数据链路层

第二章 数据链路层

数据链路层使用信道种类：点对点信道、广播信道 

链路：从一个结点到相邻结点的一段物理路线（有线或无线），而中间没有任何其他的交换点。 

数据链路：当在一条线路上传输数据时，除了必须有一条物理路外，还必须有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输。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。现在最常用的是使用网络适配器来实现这些协议。 

适配器：计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器进行的，即网卡。适配器和局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串行传输方式进                行的，而适配器和计算机之间的通信是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行的。

帧：点信道的数据链路层的协议数据单元。 

数据链路层把网络层交下来的数据构成帧发送到链路上，以及把接收到的帧中的数据取出来并上交给网络层。在因特网中，网络协议数据单元就是IP数据报（简称数据报、分组或包）。 

数据链路层三个基本问题： 
封装成帧、透明传输、差错检测。

• 封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界（确定帧的界限）。帧定界可以使用特殊的帧定界符。帧开始字符SOH，帧结束字符EOT
• 透明传输当传送的帧是文本文件组成的帧时。其数据部分不会出现SOH和EOT这样的帧定界控制字符。不管从键盘上输入什么字符都能传输过去，这样的传输就是透明传输。“透明”某一个实际存在的事物看起来是好像不存在一样。为了解决不透明问题在接收端的数据链路层吧数据送网络层之前删除这个插入的转义字符，这种方法称为字节填充或字符填充。
• 差错检测比特传输过程中可能会出现差错，1可能会变成0,0可能会变成1.这就叫做比特差错。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。目前在数据链路层广泛使用了循环冗余检测CRC( Cyclic Redundancy Check)的检错技术。CRC运算就是在数据M后面添加供差错检测用的n位冗余码。为了检错而添加的冗余码常称为帧检验序列FCS（Frame Check Sequence）.在CRC检测的基础上增加帧编号、确认、重传机制

点对点协议PPP（高级数据链路控制HDLC）         ppp协议详解

1.PPP协议满足的需求

（1）简单 
（2）封装成帧 
（3）透明性 
（4）多种网络层协议 在同一物理链路上同事支持多种网络协议 
（5）多种类型的链路 
（6）差错检测 
（7）检测链接状态 
（8）最大传送单元 
（9）网络层地址协商 
（10）数据压缩协议

2.PPP协议的组成

（1）一个将IP数据报封装到串行链路的方法。PPP既支持异步链路（无奇偶检测的8比特数据），也支持面向比特的同步链路。IP数据报在平PPP帧中就是其信息部分。这个信息部分的长度受最大传送单元MTU的限制。 
（2）一个用来建立、配置和测试数据链路的链路控制协议LCP。 
（3）一套网络控制协议NCP，其中的每一个协议支持不同的网络层协议，如IP、OSI的网络层。。。。 
PPP帧首部和尾部分别为四个字段和两个字段

3.PPP协议的工作状态

链路的发送响应： 
（1）配置确认帧（Configure-Ack）:所有的选项都接受。 
（2）配置否认帧（Configure-Nak）:所有选项都理解但是不接受。 
（3）配置拒绝帧（Configure-Reject）:选项有的无法识别或不能接受，需要协商。 
口令鉴别协议PAP（Password Authentication Protocol）.口令握手鉴别协议CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol）.

使用广播信道的数据链路层

1.局域网的数据链路层

星形网、环形网、总线网。 
共享信道分为两种： 
（1）静态划分信道 
（2）动态媒体接入控制，又称为多点接入。

• 随机接入 所有的用户可随机的发送信息
• 受控接入 用户不能随机的发送信息必须服从一定的控制。

2.CSMA/CD协议

CSMA/CD协议的要点。：

• 多点接入  说明这是总线型网络
• 载波监听 不管在发送前，还是发送中，每个站都必须不停的检测信道。
• 碰撞检测  也就是边发送边监听。

电磁波在1km电缆的传播时延约为5us 
一个站不可能同时进行发送和接受（但必须边发送边监听信道）。因此使用CSMA/CD协议的以太网不可能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。 
以太网使用截断二进制指数退避算法来确定碰撞后重传的时机。 
凡是长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧。以太网还规定了帧间最小间隔为9.6us,相当于96比特时间。

