【计网】数据链路层

3.1 数据链路层概述

• 链路（Link）就是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，而中间没有任何其他的交换结点。
• 数据链路（DataLink）是指把实现通信协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
• 数据链路层以帧为单位传输和处理数据。
  

3.2 封装成帧

• 封装成帧是指数据链路层给上层交付的协议数据单元添加帧头和帧尾使之成为帧。

  • 帧头和帧尾中包含有重要的控制信息。
    

  • 帧头和帧尾的作用之一就是帧定界。
    
    以太网MAC帧的定界方式：前导码+帧间间隔
    

3.3 差错检测

• 实际的通信链路都不是理想的，比特在传输过程中可能会产生差错：1可能会变成0，而0也可能变成1。这称为比特差错。

  • 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BER(BitErrorRate)。
    

• 使用差错检测码来检测数据在传输过程中是否产生了比特差错，是数据链路层所要解决的重要问题之一。
  
  

  • 奇偶校验：在待发送的数据后面添加1位奇偶校验位，使整个数据（包括所添加的校验位在内）中"1”的个数
    为奇数（奇校验)或偶数（偶校验）。
    • 如果有奇数个位发生误码，则奇偶性发生变化，可以检查出误码；
    • 如果有偶数个位发生误码，则奇偶性不发生变化，不能检查出误码（漏检）
      
  • 循环冗余校验CRC(CyclicRedundancyCheck)
    • 收发双方约定好一个生成多项式G(x)；
    • 发送方基于待发送的数据和生成多项式计算出差错检测码（冗余码），将其添加到待传输数据的后面一起传输；
    • 接收方通过生成多项式来计算收到的数据是否产生了误码；
      
    • 循环冗余校验CRC有很好的检错能力（漏检率非常低），虽然计算比较复杂，但非常易于用硬件实现，因此被广泛应用于数据链路层。

• 检错码只能检测出帧在传输过程中出现了差错，但不能定位错误，因此无法纠正错误。

• 要想纠正传输中的差错，可以使用冗余信息更多的纠错码进行前向纠错。但纠错码的开销比较大，在计算机网络中较少使用。

3.4 可靠传输

3.4.1 可靠传输的概念

• 可靠传输服务并不仅局限于数据链路层，其他各层均可选择实现可靠传输。
  

3.4.2 可靠传输的实现机制 - 停止等待协议

• 确认与否认：接收端检测到数据分组有误码时，将其丢弃并等待发送方的超时重传。但对于误码率较高的点对点链路，为使发送方尽早重传，也可给发送方发送NAK分组。

• 超时重传：接收方收不到数据分组，就不会发送ACK或NAK。如果不采取其他措施，发送方就会一直处于等待接收方ACK或NAK的状态。

  • 超时计时器设置的重传时间应仔细选择。一般可将重传时间选为略大于“从发送方到接收方的平均往返时间”。

• 确认丢失：为了让接收方能够判断所收到的数据分组是否是重复的，需要给数据分组编号。
  由于停止-等待协议的停等特性，只需1个比特编号就够了，即编号0和1。

• 确认迟到：为了让发送方能够判断所收到的ACK分组是否是重复的，需要给ACK分组编号，
  所用比特数量与数据分组编号所用比特数量一样。数据链路层一般不会出现ACK分组迟到的情况，因此在数据链路层实现停止-等待协议可以不用给ACK分组编号。

3.4.3 可靠传输的实现机制 -回退N帧协议

改进：接收方不一定要对收到的数据分组逐个发送确认，而是可以在收到几个数据分组后（由具体实现决定），对按序到达的最后一个数据分组发送确认。ACKn表示序号为n及以前的所有数据分组都已正确接收。累积确认方式

滑动窗口超过取值范围的情况

3.4.4 可靠传输的实现机制 -选择重传协议

• 回退N帧协议的接收窗口尺寸W只能等于1，因此接收方只能按序接收正确到达的数据分组。
  一个数据分组的误码就会导致其后续多个数据分组不能被接收方按序接收而丢弃（尽管它们无乱序和误码）。这必然会造成发送方对这些数据分组的超时重传，显然这是对通信资源的极大浪费。

• 为了进一步提高性能，可设法只重传出现误码的数据分组。因此，接收窗口的尺寸W不应再等于1（而应大于1），以便接收方先收下失序到达但无误码并且序号落在接收窗口内的那些数据分组，等到所缺分组收齐后再一并送交上层。这就是选择重传协议。

