03 – 数据链路层

使用点对点信道的数据链路层

• 链路

  也称为物理链路, 是一条无源的点到点的物理线路段, 中间没有其它的交换结点

• 数据链路

  也称为逻辑链路, 除了物理链路, 还必须有通信协议来控制数据的传输. 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

• 帧

  数据链路上传输的数据单位

• 封装成帧

• 在一段数据的前后分别添加首部和尾部, 构成一个帧, 通过首部和尾部来进行帧定界

• 透明传输

  无论发送什么样的比特数据, 这些数据都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层

• 差错检测

  为了保证数据传输的可靠性, 广泛使用循环冗余检验CRC的检错技术, 在传输过程中可能产能比特差错: 1可能变成0, 0可能变成1

点对点协议PPP

PPP协议, 也称为Point-to-Point Protocol, 对于点对点的链路, 是目前使用最广泛的数据链路层协议

PPP协议应满足的要求

• 简单 – 首要的要求
• 封装成帧 – 必须规定特殊的字符作为帧定界符
• 透明性 – 必须保证数据传输的透明性
• 差错检测 – 能够对接收端收到的帧进行检测, 并立即丢弃有差错的帧
• 多种类型链路 – 能够在多种类型的链路上运行
• 检测连接状态 – 能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态
• 最大传送单元 – 必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元MTU的标准默认值
• 网络层地址协商 – 必须提供一种机制使用通信的两个网络层实体能够通过协商知道或侧耳情况配置彼此的网络层地址
• 数据压缩协商 – 必须提供一种方法来协商使用数据压缩方法

PPP协议不需要的功能

纠错

流量控制

序号

多点线路

半双工或单工链路

PPP协议的组成

1. 一个将IP数据报封装到串行链路的方法
2. 链路控制协议LCP
3. 网络控制协议NCP

PPP协议的帧格式

PPP协议的工作状态

1. 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
2. PC机向路由器发送一系列LCP分组(封装成多个PPP帧)
3. 这些LCP分组选择一些PPP参数, 进行网络层配置, NCP给新接入的PC机分配一个临时IP地址, 使PC机成为网络上的一个主机
4. 通信完毕时, NCP释放网络连接, 收回原来分配出去的IP地址. 接着LCP释放数据链路层连接. 最后释放物理层连接.

使用广播信道的数据链路层

局域网的数据链路层

特点

• 网络为一个单位所拥有
• 地址范围和站点数目均有限

优点

• 具有广播功能, 很方便的从一个站点访问全网
• 各设备的位置可灵活调整和改变
• 提高了系统的可靠性, 可用性和残存性

局域网拓扑结构

星形网

总线网

环形网

媒体共享技术

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

• 随机接入
• 受控接入

数据链路层的两个子层

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

适配器

网络接口板又称为通信适配器或网络接口卡, 或”网卡”

适配器的重要功能

• 进行串行/并行转换
• 对数据进行缓存
• 在计算机的操作系统安装驱动程序
• 实现以太网协议

CSMA/CD

载波监听: 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, 则不发送数据, 避免碰撞

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

碰撞检测: 双称为冲突检测, 边发送数据边检测信道上的信号电压大小. 当电压摆动超过一定门限值时, 表明发生了碰撞

CSMA/CD工作流程

集线器的特点

• 集线器使用电子器件来模拟实际电缆的工作, 仍然像一个传统的以太网那样运行

• 使用集线器的以太网在逻辑仍是一个总线网, 还是使用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

• 集线器采用了专门的芯片, 进行自适应串音加波抵消, 减少了串音

MAC层的硬件地址

硬件地址又称为物理地址, 或MAC地址

MAC地址有48位, 高24位称为组织唯一标识符, 低24位扩展唯一标识符, 由厂家指派

适配器检查MAC地址的工作流程

1. 适配器收到一个MAC地址首先MAC帧中的MAC地址
   • 如果是发往本站的帧则收下, 然后进行其他的处理
   • 否则将此帧丢弃, 不再处理
2. 发往本站的帧有三种
   • 单播帧 – 一对一
   • 广播帧 – 一对全体
   • 多播帧 – 一对多

扩展以太网

在物理层扩展以太网

• 使用光纤扩展

主机使用一对光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器

很容易使主机和几公里外的集线器相连

• 使用集线器扩展

将多个以太网段连成更大的, 多级的星形结构的以太网

在数据链路层扩展以太网

• 早期使用网桥

• 现在使用交换机

交换机的优点

• 用户独享带宽, 增加了总容量
• 不需要做任何软件和硬件的改动, 就能从共享总线以太网转到交换式以太网
• 以太网交换机都具有多种速率的接口, 方便了各种不同情况的用户

交换机的交换方式

• 存储转发方式
• 直通方式

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, 而这些网段具有某些共同的需求. 每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符, 指明发送的帧的计算机属于哪个VLAN

虚拟局域网的优点

• 改善了性能
• 简化了管理
• 降低了成本
• 改善了安全性

划分虚拟局域网的方法

• 基于交换机端口
• 属于第一层划分局域网的方法

优点: 简单, 常用

缺点: 不允许用户移动

• 基于计算机网卡的MAC地址
• 属于第二层划分虚拟局域网的方法

优点: 允许用户移动

缺点: 需要输入和管理大量的MAC地址. 如果用户的MAC地址改变了, 需要管理员重新配置VLAN

• 基于协议类型

属于第二层划分虚拟局域网的方法

根据以太网帧的”类型”字段确定该类型的协议属于哪一个虚拟局域网

• 基于IP子网地址

属于第三层划分虚拟局域网的方法

根据以太网帧第三个”类型”字段和IP分组首部中的”源IP地址”字段确定IP分组属于哪一个局域网

• 基于高层应用服务

根据高层应用或服务, 或者它们的组合划分虚拟局域网

优点: 更加灵活

缺点: 更加复杂

总结

互联网的快速发展, 计算机网络中各种协议的快速更新, 层出不穷的各种技术, 都离不开计算机网络对我们的保驾护航, 保证我们的各种数据, 传输的快, 传输的稳定, 传输的安全, 2G时代的文字, 3G时代的图片, 4G时代的视频以及5G时代, 通过了解计算机网络, 去了解世界互联网的发展, 原来我们在信息时代进步神速, 各种技术上的突破, 各种变革一日万里. 作为互联网浪潮中的一员, 我一定紧跟时代, 在乘风破浪中激流勇进, 不负韶华!