。

吉比特以太网

• 允许在1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。
• 使用802. 3协议规定的帧格式。
• 在半双工方式下使用CSMA/CD协议(全双工方式不需要使用CSMA/CD协议)
• 与10BASE-T和100BASE- T技术向后兼容。
• 当吉比特以太网工作在全双工方式时(即通信双方可同时进行发送和接收数据)，不使用载波延伸和分组突发。