• 选择重传协议为了使发送方仅重传出现差错的分组，接收方不能再采用累积确认，而需要对每个正确接收到的数据分组进行逐一确认！

3.5 点对点协议

点对点协议PPP(Point-to-PointProtocol)是目前使用最广泛的点对点数据链路层协议。

• PPP协议为在点对点链路传输各种协议数据报提供了一个标准方法，主要由以下三部分构成：
  • 对各种协议数据报的封装方法（封装成帧）
  • 链路控制协议LCP 用于建立、配置以及测试数据链路的连接
  • 一套网络控制协议NCPs 其中的每一个协议支持不同的网络层协议
    

3.5.1 帧格式

• 标志（Flag）字段: PPP帧的定界符，取值为0x7E
• 地址(Address)字段: 取值为0xFF，预留(目前没有什么作用)
• 控制(Control)字段: 取值为0x03，预留(目前没有什么作用)
• 协议(Protocol)字段:指明帧的数据部分送交哪个协议处理
  
• 帧检验序列(FrameCheckSequence)字段：CRC计算出的校验位

3.5.2 透明传输

• 发送方的处理：

  • 出现的每一个 7E （PPP帧的定界符）字节转变成 2 字节序列 (7D,5E) 。
  • 出现的每一个 7D （转义字符）字节转变成 2 字节序列 (7D,5D) 。
  • 出现的每一个 ASCII 码控制字符（数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面插入一个 7D 字节，同时将该字符的编码加上 0x20 。

• 接收方的处理：进行 反变换 即可恢复出原来的帧的数据部分。

• 发送方的处理：对帧的数据部分进行扫描（一般由硬件实现）。只要发现5个连续的比特1，则立即填充1个比特0。
• 接收方的处理：对帧的数据部分进行扫描（一般由硬件实现）。只要发现5个连续的比特1，就把其后的1个比特0删除

3.6 媒体接入控制

3.6.1 媒体接入控制的概念

• 共享信道要着重考虑的一个问题就是如何协调多个发送和接收站点对一个共享传输媒体的占用，即媒体接入控MAC(Medium AccessControl)。
• 复用（Multiplexing）是通信技术中的一个重要概念。复用就是通过一条物理线路同时传输多路用户的信号
  

3.6.1 静态划分信道

随着技术的发展，交换技术的成熟和成本的降低，具有更高性能的使用点对点链路和链路层交换机的交换式局域网在有线领域已完全取代了共享式局或网，但由于无线信道的广播天性，无线局域网仍然使用的是共享媒体技术。

3.6.2 动态接入控制——随机接入

3.6.2.1 载波监听多址接入/碰撞检测 CSMA/CD协议

• 多址接入MA：多个站连接在一条总线上，竞争使用总线。
• 载波监听CS
  • 每一个站在发送帧之前先要检测一下总线上是否有其他站点在发送帧（先听后说）
    • 若检测到总线空闲96比特时间，则发送这个帧；
    • 若检测到总线忙，则继续检测并等待总线转为空闲96比特时间，然后发送这个帧。
• 碰撞检测CD
  • 每一个正在发送帧的站边发送边检测碰撞（边说边听）：
    • 一旦发现总线上出现碰撞，则立即停止发送，退避一段随机时间后再次发送（一旦冲突，立即停说，等待时机，重新再说）。

争用期（碰撞窗口）

• 主机最多经过2t的时长就可检测到本次发送是否遭受了碰撞，因此，以太网的端到端往返传播时延2τ称为争用期或碰撞窗口。
  • 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
  • 每一个主机在自己发送帧之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。这一小段时间是不确定的。它取决于另一个发送帧的主机到本主机的距离，但不会超过总线的端到端往返传播时延， 即一个争用期时间。
• 显然，在以太网中发送帧的主机越多，端到端往返传播时延越大，发生碰撞的概率就越大。因此，共享式以太网不能连接太多的主机，使用的总线也不能太长。
  • 10Mb/s以太网把争用期定为512比特发送时间，即51.2μs，因此其总线长度不能超过5120m，但考虑到其他一些因素，如信号衰减等，以太网规定总线长度不能超过2500mm

最小帧长

• 以太网规定最小帧长为64字节，即512比特（512比特时间即为争用期）；
  • 如果帧长小于64字节，发送方可能在发送完帧之后才检测到碰撞，导致无法正确处理碰撞。
  • 如果要发送的数据非常少，那么必须加入一些填充字节，使帧长不小于64字节。
• 以太网的最小帧长确保了主机可在帧发送完成之前就检测到该帧的发送过程中是否遭遇了碰撞；
  • 如果在争用期（共发送64字节）没有检测到碰撞，那么后续发送的数据就一定不会发生碰撞；
  • 如果在争用期内检测到碰撞，就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节，因此凡长度小于64字节的帧都是由于碰撞而异常终止的无效帧。

