数据链路层的基本概念与基本问题

数据链路层的简单模型
image.png
数据链路层使用的信道主要有以下两种类型

  • 点到点信道。这种信道使用一对一的点到点通信方式
  • 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，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送

链路（link）是一条点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换借点。

  • 一条链路只是一条通路的一个组成部分

数据链路（date link）除了物理线路外，还必须由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

  • 现在常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件
  • 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能

数据链路层传输的数据叫帧，wireshark抓到的数据在packet list中展示的也是数据帧
image.png

数据链路层的三个基本问题

封装成帧

封装成帧（framing）就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。
首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。
image.png
用控制字符进行帧定界的方法举例
如果帧还没有发送完，发送端出现了问题，只能重发这一帧数据，但是接受端收到了半截帧，该如何处理呢？
image.png

透明传输

如果传输的数据是ASCII码中“可打印字符（共95个）”集时，一切正常。
但是如果传输的数据不是仅由“可打印字符”组成的时候，就会出现问题。
image.png
用字节填充法解决透明传输的问题
image.png

差错控制

传输的过程中可能会产生比特差错：1可能会变成0，0也可能变成1
在一段时间内，传输错误的比特所占传输比特总数的比率成为误码率BER（Bit Error Rate）

误码率与信噪比有很大的关系
为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。

FCS 帧检验序列
通过循环冗余检验CRC算法得出
传输的时候传递数据与帧检验序列，接收端收到以后再做除法
image.png
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


检验 ：**

  • 若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受（accept）
  • 若余数R≠0，则判定这个帧有差错，就丢弃

特点 :

  • 但这种检测方法并不能确定是那一个或者那几个bit出现了差错
  • 只要经过严格的挑选，并且使用足够多的除数P，那么出现检测不到的差错的概率就很小

两种情况下的数据链路层

使用点对点信道的数据链路层

PPP协议

点到点的通信协议：PPP通信协议（point-to-point protocol）
用户使用拨号电话线接入因特网时（ASDL），一般都是使用PPP协议。
image.png
PPP协议的三个组成部分

  • 数据链路层协议可以用于异步串行或同步串行介质。
  • 它使用LCP（链路控制协议）建立并维护数据链路连接。
  • 网络控制协议(NCP)允许在点到点连接上使用多种网络层协议，

image.png
PPP协议的帧格式：
因为是点到点通信，所以地址是固定的 FF 03
协议不同的编号就代表不同的信息内容
image.png
image.png
PPP协议解决透明传输问题：
image.png
image.png
PPP协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：

  • 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

使用广播信道的数据链路层

主要作用于局域网
常见的局域网拓扑：
image.png
以上共享线路的话如何实现通信呢？
静态划分信道的方法：

  • 频分复用
  • 时分复用
  • 波分复用
  • 码分复用

动态媒体接入控制（多点接入）

  • 随机接入（主要被以太网采用）
  • 受控接入。如多点线路探询（polling），或轮询

使用的协议：
CSMA/CD 载波监听多点接入/碰撞检测 (局域网、以太网)
该协议不能全双工通信，只能半双工通信。
多点接入：表示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：是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算在发送数据，如果有，暂时不要发送数据。

碰撞检测：就是计算机边发送数据边监测从信道上的信号电压大小。

  • 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摇摆动值将会增大（互相叠加）
  • 当一个站检测到的信号电压摆动值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
  • 所谓碰撞就是发生了冲突，因此，碰撞检测也成为冲突检测

检测到碰撞后：

  • 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息
  • 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得浪费网络资源，等待一段随机时间后再次发送

以太局域网（以太网）

概述

  • DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约
  • IEEE的802.3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”。
严格来说“以太网”应当是指符合DIX Ethernet V2标准的局域网

为了使数据链路层能更好的适应多种局域网标准，802委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：

  • 逻辑链路控制LCC（Logical Link Control）子层
  • 媒体接入控制层MAC（Medium Access Control）子层

与接入到传输媒体有关的内容全部放在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。
由于TCP/IP体系经常使用的是DIX标准，所有802.3制定的LLC作用已经不大了
很多厂商适配器上就只有MAC 没有LLC

以太网提供的服务

以太网提供的服务是不可靠的交付，即最大努力交付。
当接收站收到有差错的数据帧时，就丢弃此帧，其他什么也不做。差错校验由高层协议来做。
其次高层重传数据，以太网也不知道这是新数据，只是将它当作一个新的数据帧来发送。
image.png
image.png
10 10m带宽
BASE 基带信号
T 双绞线
image.png

以太网的信道利用率

image.png
image.png
image.png
image.png

MAC层的硬件地址（MAC地址）

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址
802标准所说的“地址”严格地讲应该是每一个站的“名字”或“标识符”
48位2进制表示MAC地址（我们看到的是16进制 16 *12）

  • IEEE的注册管理机构RA负责想厂家分配地址字段的前三个字节（即高位24位）
  • 地址字段中的后三个字节（低位24位）由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出适配器没有重复的地址
  • 一个地址块可以生成2^24个不同的地址，这种48位地址称为MAC-48 它的通用名为EUI-48
  • “MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48

网络 — 属性 — 高级 可以修改MAC地址
修改注册表也可以修改MAC地址
image.png

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，不再进行其他处理

“发往本站的帧”包括以下三种帧：

  • 单播（unicast）帧 一对一
  • 广播（broadcast）帧 一对全体
  • 多播（multicast）帧 一对多

MAC帧格式

常用的以太网MAC帧格式有2中标准：

  • DIE Ethernet V2 标准
  • IEEE的802.3标准

最常用的是DIE V2标准

image.png
类型指明后续的数据是什么数据报 —- IPX / SPX

目的地址 + 原地址 + 类型 + FCS = 18 字节
以太网帧最短64 64 - 18 = 46 上层给46字节即可通信
image.png

无效的帧

  • 帧的长度不是整数个字节；
  • 用收到的FCS查出有差错；
  • 数据的长度不在46~1500字节之间；
  • 有效的MAC帧长度为64~1518字节之间
  • 对于检查出无效的MAC帧就简单的丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。