大纲

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数据链路层使用的信道

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数据链路层在架构中的位置：
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使用点对点信道的数据链路层

  • 一对一通信。
  • 因为不会发生碰撞，因此也比较简单，使用 PPP 协议进行控制。

    数据链路和帧

    链路 (link) 是一条无源的点到点的物理线路段，中间 没有任何其他的交换结点

    一条链路只是一条通路的一个组成部分。

数据链路 (data link) 除了物理线路外，还必须有通信 协议来控制这些数据的传输。若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。

数据链路层传送的是帧：

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数据链路层不必考虑物理层如何实现比特传输 的细节。甚至还可以更简单地设想好像是沿着 两个数据链路层之间的水平方向把帧直接发送 到对方。

三个基本问题

数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题 则是共同的。这三个基本问题是


1. 封装成帧

将网络层传下来的分组添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。
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2. 透明传输

透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。
帧使用首部和尾部进行定界，如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容，那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符，那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符，用户察觉不到转义字符的存在。
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3. 差错检测

目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验（CRC）来检查比特差错
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循环冗余检验的原理
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注意：

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)。 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”。 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）。 要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必 须再加上确认和重传机制。 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。

以下的数据链路层协议都是不可靠传输协议

点对点协议 PPP

互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网，PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。
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 协议应满足的需求

  • 简单 —— 这是首要的要求。
  • 封装成帧 —— 必须规定特殊的字符作为帧定界符。 
  • 透明性 —— 必须保证数据传输的透明性。 
  • 多种网络层协议 —— 能够在同一条物理链路上同时支 持多种网络层协议。
  • 多种类型链路 —— 能够在多种类型的链路上运行。
  • 差错检测 —— 能够对接收端收到的帧进行检测，并立 即丢弃有差错的帧。
  • 检测连接状态 —— 能够及时自动检测出链路是否处于 正常工作状态。
  • 最大传送单元 —— 必须对每一种类型的点对点链路设 置最大传送单元 MTU 的标准默认值，促进各种实现 之间的互操作性。
  • 网络层地址协商 —— 必须提供一种机制使通信的两个 网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络 层地址。

  • 数据压缩协商 —— 必须提供一种方法来协商使用数据 压缩算法。

    PPP 协议不需要的功能

  •  纠错

  •  流量控制
  •  序号
  •  多点线路
  •  半双工或单工链路

    PPP 协议的组成

    PPP 协议有三个组成部分：
  1.  (1) 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
  2.  (2) 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。
  3.  (3) 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

    PPP 的帧格式：

  • F 字段为帧的定界符
  • A 和 C 字段暂时没有意义
  • FCS 字段是使用 CRC 的检验序列
  • 信息部分的长度不超过 1500

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不提供使用序号和确认的可靠传输

PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于 以下的考虑：

  1. 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。
  2. 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。
  3. 帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。

    使用广播信道的数据链路层

  • 一对多通信，一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到。
  • 所有的节点都在同一个广播信道上发送数据，因此需要有专门的控制方法进行协调，避免发生冲突（冲突也叫碰撞）。

  • 主要有两种控制方法进行协调，一个是使用信道复用技术，一是使用 CSMA/CD 协议。

    CSMA/CD 协议

    CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。

  • 多点接入 ：说明这是总线型网络，许多主机以多点的方式连接到总线上。

  • 载波监听 ：每个主机都必须不停地监听信道。在发送前，如果监听到信道正在使用，就必须等待。
  • 碰撞检测 ：在发送中，如果监听到信道已有其它主机正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲，但是由于电磁波的传播时延的存在，还是有可能会发生碰撞。

记端到端的传播时延为 τ，最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞，称 2τ 为 争用期 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
当发生碰撞时，站点要停止发送，等待一段时间再发送。这个时间采用 截断二进制指数退避算法 来确定。从离散的整数集合 {0, 1, .., (2k-1)} 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。
最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总 线上。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。
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CSMA/CD协议的要点：

  • (1) 准备发送。但在发送之前，必须先检测信道。
  • (2) 检测信道。若检测到信道忙，则应不停地检测，一直等 待信道转为空闲。若检测到信道空闲，并在 96 比特时间内 信道保持空闲（保证了帧间最小间隔），就发送这个帧。

