第三章 计算机网络-数据链路层

3.1数据链路层基本概念及基本问题

1. 基本概念

1. 数据发送模型 仅从数据链路层观察帧的流动
2. 数据链路层的信道类型：点对点信道（pc直接连接）、广播信道（通过集线器连接多个pc）
3. 链路和数据链路
4. 帧：数据链路层传送的是帧，有帧头帧尾，判断开始和结尾

2. 三个基本问题

• 封装成帧：IP数据报加上帧头帧尾；半截子帧会被丢弃
• 透明运输：为了避免接收端错误地提前接收了帧，所以会字节填充，数据段中加上转义字符
• 差错控制：循环冗余检验；加一段帧校验序列；CRC差错检测技术得到FCS帧校验序列；接收端数据链路层接受的帧没有传输差错（有差错的帧被丢弃）；无差错接收

3.2两种情况下的数据链路层

1. 使用点对点的信道数据链路层：

PPP协议使用最多

1. PPP协议使用场合：用户接入网（PPP协议）到ISP（已向因特网管理机构申请到一批IP地址）至因特网
2. PPP协议应满足的要求：简单、封装成帧、透明性、多种网络层链路、差错检测、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
3. PPP协议的组成：从下向上分别为高级数据链路控制协议HDLC、链路控制协议LCP、网络控制协议NCP（针对每一个网络层协议）
4. PPP协议帧格式：一字节帧头+一字节FF+一字节03+两字节协议（标识信息部分是什么内容）+信息部分+两字节FCS+帧尾
5. PPP协议填充方式：
   字节填充：传的是字节，将字节转义
   零比特填充：传的是比特流
6. PPP协议的工作状态：链路静止——>链路建立——>鉴别——>网络层协议——>链路打开

PPP协议：错了就重新传，不纠错

操作p31：配置路由器接口使用PPP协议封装

2. 使用广播信道数据链路层

CSMA/CD协议

1. 局域网概述

• 局域网拓扑：星型网、环线网、总线网（出现早，一根线）、树型网
• 局域网的特点与优点：有广播功能等
• 局域网共享通信媒体：PC共享链路
  （1）静态划分信道：频分复用、时分复用、波分复用、码分复用；需要没两个电脑接通信道
  （2） 动态媒体接入控制：随机接入（主要被以太网采用）、受控接入（用的少）

2.▲ 以太网：

1. 认识以太网

• 计算根据网卡MAC地址确认是否是自己的数据
• 不用划分信道
• 一个链路上只能有两个计算机发送接收、所有计算机都可以通过抓包、MAC欺骗等收到不属于自己的数据

2. 载波接听多点接入/碰撞检测 以太网使用CSMA/CD协议

• 多点接入：计算机接入方式连接在一根总线上
• 载波接听：检测一下是否有计算机占用了线
• 碰撞检测：为了发现碰撞，因此不能太长，所以以太网不超过一百米。

3. 以太网重要特性
   不能进行全双工通信，只能进行半双工通信
4. 以太网冲突检测和避让机制
   （1）争用期

• 以太网的端到端往返时延成为争用期；
• 最短有效帧长：如果发生冲突就一定是在发送的前36字节之内；检测到了冲突就立即终止发送，成为由于冲突而异常中止的无效帧
  （2）二进制指数类型退避算法
• 碰撞中止后，要退避一个随机时间再发送数据
• 经过算法确定退避的时间，当重传达到16次仍不能成功则丢弃该帧，并向高层报告

3.3 以太局域网（以太网）

1. 概述

1. 以太网的两个标准：Ethernet V2标准、802.3标准
2. 以太网与数据链路层的两个子层：起初为了数据链路层能更好适应多种局域网标准而定；现在TCP/IP体系经常使用的局域网是Ethernet V2，所以现在单说媒体接入控制MAC层；有的适配器仅装有MAC协议
3. 以太网提供的服务：不可靠交付、尽最大努力交付

2. 星型拓扑：中心是集线器

• 集线器特点：使用的CSMA/CD协议、工作在物理层、整个系统任然像一个传统的以太网那样运行
• 以太网10Base-T：每个站到集线器距离不超过100m

3.信道利用率

1.与碰撞事件（n个争用期）和占用期（发送时间）有关
2. 以太网参数的要求：数据率一定时，以太网线长度受到限制；帧长不能太短
3.最大信道利用率

4.MAC层

1. MAC层的硬件地址（MAC地址）

• MAC地址是48位二进制组成，前三个字节（高位24位）由组测管理机构分配给厂家，代表不同的厂，后三个字节由厂家自行指派
• 同一个网段的MAC地址相同会发生冲突
• 命令行ipconfig /all可查MAC地址，显示的是十六进制

2. 适配器检查MAC地址：网卡每收到MAC帧就先用硬件检查帧中的MAC地址决定手下还是丢弃；发往计算机的帧有单播帧、广播帧、多播帧
3. MAC帧格式（最常见的Ethernet V2标准）：六个字节目的地址+六个字节源地址+两个字节类型+数据+四个字节FCS

以太网使用曼彻斯特编码，所以最后发现没有信号了就代表帧结束了

操作抓包：抓取其他计算机数据、可用于排除电脑故障

3.4扩展以太网（优化以太网）

1. 在物理层考虑扩展：

• 光纤解调器、光纤
• 各自用集线器连成局域网 大冲突域 效率低

2. 在数据链路层考虑扩展：

• 网桥
  （1）站表记录MAC地址
  （2）目前使用最多的网桥是透明网桥（计算机不知道有没有经过网桥）
  （3）自学习算法：记下发送的站，若不知道转发路线就先转发到各个路线上
• 交换机：交换机就是多端口网桥 生成树算法

3. 虚拟局域网VLAN 局域网LAN

• VLAN：交换机上的接口分为两个区域，两个区域互不相通，而且也ping不通，除非中间接了路由器
• VLAN可跨交换机传送数据
• VLAN干道链路和访问链路：干道链路连接两个交换机；访问链路是计算机和交换机相连
• VLAN网帧格式：在以太网帧格式中插入VLAN标记，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网

操作 更改交换机生成树的根（优先级）

3.5高速以太网

1. 100BASE-T 以太网 快速以太网

• 100BASE-T特点：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

2. 吉比特以太网
3. 组建局域网3层模型：接入层、汇聚层、核心层

案例： 交换机上实现的接入安全

• 设置交换机可以接的MAC地址唯一来保证不接其他计算机
• 设置交换机口只可以接一台计算机