第三单元 数据链路层

前言

数据链路层主要是解决局域网内部数据传输问题，这与网络层和传输层的可靠传输是不冲突的，可以理解为数据链路层负责局域网内可靠传输，网络层负责局域网之间的可靠传输，传输层负责端到端的可靠传输

3.1 数据链路层的概述

• 链路：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：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

数据链路层的三个重要问题

1. 封装成帧
2. 差错检测
3. 可靠传输

局域网：
使用点对点信道的数据链路层

使用广播信道的数据链路层（共享式局域网）

使用二层交换机的数据链路层（交换式局域网）

使用无线技术（无线局域网）

3.2 封装成帧

封装成帧

定义：
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

帧头帧尾包含着重要的控制信息

帧头帧尾的作用之一：帧定界（如PPP协议帧的标志）

但是以太网V2帧没有标志
帧定界依靠在物理层时添加前导码来定界
且以太网还规定了96ms的帧间间隔时间，所以并不需要帧结束标志

透明传输

数据链路层对上层交付的传输数据没有限制，就好像数据链路层不存在一样

面向字节的物理链路使用字节填充实现透明传输 （插ESC）

转义字符ESC：
是一种特殊的控制字符，长度为一个字节，十进制值为27，并不是ESC这三字符

但是如果数据帧中存在数据（flag）与帧定界标志相同，如何保证透明传输呢？
（在帧的数据部分的flag前加转义字符） 为了正确传输帧数据，给数据中的flag前加ESC转义字符。

在接收方的物理层提取帧时，遇到第一个flag认定为帧开始

然后遇到ESC，删除ESC，认定下一字节是和标志相同的帧数据
并不是帧结束标志
如此反复

直到遇到单独的flag，认定为帧结束标志

如果数据帧中存在数据（flag）与帧定界标志相同，同时又存在转义字符，如何保证透明传输呢？
（依旧是插入ESC，对帧数据部分的每个flag和ESC前都插ESC）

面向比特的物理链路使用比特填充实现透明传输 （零比特填充法）

（PPP帧就是这种）
在发送前，采用零比特填充法，对数据部分进行扫描，每5个连续的比特1后面插入一个比特0

确保了帧的透明传输

接收方的物理层提取帧时，将帧的数据部分的每5个连续的1后面的那个0去除即可

其他

3.3 差错检验

前言

在通信链路中，比特在传输过程中可能产生差错：1变0 0变1之类的称为比特差错

误码率BER（Bit Error Rate）=传输错误的比特/传输比特总量

由于存在比特差错，发送的数据不能正确送达，错误数据毫无意义

故此引入差错检验 检查帧在传输过程中是否产生了误码
两种帧均通过帧检验序列FCS来检查帧在传输过程中是否产生了误码

校验方法

1. 奇偶校验（漏检率高，一般不用）
2. 循环冗余校验（CRC）

a.双方约定好一个生成多项式
b.发送方基于待发送的数据和多项式计算出冗余码，将其添加到待传输数据的后面一起传输
c.接收方通过多项式来计算收到的数据是否产生了误码