最大帧长

截断二进制指数退避算法

• 若连续多次发生碰撞，就表明可能有较多的主机参与竞争信道。但使用上述退避算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数而增大（这也称为动态退避），因而减小发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定。
• 当重传达16次仍不能成功时，表明同时打算发送帧的主机太多，以至于连续发生碰撞，则丢弃该帧，并向高层报告。

帧的发送和接收

3.6.2.2 CSMA/CA协议（暂时不写后续补充）

3.7 MAC地址、IP地址和ARP协议

3.7.1 MAC地址（数据链路层）

• 当多个主机连接在同一个广播信道上，要想实现两个主机之间的通信，则每个主机都必须有一个唯一的标识，即一个数据链路层地址；
• 在每个主机发送的帧中必须携带标识发送主机和接收主机的地址。由于这类地址是用于媒体接入控制MAC（Media Access Control），因此这类地址被称为MAC地址；
  • MAC地址一般被固化在网卡（网络适配器）的电可擦可编程只读存储器EEPROM中，因此MAC地址也被称为硬件地址；
  • MAC地址有时也被称为物理地址。请注意：这并不意味着MAC地址属于网络体系结构中的物理层！
• 一般情况下，用户主机会包含两个网络适配器：有线局域网适配器（有线网卡）和无线局域网适配器（无线网卡）。每个网络适配器都有一个全球唯一的MAC地址。而交换机和路由器往往拥有更多的网络接口，所以会拥有更多的MAC地址。综上所述，严格来说，MAC地址是对网络上各接口的唯一标识，而不是对网络上各设备的唯一标识。
  
  

3.7.1 IP地址（网络层）

• IP地址是因特网(Internet)上的主机和路由器所使用的地址，用于标识两部分信息：
  • 网络编号：标识因特网上数以百万计的网络
  • 主机编号：标识同一网络上不同主机（或路由器各接口）
• 很显然，之前介绍的MAC地址不具备区分不同网络的功能。
  • 如果只是一个单独的网络，不接入因特网，可以只使用MAC地址（这不是一般用户的应用方式）。
  • 如果主机所在的网络要接入因特网，则IP地址和MAC地址都需要使用。
    
    
    
• 数据包转发过程中源IP地址和目的IP地址保持不变；
• 数据包转发过程中源MAC地址和目的MAC地址逐个链路（或逐个网络）改变。

3.7.1 ARP协议

• ARP工作过程
  • 主机在自己的ARP高速缓存表中查找目的主机的IP地址所对应的MAC地址，若找到了，封装在数据MAC帧中进行发送；若找不到，就发送ARP请求（封装广播MAC地址）；
  • 自己的主机收到ARP请求后，将源主机的IP地址与MAC地址记录到自己的ARP高速缓存表中，然后给出含有自己主机IP地址和MAC地址的ARP应答，ARP应答也会被发送到网络上的所有主机；
  • 源主机收到ARP应答后，将自己的IP地址与MAC地址记录到自己的ARP高速缓存表中，然后就可以封装之前想发送的MAC帧并发送给目的主机；

• ARP的作用范围：逐段链路或逐个网络使用；

  1. 逐段链路：ARP用于在同一个物理网络或广播域内，将IP地址解析为MAC地址。由于MAC地址只在本地链路有效，ARP请求和响应无法跨越路由器，因此其作用范围仅限于当前链路。

  2. 不跨网络：ARP请求是广播发送的，路由器不会转发这些广播包到其他网络，因此ARP无法在不同网络之间进行IP到MAC地址的解析。

3.8 集线器和交换机

3.8.1 集线器

• 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享总线资源，半双工，使用的还是CSMA/CD协议；
• 集线器只工作在物理层，它的每个接口仅简单地转发比特，不进行碰撞检测（由各站的网卡检测）；
• 集线器一般都有少量的容错能力和网络管理功能。例如，若网络中某个网卡出了故障，不停地发送帧。此时，集线器可以检测到这个问题，在内部断开与出故障网卡的连线，使整个以太网仍然能正常工作。
  

