文章目录
- 数据链路层概述
- 使用点对点信道的数据链路层
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- 数据链路和帧
- 三个基本问题
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- 封装成帧
- 透明传输
- 差错控制
- 点对点协议PPP
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- PPP协议的特点
- PPP协议的帧格式
- 使用广播信道的数据链路层
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- 局域网的数据链路层
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- 以太网
- 适配器的作用
- CSMA/CD协议
- 使用集线器的星型拓扑
- 以太网的信道利用率
- 以太网的MAC层
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- MAC层的硬件地址
- MAC帧的格式
- 扩展以太网
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- 在数据链路层扩展以太网
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- 以太网交换机的特点
- 以太网交换机的自学习功能
- 虚拟局域网
- 高速以太网
数据链路层概述
- 数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：
1、点到点信道：这种信道使用一对一的点对点通信方式；
2、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，因此必须使用专门的共享信道协议来协调这些主机的数据发送；
- 下面分析一下两台主机通过互联网进行通信时数据链路层所处的地位：
- 上图中点对点信道的数据链路层在进行通信时的主要步骤为：
1、结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧；
2、结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层；
3、若结点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取出IP数据报交给上面的网络层，否则丢弃这个帧；- 数据链路层就像一个管道，它传输的是帧；
三个基本问题
- 数据链路层的协议有许多种，但3个最基本的问题是：封装成帧、透明传输、差错控制；
封装成帧
- 假定发送端在尚未发送完一个帧时突然出现故障，中断了发送，但随后又恢复正常，于是从头开始再发。由于使用了帧定界符，接收端就知道前面收到的数据是个不完整的帧（只有首部开始符SOH而没有传输结束符EOT），必须丢弃；
透明传输
- 当传输的帧是用文本文件组成的帧时，其数据部分显然不会出现像SOH或EOT这样的帧定界控制字符，因此这样的传输称为透明传输；
透明的意思是：某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样；
在数据链路层中透明传送数据，表示无论什么样的比特组合的数据，对于传送的数据来说，它们看不见数据链路层又什么妨碍数据传输的东西，因此数据链路层对于这些数据来说是透明的；- 但当数据部分是非ASCII码的文本文件（如二进制代码的计算机程序或图象），数据中的某个字节的二进制代码恰好和SOH或EOT这样的控制字符一样，数据链路层就会错误地“找到帧的边界”，把部分帧手下（误认为这是完整的），而丢弃剩下的数据；
差错控制
- 比特在传输过程中可能产生差错，1可能变为0，0可能变为1，这就叫做比特差错；
- 传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率（BER），误码率与信噪比有很大的关系，如果设法提高信噪比，就可以使误码率减小；
- 实际的通信链路并非是理想的，他不可能使误码率下降为0，因此数据链路层广泛使用循环冗余检验CRC的检错技术，原理为：
1、在待传送的数据M后面添加供差错检验用的n位冗余码，然后构成一个帧发送出去；
2、这个冗余码可以用以下方法获得：在M后面添加n个0，得到的这个数出意收发双方事先商定的长度为(n+1)位的除数P，得出商位Q余数为R，这个R就作为冗余码拼接在M后面发送出去；
PPP协议的特点
- PPP协议应满足的需求：（了解）
简单、封装成帧、透明性、多种网络层协议、多种类型链路、差错检验、检测连接状态、最大传输单元、网络层地址协商、数据压缩协商；
- PPP协议的组成：
1、一个将IP数据报封装到穿行链路的方法；
2、一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议（LCP）；
3、一套网络控制协议NCP；PPP协议的帧格式
使用广播信道的数据链路层
局域网的数据链路层
- 局域网特点：网络为一个单位所拥有，且地理位置和站点数目均有限；
- 局域网的优点：
1、具有广播功能；
2、便于系统的扩展和逐渐演变；
3、提高了系统的可靠性、可用性、生存性；- 按照网络拓扑进行分类，局域网分为：
上图中发送数据的方式其实是广播通信方式；适配器的作用
- 计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器进行的，现在的计算机主板上都已经嵌入适配器（主机箱内插入的一块网络接口板），不再使用单独的网卡了；