具体方法

两个实例：
其他：

3.4.1 可靠传输基本概念

简单来说：
不重复/不丢失/不失序
比特差错只是传输差错的一种

传输差错包括：

比特差错（数据链路层出现）
分组丢失（更上层）
分组失序（更上层）
分组重复（更上层）

3.4.2 可靠传输的实现机制

停止-等待协议SW

情况1（确认与否认分组）
情况2（超时重传）

情况3 分组编号


情况4 确认不明（文字上不好解释。。。）


小结

回退N帧协议GBN

举例引入
前提部署：
发送窗口的尺寸WT
接收窗口的尺寸WR
序号落在发送窗口内的数据分组可被连续发送，
不必等收到接收方的相应确认分组后再发送

无差错的情况

无误发送

接收方按序接收，每接收一个，接收窗口就向前滑动一个位置，并发送ACK分组

同时，发送方可以将已发送的数据分组从缓存中删除
接收方可以择机将以接收的数据分组交付上层处理

累积确认
此外，接收方不一定要对所有已接收的数据分组发送ACK，可以采用累积确认

无误发送返回ACK时，采用累积确认

即使ACK1丢失，但是ACK4表示：从标号为0到4的数据分组无误

发送方收到ACK4，依次滑动发送窗口，开启新一轮的传输

累积确认的优点：
1.即使存在确认分组丢失
发送方也可能不必重传
2.减小接收方的开销，节约网络资源

有差错的情况

发送过程中出现误码（编号为5的数据分组出现误码）
接收方通过差错检验，检测出编号为5的数据分组出现误码。
丢弃该数据分组，后面到达的4个分组的编号，匹配不上接收窗口对应的序号
4个全部丢弃。
丢弃后，发送丢弃数量个的ACK上一次的最大值（本例为ACK4）
发送方，早已接收过ACk4，当收到重复的ACK4时，就知道了之前所发送的数据分组出现差错，可以不等超时计时器就立刻重传出现差错的那一批数据分组

若发送窗口超过取值范围

发送正常，回复的ACK7丢失
必将导致发送方超时重传

小结

选择重传协议SR

引入

举例说明

准备发送，但丢失

对于接收方
只要编号落入接收窗口内且无误码的数据分组，接收方都会接收
并对每次成功接收都返回ACK确认分组

本例中，
0和1依次接收成功，接收窗口依次向前滑动，返回ACK
2被检测出误码，接收失败，被丢弃，窗口不动
3仍可继续被成功接收，但2未接收成功，窗口不能移动，回ACK
图如下

对于发送方
依次收到ACK0和1，依次滑动窗口，删除缓存的0和1，覆盖到编号为4，5的分组，将其发送
收到ACK3，窗口不动，因为这是一个未按序到达的分组（ACK2未收到），记录编号为3的分组已收到，
这样只会对2号分组超时重传
分组4和5发送，并被接收，返回ACK4和ACK5给发送方，记录收到确认ACK4和5
但是窗口不会移动，因为未为按序接收ACK（ACK2还未收到），直到分组2超时重传，并且发送方收到ACK2，窗口和移动相应多的次数

发送方收到ACK2，滑动窗口4次，继续正常发送

小结

3.5 点对点协议PPP

应用方向

PPP协议组成部分及各部分功能

封装成帧后的PPP帧格式

PPP的透明传输

PPP协议的差错检验

PPP的工作状态（略）

小结
相关link：https://blog.csdn.net/answer3lin/article/details/87395991

3.6 媒体接入控制及CSMA/CD

3.6.1媒体接入控制的基本概念（？）

根据定义可知，媒体介入控制是一种协调局域网内的秩序的协议
其大体分为两大类方法来实现维持秩序
{
1.静态划分信道
2.动态接入控制
}

百度百科的注解：
该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，主要负责控制与连接物
理层的物理介质。

3.6.2媒体接入控制之静态划分信道（多个用户在复用，就是多址）

信道复用（增大对信道带宽的利用率）
举例理解就是：
半径超大的导管只是在传输1L自来水，纯纯浪费，为了进一步利用，可以
内部划分多条小管道，同时运送

分类 {
频分复用（水陆空并用）

时分复用（周期性一人用一会儿）

波分复用（光波的频分复用）

码分复用（各用户可在同样的时间使用同样的频带进行通信）

}
码分复用的应用举例
(1) (2)

3.6.3 媒体接入控制之动态接入控制（随机接入）CSMA/CD

早期共享式以太网使用CSMA/CD来实现

理解上：数据碰撞后，“变质”为碰撞信号，继续发送

CSMA/CD：载波监听 多址接入 碰撞检测

CSMA/CD的相关概念之争用期

CSMA/CD的相关概念之最小帧长
最小帧长为64字节（512比特），故 发送512比特的时间即为争用期

为什么帧长度不能小于64Bytes？（有点像，你把船开到公海，不受国家法律控制也不受保护 /doge保命）
因为：端 发送帧完毕后不再对该帧进行碰撞检测了
不检测就不知道该帧是否遭遇碰撞，更无法重发