3.8.2 交换机

• 以太网交换机通常都有多个接口。每个接口都可以直接与一台主机或另一个以太网交换机相连。一般都工作在全双工方式。
• 以太网交换机具有并行性，能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信，无碰撞（不使用CSMA/CD协议）。
• 以太网交换机一般都具有多种速率的接口，例如：10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s、10Gb/s接口的多种组合。
• 以太网交换机工作在数据链路层（也包括物理层），它收到帧后，在帧交换表中查找帧的目的MAC地址所对应的接口号，然后通过该接口转发帧。
• 以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表是通过**自学习算法（3.9）**自动地逐渐建立起来的。
• 帧的两种转发方式：
  1. 存储转发
  2. 直通交换：采用基于硬件的交叉矩阵（交换时延非常小，但不检查帧是否右差错）

3.8.3 集线器和交换机区别

3.9 以太网交换机自学习和转发帧的流程

3.10 以太网交换机的生成树协议STP

• 如何提高以太网的可靠性？
  
  添加冗余链路可以提高以太网的可靠性。但是，冗余链路也会带来负面效应-形成网络环路

  • 网络环路会带来以下问题：
    • 广播风暴：大量消耗网络资源，使得网络无法正常转发其他数据帧；
    • 主机收到重复的广播帧：大量消耗主机资源
    • 交换机的帧交换表震荡（漂移）
      

• 以太网交换机使用生成树协议STP(Spanning Tree Protocol)，可以在增加冗余链路来提高网络可靠性的同时又避免网络环路带来的各种问题。

  • 不论交换机之间采用怎样的物理连接，交换机都能够自动计算并构建一个逻辑上没有环路的网络，其逻辑拓扑结构必须是树型的（无逻辑环路）；
  • 最终生成的树型逻辑拓扑要确保连通整个网络；
  • 当首次连接交换机或网络物理拓扑发生变化时（有可能是人为改变或故障），交换机都将进行生成树的重新计算。
    

3.11 虚拟局域网VLAN

3.11.1 VLAN概念

• 以太网交换机工作在数据链路层（也包括物理层）使用一个或多个以太网交换机互连起来的交换式以太网，其所有站点都属于同一个广播域。
• 随着交换式以太网规模的扩大，广播域相应扩大。
• 巨大的广播域会带来很多弊端：
  □ 广播风暴
  □ 难以管理和维护
  □ 潜在的安全问题
  
• 分割广播域的方法
  • 路由器法
    
  • 虚拟局域网VLAN(VirtualLocalAreaNetwork)是一种将局域网内的设备划分成与物理位置无关的逻辑组的技术
    

3.11.2 VLAN的实现机制

3.11.2.1 IEEE 802.1Q帧

• IEEE802.1Q帧（也称DotOneQ帧）对以太网的MAC帧格式进行了扩展，插入了4字节的VLAN标记。
  • VLAN标记的最后12比特称为VLAN标识符VID，它唯一地标志了以太网帧属于哪一个VLAN。
    • VID的取值范围是0 ~ 4095(0 ~ 2^12 -1)
    • 0和4095都不用来表示VLAN，因此用于表示VLAN的VID的有效取值范围是1 ~ 4094。
      
• 802.1Q帧是由交换机来处理的，而不是由用户主机来处理的。
  • 当交换机收到普通的以太网帧时，会将其插入4字节的VLAN标记转变为802.1Q帧，简称“打标签”。
  • 当交换机转发802.1Q帧时，可能会删除其4字节VLAN标记转变为普通以太网帧，简称“去标签”。

3.11.2.2 交换机的端口

• 交换机的端口类型有以下三种：
  • Access
  • Trunk
  • Hybrid

• Access端口
  • Access端口一般用于连接用户计算机
  • Access端口只能属于一个VLAN
  • Access端口的PVID值与端口所属VLAN的ID相同（默认为1）
  • Access端口接收处理方法：
    一般只接受“未打标签”的普通以太网MAC帧。根据接收帧的端口的PVID给帧“打标签”，即插入4字节VLAN标记字段，字段中的VID取值与端口的PVID取值相等。
  • Access端口发送处理方法：
    若帧中的VID与端口的PVID相等，则“去标签”并转发该帧；否则不转发。
    
    
    
• Trunk端口
  • Trunk端口一般用于交换机之间或交换机与路由器之间的互连
  • Trunk端口可以属于多个VLAN
  • 用户可以设置Trunk端口的PVID值。默认情况下，Trunk端口的PVID值为1。
  • Trunk端口发送处理方法：
    • 对VID等于PVID的帧，“去标签”再转发；
    • 对VID不等于PVID的帧，直接转发；
  • Trunk端口接收处理方法：
    • 接收“未打标签”的帧，根据接收帧的端口的PVID给帧“打标签”，即插入4字节VLAN标记字段，字段中的VID取值与端口的PVID取值相等。
    • 接收“已打标签的帧”；