计网之数据链路层

数据链路层使用的信道主要有如下两种：

1. 点对点信道 一对一的点对点通信方式
2. 广播信道 一对多的广播通信方式

数据链路层的三个基本问题

封装成帧 透明传输 差错检测

封装成帧

• 内容：对数据(IP数据报)前后添加首部和尾部，构成一个帧。接收端通过首部和尾部识别帧的开始和结束，即帧定界。
• MTU：Maximum Transfer Unit链路层协议规定所能传输帧的数据部分的长度上限
• 帧界定符：当数据是ASCII编码，如 SOH表示帧开始符 EOT表示帧结束符 是十六进制编码的数字。

透明传输

• 内容：当帧中的数据部分不是ASCII编码的，如果是一些二进制代码等等，很可能会与帧界定符冲突，这时候就需要对帧界定符设置一种方法维持其功能。透明传输表示无论什么样的比特组合的数据，都能按照原样没有差错地通过这个数据链路层。数据链路层对于所传送的数据而言是透明的，后者看不到有什么妨碍自己正确传输。
• 解决方案：在SOH EOT前插入一个转义字符ESC，这种方法称为字符填充或字节填充。如果转义字符也冲突则在转义字符前再加一个转移字符，接收端接收到连续的两个转义字符时，删除前一个。

差错检测

• 内容：使用了循环冗余校验码CRC(Cyclic Redundancy Check)进行差错检验。
• CRC：若传送的数据M=101001(k=6)。在M后面添加n位冗余码，构成一个帧共(k+n)位一起发出去。若n=3,商定的除数P=1101,Q=M<<n 再向P做模二除法。得到的余数001共n位添加到M的后面,得到101001001。这个冗余码被称为帧检验序列FSC(Frame Check Sequence)。接收方进行CRC检测，得到余数R=0，否则有差错,丢弃该帧。

• 模二除法：

  
  

PPP点对点协议

用于点对点信道

• 帧格式

  
  
  

  标志字段(Flag) F 规定为）0x7E (01111110) 一字节
  协议字段 两字节 表示信息部分的类型 如IP数据报

• 字节填充 (异步传输时）
  0x7E 转变成 0x7D,0x5E
  0x7D转变成0x7D,0x5D
  如果出现ASCII的控制字符在前插入0x7D,并改变其编码
• 零比特填充 （同步传输时(一连串的比特连续传送)）
  连续五个1后插入一个0

共享信道的方法

1. 静态划分信道 频分复用等
2. 动态媒体接入控制 又称多点接入
   2.1随机接入 用户可随机发送信息
   2.2受控接入 用户不能随机发送信息，需要服从一定控制

以太网
属于随机接入而共享信道的一定标准的局域网
使用曼彻斯特编码
采用CSMA/CD协议
半双工通信

CSMA/CD协议

载波监听多点接入/碰撞检测(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

• 多点接入
  指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
  检测总线上是否有其他计算机在占用。每个主机都需要不断检测信道。
• 碰撞检测
  边发送边检测信道上的电压变化情况。
• 比特时间
  1比特时间指的是发送1比特所需的时间
• 争用期
  又称碰撞窗口 2τ 其中τ为单程端到端的传播时延，而某端点只有经过2τ才能知道数据帧是否遭受了碰撞。具体的争用时间是51.2us 对于10Mbit/s以太网，可以发送512bit的数据，又称512比特时间
• 截断二进制退避算法
  从集合[0,1,...,(2^k-1)中随机取出一个数，记为r,则重传推后的时间是r*2τ，
  k=Min[重传次数,10]
  当重传次数=16，则丢弃该帧，并反馈。
• 最短帧长
  64字节。即512bit。如果发送的数据非常少，则加入一些填充字节。发送这64字节的数据需要2τ的时间，如果发生碰撞，则会发生少于64字节的数据，接收方收到小于64字节的数据则丢弃。
• 人为干扰信号
  当发生了碰撞，碰撞双方都需要发送一个32或者48bit的认为干扰信号，需要Tj的时间。若检测到碰撞的时间是Ta，则信道被占用的时间为Tj+Ta+τ
• 帧间最小间隔时间
  9.6us 使得各个收到数据帧的站接收缓存来得及清理。

MAC地址

6字节 48位

• OUI
  组织唯一标识符 又称公司标识符 前24位 由IEEE出售
• EUI
  扩展标识符 低位24位 公司自行决定
• I/G位
  第一字节的最低位，即最左边的那一位。Individual/Group 当I/G为0时，地址字段表示单个站地址，当为1时，表示组地址，用于多播。
  0 G/L位 为0时表示属于全球管理，即于IEEE购买。为1是本地管理。

MAC帧

• 类型 标志上一层使用的协议类型 IPv4
• 数据长度 46-1500字节 其中46=64-6-6-2-4
• 帧长度检测 曼彻斯特编码的每一个码原的正中间一定有一次电压的转换。当发送方把以太网发送完毕后，就不再发送其他码元了。电压也就不再变化了，接收方很容易找到数据字段的结束位置。
• 填充字段长度 由IP层设置
• 前同步码 7字节（01交替） 使接收端的适配器在接受MAC帧时能迅速调整其时钟频率，实现与发送端的时钟同步 由硬件生成
• 帧开始界定符 1字节，10101011 由硬件生成

以太网的拓展

物理层上的拓展

使用光钎和光钎调制解调器将独立的以太网连接起来
缺陷：不能单独工作 木桶原理工作速度降低

数据链路层上的拓展

使用了以太网交换机。
以太网交换机
本质上是一个多接口的网桥，全双工通信，具有并行性，使多台主机能同时通信。内部具有一个帧交换表，又称地址表。
以太网的自学习功能
若交换表中没有目标项目(MAC地址,交换机接口号,有效时间)，则通过广播的方式向所有接口发送数据帧，记录发送端的信息。若有目标项目则不需要采取广播。
广播风暴 若两个交换机通过两条链路连接，因为自学习功能，可能会发生兜圈子的问题。通过生成树协议STP来解决，从逻辑上切断某些链路，生成无环路的树状结构。