不够64字节的帧，必须加入一些填充字节，使得帧长度不小于64字节

所以说，凡是收到小于64字节的帧，都是碰撞过后的无用帧

CSMA/CD的相关概念之最大帧长
MAC帧最长1518字节
插入vlan后的802.1q 最长为1522字节（加上了4字节的vlan标记）

帧过长的劣势：
1.长时间占用总线
2.可能导致接收端缓冲区溢出

CSMA/CD的相关概念之退避算法

CSMA/CD的帧发送/帧接收流程

CSMA/CD的相关题目

类比：路程=时间x速度
最小帧长=争用期X数据传输速率

注意：

通俗的来说
数据传输速率：是把数据发送到信道上的速度
信号传输速度：是数据在信道上传输的速度

3.6.4 （略）媒体接入控制之动态接入控制（随机接入）CSMA/CA

CSMA/CA
载波监听/多址接入/碰撞避免

处于的体系位置
在无线局域网中，不用碰撞检测的原因（为什么要CA而不是用已有的CD？）
1.在无线网卡上实现CD，对硬件要求高
2.无线电波传播存在隐蔽站。
（例子中：
A范围内，可以发数据给B，并持续碰撞检测，但C也可以发数据给B，
A无法预测，所以进行碰撞检测意义不大
）

3.7 MAC地址，IP地址以及ARP协议

前言

MAC地址

定义
48位（6字节）用以标识网络设备接口的16进制字符

又称硬件地址，物理地址

MAC地址固化在网卡中

一台PC 一般有两个网卡 就有两个MAC
{
有线网卡
无线网卡
}

IEEE 802局域网的MAC地址格式

6字节 十六进制表示 用 - : 隔开
IEEE 802局域网的MAC发送顺序
字节间的发送顺序： 第一字节 —> 第六字节
字节内的发送顺序： b0 —> b7

其他
单播mac地址
目的地址填对应的单播mac地址
广播mac地址
目的地址填FF-FF-FF-FF-FF-FF
多播（组播）mac地址（就像建了个讨论组，组内的才会接收）
目的地址填多播地址
例如：A在”讨论组”发消息，B和C在组内，接受
D不在，拒绝
（是否在组内：查看多播组列表）

IP地址

定义：
因特网上的主机和路由器所使用的地址，用于标识两部分信息：
{
网络号：标识网络
主机号：表示同一网络上的不同主机
}

直接小结（这里只是提一下，具体的IP相关知识在网络层讲解）
重点：数据包传递时
{
源/目的MAC地址一直在变
源/目的 IP 地址始终不变
}

ARP协议

引入：
由上节引出的问题，设备（主机或路由器）间只知道IP地址，不知道其对应MAC地址是什么？故此，引出ARP协议

大体过程：
同一网段内
B想向C发送数据包，但只知道C的IP地址
B根据C的IP查看自身ARP高速缓存表
if 没有
发送ARP请求报文（该报文封装在MAC帧中，目的地址为FF-FF-FF-FF-FF）去获取C的MAC地址
if 有
取得ip地址相关联的MAC地址，目的MAC地址填上刚刚查询到的即可

具体看图示

图示步骤一

图示步骤二
图示步骤三
图示步骤四
图示步骤五

关于ARP高速缓存表中的类型
{
静态：手工指定，长期有效
动态：自动获取，生命周期默认两分钟（主要是，MAC地址可能会变，比
如换个网卡）
}

解答上节课的遗留问题
逐段使用ARP协议获取MAC地址

3.8 集线器和交换机的区别

同轴电缆 总线型 以太网
依照CSMA/CD协议使用网络资源
（CSMA/CD工作在半双工模式下，为什么？因为全双工会碰撞啊。。）
具体数据发送流程见 前面讲的（单播/多播/广播）
集线器 星型 （共享式）以太网