- 在这种适配器上面装有处理器和存储器（包括RAM、ROM），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，而适配器与计算机之间的通信则是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行的。
- 因此，适配器一个最重要的功能就是要进行数据串行传输和并行传输的转换；
- 由于网络上的数据率和计算机总线上的数据率并不相同，因此在适配器中必须装有对数据进行缓存的存储芯片。
- 在主板上插入适配器的时候，还必须把管理该适配器的设备驱动程序安装在计算机的操作系统上，这个驱动程序就会告诉适配器，应当从存储器的什么位置上把多长的数据块发送得到局域网，或者应当在存储区的什么位置把局域网传送过来的数据块存储下来。
- 适配器还要能实现以太网协议；
- 适配器所实现的功能包含了数据链路层和物理层；
- 适配器在接收和发送各种帧时，不使用计算机的CPU。这时计算机中的CPU可以处理其他任务。当适配器收到有差错的帧时，就把这个帧丢弃而不必通知计算机。当适配器收到正确的帧时，它就使用中断来通知计算机，并交付协议栈中的网络层。当计算机要发送IP数据报时，就由协议栈把IP数据报向下交给适配器，组装成帧之后发送到局域网。
CSMA/CD协议的要点：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；
载波监听：在发送前和发送中，每个站都必须不停的检测信道，为了获得发送权、减少冲突；
碰撞检测：“边发送边监听”，即适配器在发送数据边检测信道上的信号电压得变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压变化幅度会增大。当适配器检测到的信号电压变化幅度超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站在同时发送数据，表明产生了碰撞。这时候适配器应当立即停止工作，免得进行无效得发送；
- 设图中的局域网两端的站A和B相距1km，在A——B发送数据一段时间后，B在A发送的数据到达B之前发送自己的帧（这时候的B的载波侦听不到A发送过来的信息），则必然会在某个时间与A发送的帧产生碰撞。碰撞的结果就是两个帧都变得无用。
- 10BASE-T双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个重要的里程碑，它的通信距离较短，每个站到集线器的距离不超过100m；
- 集线器的一些特点为：
1、使用集线器的以太网在逻辑上仍然是一个总线网，个站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议，网络中的各站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、一个集线器很像一个多接口的转发器；
3、集线器工作在物理层，它的每个接口只是简单的转发比特——收到1就发1，收到0就发0，不进行碰撞检测；以太网的信道利用率
- 假定一个10Mbit/s以太网同时有10个站在工作，那么每一个站所能发送数据的平均速率似乎应当是总数据率的1/10.其实由于多个站在以太网上工作可能会发生碰撞，信道资源可能被浪费，因此，一外网的信道利用率并不能达到100%；
- 以太网中，定义了参数α，他是以太网单程端到端延时t与帧发送时间T0之比：
上式的意义是只有当参数α远远小于1的时候，信道的利用率才会越大；
以太网的MAC层
MAC层的硬件地址
- 在局域网中，硬件地址又称为MAC地址；
- MAC地址是一种48位的二进制地址值，前24位代表厂家，后24是厂家自己指定，是全球唯一的标识符，固化在适配器的ROM中的地址；
- 适配器具有过滤功能：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就收下，然后再进行其他处理，否则就将此帧丢弃，不进行处理；
- 收到的帧一般分为3种：
1、单播帧：一对一
2、广播帧：发给本局域网上所有站点的帧；
3、多播帧：发给本局域网上一部分站点的帧；MAC帧的格式
光纤调制解调器的作用就是进行电信号和光信号的转换，you由于光纤带来的时延很小，并且带宽很宽，因此使用这种方法可以很容易地使主机和几公里以外的集线器相连接；
- 如果使用多个集线器，就可以连接成覆盖更大范围的多级星型结构的以太网：
以太网交换机能够即插即用，不必进行人工配置，非常方便；
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在两个交换机之间兜圈子的帧：
- 当计算机B1~B3同属于虚拟局域网VLAN2，当B1向工作组内成员发送数据时，计算机B2和B3能收到广播的信息，虽然它没有和B1连在同一个以太网交换机上；相反，此时的计算机A1，A2，C1都不能收到B1的广播信息；
- 两个VLAN中的计算机即使在一个网段中，也不能ping通；
- 多个交换机下的虚拟局域网：
高速以太网
100BASE-T 以太网
- 100BASE-T 以太网是在双绞线上传送100Mbit/s基带信号的星型拓扑以太网，使用CSMA/CD协议，又称为快速以太网；
- 可以在全双工方式下工作而无冲突发生，因此，CSMA/CD协议对全双工方式工作的快速以太网是不起作用的；
吉比特以太网
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来源：明天，你好呀
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