【408&预推免复习】计算机网络（谢希仁第七版）第三章——数据链路层

落日映苍穹つ 2022-08-29 11:58 180阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  1 使用点对点信道的数据链路层
 *  2 点对点协议 PPP
 *  3 使用广播信道的数据链路层
 *  4 扩展的以太网
 *  5 高速以太网

# 1 使用点对点信道的数据链路层 #

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。  
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。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
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。  
现在最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。

也有人采用另外的术语。这就是把链路分为物理链路和逻辑链路。  
物理链路就是上面所说的链路。  
逻辑链路就是上面的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议。  
早期的数据通信协议曾叫做通信规程 (procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

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
2.  透明传输
3.  差错控制

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
解决方法：字节填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character stuffing)。  
发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC” (其十六进制编码是 1B)。  
接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。  
如果转义字符也出现在数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符 ESC。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。  
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 (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。  
在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。  
在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。  
假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。  
**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。**

# 2 点对点协议 PPP #

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)。  
用户使用拨号电话线接入互联网时， 用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议就是 PPP 协议。  
PPP 协议在1994年就已成为互联网的正式标准。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
PPP 协议有三个组成部分：  
(1) 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。  
(2) 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。  
(3) 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。  
在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。  
接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除

# 3 使用广播信道的数据链路层 #

**局域网**最主要的特点是：  
网络为一个单位所拥有；  
地理范围和站点数目均有限。  
局域网具有如下主要优点：  
**具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。  
便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。  
提高了系统的可靠性、可用性和残存性。**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

网络接口板又称为通信适配器 (adapter) 或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。  
适配器的重要功能：  
进行串行/并行转换。  
对数据进行缓存。  
在计算机的操作系统安装设备驱动程序。  
实现以太网协议。

CSMA/CD 含义：载波监听多点接入 / 碰撞检测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 。  
“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机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。  
总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。

“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测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同时在发送数据，表明产生了碰撞。  
所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。  
每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。  
这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。  
最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。  
以太网的端到端往返时延 2 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。  
10 Mbit/s 以太网取 51.2 s 为争用期的长度。  
对于 10 Mbit/s 以太网，在争用期内可发送 512 bit，即 64 字节。  
**这意味着：  
以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。**

如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。  
由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。  
以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。  
采用双绞线的以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器 (hub)。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]  
在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是 CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。  
发送一帧占用线路的时间是 T0 + ，而帧本身的发送时间是 T0。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率 Smax 为：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]

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”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。  
但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]

# 4 扩展的以太网 #

在物理层扩展以太网  
主机使用光纤（通常是一对光纤）和一对光纤调制解调器连接到**集线器**。  
很容易使主机和几公里以外的集线器相连接。

在数据链路层扩展以太网  
扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行。  
早期使用网桥，现在使用以太网交换机。

**以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥。**  
通常都有十几个或更多的接口。  
每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且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。  
相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。  
虚拟局域网  
利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)。  
虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机是属于哪一个 VLAN。  
虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。  
由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合，使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]

# 5 高速以太网 #

速率达到或超过 100 Mbit/s 的以太网称为高速以太网。  
100BASE-T 在双绞线上传送 100 Mbit/s 基带信号的星形拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。  
100BASE-T 以太网又称为快速以太网 (Fast Ethernet)。  
1995 年IEEE已把 100BASE-T 的快速以太网定为正式标准，其代号为 IEEE 802.3u。

吉比特以太网  
允许在 1 Gbit/s 下以全双工和半双工两种方式工作。  
使用 IEEE 802.3 协议规定的帧格式。  
在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议，全双工方式不使用 CSMA/CD 协议。  
与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。  
吉比特以太网工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。  
为保持 64 字节最小帧长度，以及 100 米的网段的最大长度，吉比特以太网增加了两个功能：

载波延伸 (carrier extension)
    分组突发 (packet bursting)

IEEE 在 2001 年初成立了 802.3 EFM 工作组，专门研究高速以太网的宽带接入技术问题。  
以太网宽带接入具有以下特点：  
可以提供双向的宽带通信。  
可以根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。  
可以实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率且降低了传输的成本。  
但是不支持用户身份鉴别。  
**PPPoE (PPP over Ethernet) 的意思是“在以太网上运行 PPP”，它把 PPP 协议与以太网协议结合起来 —— 将 PPP 帧再封装到以太网中来传输。**  
现在的光纤宽带接入 FTTx 都要使用 PPPoE 的方式进行接入。在 PPPoE 弹出的窗口中键入在网络运营商购买的用户名和密码，就可以进行宽带上网了。  
利用 ADSL 进行宽带上网时，从用户个人电脑到家中的 ADSL 调制解调器之间，也是使用 RJ-45 和 5 类线（即以太网使用的网线）进行连接的，并且也是使用 PPPoE 弹出的窗口进行拨号连接的。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220829/0625f01ccb9e4dc899d1daa08218173f.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220829/9ab57631a4cb4f4b9933d0c29e06f647.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220829/c832c33bdf574d6f96c0b431217d6e81.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20220829/2d9dbef2e3394082a3151d32bc25b59d.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20220829/e09814c2a69e41c1b3db24d3e71f558b.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20220829/a50ef67f43c04d529ba6579a61ab3bd5.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]: /images/20220829/392556583cf54eabb226337e5f0891e7.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]: /images/20220829/cf80277e1dcc46398c48eedcb65b61e5.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]: /images/20220829/2e764b4a12ac48b4ba8b3a6a66ea0a76.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]: /images/20220829/223c667be5e44459ae44f8c77a7c1736.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]: /images/20220829/6eee7d6154114624bcd3cdf72f2500f9.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]: /images/20220829/f4dd7fdeaac44e948c811dcfbc06c47e.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]: /images/20220829/7dee198921b348c28cf559307911c86b.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzODc4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]: /images/20220829/fe91ee5e351a41059ecc9956c18b943a.png