使用广播信道的以太网

1.使用集线器的星型拓扑

集线器：在星形拓扑的中心增加了一种可靠性非常高的设备。 
集线器的特点： 
（1）使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，个站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议。网络中的各占必须竞争对传输媒体的控制，并且在同一时刻至多只允许一个站发送数据。 
（2）一个集线器有很多接口，一个集线器就像一个多接口的转发器。 
（3）集线器工作在物理层，他的每个接口仅仅简单地转发比特~~接收到1就转发1，就到到0就转发0，不进行碰撞检测。 
（4）集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。这样就可以使接口转发出去的较强信号不致对该接口接收到的较弱的信号产生干扰。

2.以太网的MAC层

（1）MAC层的硬件地址 
实际上就是适配器地址或适配器标识符 

适配器有过滤功能。但适配器从网络上每收到一个MAC帧就先用硬件检查MAC帧中的目的地址。如果是发往本站的帧则收下，然后进行其他处理，否则将此帧丢弃。
发往本站的帧：单播（unicast）帧（一对一），即受到的帧的MAC地址与本站硬件地址相同。 
广播（broadcast）帧（一对全体），即发送给本局域网上所有站点的帧。 
多播（multicast）帧（一对多），即发送给本局域网上一部分站点的帧。

（2）MAC帧格式

以太网V2的MAC帧较为简单，由五个字段组成。前两个字段分别为6字节长的目的地址和源地址字段。第三个字段是2字节的类型字段，用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。

在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8字节。这是因为当一个站在刚开始接收MAC帧时，由于适配器的时钟尚未与到达的比特流达成同步因此MAC帧的最前面若甘位无法接收，所以为了实现位同步，还在前面插入8字节

还要注意，在以太网上传送数据时是以帧为单位传送的，以太网在传送帧时，各帧之间必须有一定的间隙。因此，接收端只要找到帧开始定界符，其后面连续到达的比特流就都属于同一个MAC帧。可见以太网不需要使用帧结束定界符，也不需要使用字节插入来保证透明传输。

扩展以太网

（1）在物理层扩展以太网：使用集线器，扩展后的以太网仍然是一个网络

（2）在数据链路层扩展以太网：交换式集线器常称为以太网交换机或第二层交换机（工作在数据链路层）。他就是一个多接口的网桥，而每          个接口都直接与某台单主机或另个集线器相连，且工作在全双工方式。以太网交换机能同时联通许多对的接口，使每一对相互通信的主          机都能像独占通信媒体那样，无碰撞地传输数据。并且具有自学习能力。

（3）虚拟局域网（VLAN : virtual LAN）

利用以太网交换机实现，将一些具有共同需求的局域网网段构成一个与位置无关的逻辑组。虚拟局域网给用户提供一种服务，而不是一种新型局域网。

理解：

数据链路层就是把网络层的交下来的ip数据报封装成帧，然后发送给别的结点的数据链路层，别的数据链路层会检查帧是否出现差错，然后再向上传。

对于具体实现，有着点到点的PPP协议，一般用于用户计算机和ISP进行通信所使用的数据链路层协议

而对于广播通信方式（无连接的工作方式），在早期使用CSMA/CD协议，所有计算机连接在一条总线上，利用适配器来实现通信协议。后来随着集线器（工作在物理层）出现和双绞线大量使用在逻辑上实现了总线网。在扩展以太网时，一种方法是用主干集线器在物理层上扩展以太网，但是碰撞域变得更大等原因，所以效率很低。另一种方法最初人民使用网桥对收到的帧根据其MAC帧的目的地址进行转发过滤，后来交换机（工作在数据链路成）的出现淘汰了网桥，交换机不适用共享总线，没有碰撞问题，因此不用CSMA/CD协议，但是仍然采用以太网的帧结构所以还称为以太网