三.数 据 链 路 层

当数据是由可打印的 ASCII 码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符。
控制字符 SOH (Start Of Header) 放在一帧的最前面，表示帧的首部开始。另一个控制字符 EOT (End Of Transmission) 表示帧的结束。

解决透明传输问题

1. 解决方法：字节填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character stuffing)。
2. 发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是1B)。
3. 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。
4. 如果转义字符也出现在数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符 ESC。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。

透明:指某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。

在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。

1. 用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。
2. 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少 1 位，即 R 是 n 位。
3. 将余数 R 作为冗余码拼接在数据 M 后面，一起发送出去。
   

   ⑥.帧检验序列 FCS
   在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。
   循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS 并不等同。
   CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。
   FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。

   应当注意:

   1. 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)。
   2. “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”。
   3. 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）。
   4. 单纯使用 CRC 差错检测技术不能实现“无差错传输”或“可靠传输”。
   5. 应当明确，“无比特差错”与“无传输差错”是不同的概念。
   6. 在数据链路层使用 CRC 检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。
   7. 要做到“无差错传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。
   8. 本章介绍的数据链路层协议都不是可靠传输的协议。

   2.点对点协议 PPP

   2.1 PPP 协议的特点
   对于点对点的链路，目前使用得最广泛的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。PPP 协议在 1994 年就已成为互联网的正式标准。
   ⑴.用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议
   

   
   ⑴.透明传输问题

• 当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。
  • 当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和 HDLC 的做法一样）。

①.字符填充

1. 将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列 (0x7D, 0x5E)。
2. 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)。
3. 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。

• 在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理。
  • 在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。
    • 帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。

2.3 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的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。
3. 这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，并进行网络层配置，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。
4. 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。
5. 可见，PPP 协议已不是纯粹的数据链路层的协议，它还包含了物理层和网络层的内容。
   
   ⑵.局域网传输媒体
   

   ⑷.媒体共享技术

   1. 频分复用
   2. 时分复用
   3. 波分复用
   4. 码分复用
      动态媒体接入控制（多点接入）
      ①.随机接入
      ②.受控接入 ，如多点线路探询 (polling)，或轮询。

   ⑸.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 802.3 是第一个 IEEE 的以太网标准。
       • 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 。

   ⑹.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，IEEE 802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：

   1. 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层；
   2. 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。

   局域网对 LLC 子层是透明的:
   

   

   3.2 CSMA/CD 协议
   最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。易于实现广播通信。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。
   

   
   总线也有缺点。若多台计算机或多个站点同时发送时，会产生发送碰撞或冲突，导致发送失败。
   
   以太网采取了两种重要的措施:
   ①. 以太网发送的数据都使用曼彻斯特 (Manchester) 编码
   
   为什么要进行碰撞检测因为信号传播时延对载波监听产生了影响
   

   CSMA/CD 协议的重要特性

   使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。

   3.3 使用集线器的星形拓扑

   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。采用双绞线的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)。

   ⑴.传统以太网使用同轴电缆，采用总线形拓扑结构
   

   

   ⑶.星形以太网 10BASE-T
   

   

   3.4 以太网的信道利用率

   多个站在以太网上同时工作就可能会发生碰撞。
   当发生碰撞时，信道资源实际上是被浪费了。因此，当扣除碰撞所造成的信道损失后，以太网总的信道利用率并不能达到 100%。
   假设? 是以太网单程端到端传播时延。则争用期长度为 2? ，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。
   设帧长为 L (bit)，数据发送速率为 C (bit/s)，则帧的发送时间为 T0 = L/C (s)。

   ⑴.以太网信道被占用的情况
   一个站在发送帧时出现了碰撞。经过一个争用期 2? 后，可能又出现了碰撞。这样经过若干个争用期后，一个站发送成功了。假定发送帧需要的时间是 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。
   ①.对以太网参数 a 的要求
   为提高利用率，以太网的参数 a 的值应当尽可能小些。
   对以太网参数 a 的要求是：
   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。
   ⑶.信道利用率的最大值 Smax

   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 + τ，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 Smax 为：
   

   
   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。
   生产适配器时，6 字节的 MAC 地址已被固化在适配器的 ROM，因此，MAC 地址也叫做硬件地址 (hardware address) 或物理地址。
   “MAC 地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符 EUI-48。

   ⑵.单站地址，组地址，广播地址
   IEEE 规定地址字段的第一字节的最低位为 I/G 位。I/G 表示 Individual / Group。
   当 I/G 位 = 0 时，地址字段表示一个单站地址。
   当 I/G 位 = 1 时，表示组地址，用来进行多播（以前曾译为组播）。此时，IEEE 只分配地址字段前三个字节中的 23 位。
   当 I/G 位分别为 0 和 1 时，一个地址块可分别生成 223 个单个站地址和 223 个组地址。
   所有 48 位都为 1 时，为广播地址。只能作为目的地址使用。
   ⑶.全球管理与本地管理
   IEEE 把地址字段第一字节的最低第 2 位规定为 G/L 位，表示 Global / Local。
   当 G/L 位 = 0 时，是全球管理（保证在全球没有相同的地址），厂商向 IEEE 购买的 OUI 都属于全球管理。
   当 G/L 位 = 1 时， 是本地管理，这时用户可任意分配网络上的地址。

   ⑷.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：
   ①单播 (unicast) 帧（一对一）
   ②广播 (broadcast) 帧（一对全体）
   ③多播 (multicast) 帧（一对多）
   所有的适配器都至少能够识别前两种帧，即能够识别单播地址和广播地址。
   有的适配器可用编程方法识别多播地址。
   只有目的地址才能使用广播地址和多播地址。
   以混杂方式 (promiscuous mode) 工作的以太网适配器只要“听到”有帧在以太网上传输就都接收下来。

   2. MAC 帧的格式

   常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准：
   ⒈DIX Ethernet V2 标准
   ⒉IEEE 的 802.3 标准
   最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。

   ⑴.以太网 V2 的 MAC 帧格式
   

   
   
   
   
   将多个以太网段连成更大的、多级星形结构的以太网。
   

   4.2 在数据链路层扩展以太网

   扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行。早期使用网桥，现在使用以太网交换机。
   

   
   ①.以太网交换机的优点
   1. 用户独享带宽，增加了总容量。
   2. 从共享总线以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、适配器等都不需要做任何改动。
   3. 以太网交换机一般都具有多种速率的接口，方便了各种不同情况的用户。
   
   在某些情况下，仍需要采用基于软件的存储转发方式进行交换，例如，当需要进行线路速率匹配、协议转换或差错检测时。

   ⑶.以太网交换机的自学习功能
   以太网交换机运行自学习算法自动维护交换表:
   

   
   
   
   ⑸.理解以太网交换机的自学习功能
   
   存在的问题·：回路
   
   ⑹.交换机使用了生成树协议

   IEEE 802.1D 标准制定了一个生成树协议 STP (Spanning Tree Protocol)。
   其要点是：不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象。
   

   
   ⑻.局域网存在的问题

   局域网存在的以下几个方面的问题：

   1. 扩展性
   2. 安全性
   3. 可管理性 等

   ⑼.总线以太网 和 10Base_T 星形以太网

   所有计算机都处于同一个碰撞域（或冲突域）中和同一个广播域中。
   

   

   ⑽.广播域
   广播域（broadcast domain）：指这样一部分网络，其中任何一台设备发出的广播通信都能被该部分网络中的所有其他设备所接收。

   
   来源：D@@

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