  • (3) 检查碰撞。在发送过程中仍不停地检测信道，即网络适 配器要边发送边监听。这里只有两种可能性：

    ①发送成功：在争用期内一直未检测到碰撞。这个帧肯定能够发 送成功。发送完毕后，其他什么也不做。然后回到 (1)。
    ②发送失败：在争用期内检测到碰撞。这时立即停止发送数据， 并按规定发送人为干扰信号。适配器接着就执行指数退避算法， 等待 r 倍 512 比特时间后，返回到步骤 (2)，继续检测信道。但若 重传达 16 次仍不能成功，则停止重传而向上报错。

    信道复用技术

    1. 频分复用

    频分复用的所有主机在相同的时间占用不同的频率带宽资源。
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    2. 时分复用

    时分复用的所有主机在不同的时间占用相同的频率带宽资源。
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使用频分复用和时分复用进行通信，在通信的过程中主机会一直占用一部分信道资源。但是由于计算机数据的突发性质，通信过程没必要一直占用信道资源而不让出给其它用户使用，因此这两种方式对信道的利用率都不高。

3. 统计时分复用

是对时分复用的一种改进，不固定每个用户在时分复用帧中的位置，只要有数据就集中起来组成统计时分复用帧然后发送。
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4. 波分复用

光的频分复用。由于光的频率很高，因此习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波。

5. 码分复用

为每个用户分配 m bit 的码片，并且所有的码片正交，对于任意两个码片 2 数据链路层 - 图17 和 2 数据链路层 - 图18 有
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为了讨论方便，取 m=8，设码片 2 数据链路层 - 图20 为 00011011。在拥有该码片的用户发送比特 1 时就发送该码片，发送比特 0 时就发送该码片的反码 11100100。
在计算时将 00011011 记作 (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)，可以得到
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其中 2 数据链路层 - 图23 为 2 数据链路层 - 图24 的反码。
利用上面的式子我们知道，当接收端使用码片 2 数据链路层 - 图25 对接收到的数据进行内积运算时，结果为 0 的是其它用户发送的数据，结果为 1 的是用户发送的比特 1，结果为 -1 的是用户发送的比特 0。
码分复用需要发送的数据量为原先的 m 倍。
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MAC 层

MAC 地址是链路层地址，长度为 6 字节（48 位），用于唯一标识网络适配器（网卡）。
一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器，因此就有两个 MAC 地址。
在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。

局域网

局域网是一种典型的广播信道，主要特点是网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术，目前以太网占领着有线局域网市场。
可以按照网络拓扑结构对局域网进行分类：
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以太网

以太网是一种星型拓扑结构局域网。
早期使用集线器进行连接，集线器是一种物理层设备， 作用于比特而不是帧，当一个比特到达接口时，集线器重新生成这个比特，并将其能量强度放大，从而扩大网络的传输距离，之后再将这个比特发送到其它所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧，那么就发生了碰撞。
目前以太网使用交换机替代了集线器，交换机是一种链路层设备，它不会发生碰撞，能根据 MAC 地址进行存储转发。
以太网帧格式：

  • 类型 ：标记上层使用的协议；
  • 数据 ：长度在 46-1500 之间，如果太小则需要填充；
  • FCS ：帧检验序列，使用的是 CRC 检验方法；

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交换机

交换机具有自学习能力，学习的是交换表的内容，交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。
正是由于这种自学习能力，因此交换机是一种即插即用设备，不需要网络管理员手动配置交换表内容。
下图中，交换机有 4 个接口，主机 A 向主机 B 发送数据帧时，交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B，先查交换表，此时没有主机 B 的表项，那么主机 A 就发送广播帧，主机 C 和主机 D 会丢弃该帧，主机 B 回应该帧向主机 A 发送数据包时，交换机查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1，就发送数据帧到接口 1，同时交换机添加主机 B 到接口 2 的映射。
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虚拟局域网

虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组，只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息。
例如下图中 (A1, A2, A3, A4) 属于一个虚拟局域网，A1 发送的广播会被 A2、A3、A4 收到，而其它站点收不到。
使用 VLAN 干线连接来建立虚拟局域网，每台交换机上的一个特殊接口被设置为干线接口，以互连 VLAN 交换机。IEEE 定义了一种扩展的以太网帧格式 802.1Q，它在标准以太网帧上加进了 4 字节首部 VLAN 标签，用于表示该帧属于哪一个虚拟局域网。
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