交换机 对应 （交换式）以太网
交换机通常有多个接口（8口 24口都有）

交换机具有并行性，能同时连通多对接口，使得多对主机能同时通信
且无碰撞（可以看出是全双工，全双工可以看出不使用CSMA/CD）

转发方式：
（常用）1.存储转发：
先在缓冲区存储接收到的整个数据帧，
然后进行CRC校验，检查数据帧是否正确，
if 正确
再进行转发。
else 丢弃

由于先存储，再计算CRC，再发送，繁杂， 也就造成了高延迟的现象，但无误
2.直通转发：
交换机在收到数据帧后，不进行缓存和校验，而
是直接转发到目的端口。

快又傻的方式
3.无碎片转发：
接收64字节（最小帧长度），无误后，再转发

比直通转发好一点点。。。

帧交换表（交换机接口的MAC地址和接口编号的映射表）
通过交换机的自学习算法，而获得的存储了交换机各接口编号和其对应的MAC地址的映射表

使用HUB组网
独立的以太网
（此时数据只会在各系部自身的冲突域中发送，如图）
（简单来说就是，HUB只是替代了同轴电缆，逻辑上还是总线型的形式）
经过HUB组网
冲突域变大
如图示（一系的C发送数据给二系的A的过程）

对比集线器和交换机
发送单播帧的比较

发送广播帧的比较

碰撞域比较

交换机可以隔离碰撞域

3.9 以太网交换机自学习和转发帧的流程

简述一下”明确丢弃”：
交换机不会违反A端口发送的数据帧，还发回A端口

如图：
G和A通过HUB相连在交换机1的1接口
G发送数据帧给A，通过HUB，和在总线上发送一样，给所有接口都发该帧
PC_A发现目的地址就是A，接收
交换机1的1接口也收到该帧，查看帧交换表，有A~~~1；
但是该帧就是来自1接口，所以，丢弃该帧

3.10 以太网交换机的生成树协议STP

曾经疑惑（不成体系就会漏洞百出）
为什么两台交换机间要用两条交叉线连接？
生成树什么条件下用啊？
如何提高以太网的可靠性？
多连条备用链路不就行了（冗余链路）

多加了冗余链路会造成网络环路，进而导致广播风暴，浪费网络资源等不良效果，得不偿失啊！！怎么办？
使用生成树协议啊，使得整个网络呈树状结构
（堵塞部分会造成环的链路口，留作备用就行了）

既增加了网络的可靠性
又避免了网络环路带来的各种问题

具体选举过程：
生成树选举过程.docx

小结

3.11 虚拟局域网VLAN

前言

曾经的疑惑
为什么要用VLAN，什么情况用VLAN，VLAN作用是什么？

简单的说vlan的作用就是分割广播域
巨大的广播域有很多弊端
广播风暴——广播风暴会浪费大量网络资源和各主机CPU资源
难以管理和维护
潜在的安全问题

3.11.1 虚拟局域网VLAN的概述

引入
广泛使用交换机会造成巨大的广播域！！！
带来大量弊端
如何分割广播域？
1.使用路由器（路由器贵，成本高）
由于路由器默认情况下不对广播数据包进行转发
所以路由器可以隔离广播域
2.划分VLAN
划分vlan前，全局广播
按需划分VLAN后
可得：
同一个VLAN内部可以广播通信，不同VLAN之间不能广播通信

3.11.2 虚拟局域网VLAN的实现机制

vlan在交换机上实现，需要交换机
1.能够处理带有vlan标记的帧（IEEE 802.1 Q 帧）

2.交换机的各端口可以支持不同的端口类型

IEEE 802.1Q帧（又称dot 1 q帧）
802.1Q帧 (又称dot 1 q帧) 对以太网的MAC帧格式进行了拓展，
插入了4字节的VLAN标记

VID：VLAN标记内的最后12个bit
VID唯一的标识了该帧属于哪个VLAN

802.1Q帧是由交换机处理的，而不是用户主机来处理

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字节的VLAN标记转变为普通以太网帧————简称“去标签”

交换机的端口类型
端口类型
Access
Trunk
Hybrid

各端口的缺省VLAN ID（default）
如：
思科交换机所有端口的默认VLAN都是VLAN1
Native VLAN （又称本征VLAN）

华为交换机称缺省VALN为端口VLAN ID，简记：PVID

Access端口
接收普通帧—->打标签—->对比VID和PVID—->判断是否转发
基于端口划分VLAN2和VLAN3后的广播帧转发

Trunk端口
发送处理：
if VID等于PVID
去标签 再转发
else
直接转发
接收处理：
if 未打标签
打上目前端口的PVID上的VLAN标签
else
直接转发

Hybrid端口（华为专有端口模式，了解即可）

完结，于2022年2月8日23:17:59

复习于2022.3.3 13:09