计算机 络复习-第三章数据链路层

• 使用的信道

  不考虑传输介质，不关心频率，关心传输的对象是一对一还是一对多

  • 点对点信道（一对一）

  • 广播信道（一对多）

• 使用点对点信道的数据链路层

  • 数据链路和帧

    • 链路【物理链路】

      • 定义

        • 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【逻辑链路】

      • 定义

        • 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 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

  • 三个基本问题

    • 封装成帧

      • 定义

        • 在一段数据前后分别添加首部和尾部，就构成了一个帧。首部和尾部一个重要的作用就是进行帧定界。

      • 帧定界

        • 特殊帧定界(控制字符（SOH,EOT）

    • 透明传输

      • 问题

        • 如果数据中某个字节的二进制代码恰好和SOH或EOT一样，数据链路层就会错误的找到帧边界。

      • 解决

        • 字节填充

          • 透明传输

            • 异步传输

              异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，
              而接收方从不知道它们会在什么时候到达。一个常见的例子是计算机键盘与主机的通信。按下一个字母键、数字键或特殊字符键，就发送一个8比特位的ASCII代码。

              • 优缺点

                • 异步传输的实现比较容易，由于每个信息都加上了“同步”信息，因此计时的漂移不会产生大的积累，但却产生了较多的开销，同时接收方并不知道数据会在什么时候到达。异步传输常用于低速设备

              • 字节填充

          • 不提供序 和确认的可靠传输

            • 出于以下考虑

              • 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 环境下，PPP的信息字段放入的数据是IP数据 。数据链路层的可靠传输并不能够保证 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。

        • 广播信道（CSMA/CD协议）

          • 局域 的数据链路层

            • 局域 特点

            • 络为一个单位所拥有，地理范围和站点数目均有限

            • 局域 优点

              • 具有广播功能,从一个站点可很方便地访问全 。局域 上的主机可共享连接在局域 上的各种硬件和软件资源。

              • 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位直可灵活调整和改变。

              • 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

            • 局域 按照 络拓扑分类

              • 星形 （随着集线器和双绞线大量用于局域 中）

              • 环形

              • 总线 （以传统以太 最为著名）

                • 两个标准

                  • DIX Ethernet V2

                  • IEEE 802.3

                • 数据链路层的两个子层

                  • 逻辑链路控制LLC（和 络层对接）

                  • 媒体接入控制MAC（接近物理层）

                • 适配器（ 卡）

                  • 包含

                    • 存储器

                      • ROM

                      • RAM

                    • 处理器

                  • 通信

                    • 适配器与局域 的通信是通过电缆或双绞线以穿行传输的方式进行的

                    • 适配器与计算机之间的通信时通过计算机主板上的I/O总线以并行的传输方式进行的

                  • 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 协议。

                • 广播方式实现一对一通信

                  • 总线上每一个工作的计算机都能检测到B发送的数据信

                  • 由于只有计算机D的地址与数据帧首部写入的地址一致（mac），因此只有D才能接受这个数据帧

                  • 其他计算机都检测到不是发送给他们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧

                • 采用两种重要措施

                  • 采用较为灵活的无连接的工作方式

                    理由：局域 信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的

                    • 不必先建立连接就可以直接发送数据

                    • 对发送的数据帧不进行编 ，也不要求对方发回确认

                  • 采用曼彻斯特编码（跳变）

                  • 缺点：所占的频带宽度比原始基带信 增加一倍。

                • 提供的服务

                • 不可靠交付即尽最大努力交付，差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太 并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

                • 规定

                  • 一个最短帧长为64字节

                  • 对于10Mbit/s以太 ，发送512bit的时间需要51.2微秒

                  • 帧间最小间隔为9.6微秒

                    • 这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备

            • 媒体共享技术

              • 静态划分信道

                • 频分复用

                • 时分复用

                • 波分复用

                • 码分复用

              • 动态媒体接入控制

                • 随机接入

                  • 特点
                    • 所有用户可以随机发送信息，但如果恰巧有两个或更多用户在同一时刻发送信息，那么在共享媒体上就要产生碰撞，使得都失败。因此必须要有解决碰撞的 络协议。

                • 受控接入

                  • 特点
                    • 用户不呢个随机的发送信息而必须服从一定的控制。这类的典型代表有分散控制的令牌环局域 和集中控制的多点线路探询或轮询。

          • CSMA/CD

            • 载波监听多点接入/碰撞检测含义

              • 多点接入：计算机以多点接入的方式连接在一根总线上

              • 载波监听：每一个站在发送数据之前先要检测（用电子技术检测）一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有暂时不要发送数据，以免发生碰撞

              • 碰撞检测：计算机边发送数据边检测信道上的信 电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信 电压摆动值将会增大。

            • 碰撞之后算法

            • 二进制指数类型退避算法

            • 重要特性

              • 使用CSMA/CD协议的以太 不能进行全双工通信，只能进行双向交替通信（半双工）

              • 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 的平均通信量远小于以太 的最高数据率

            • 要点

              • 先听后发

              • 边听边发

              • 冲突停止

              • 延迟重发

          • 使用集线器的星型拓扑

            • 10BASE-T星形以太

              • 使用无屏蔽双绞线，采用星形拓扑

              • 每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接受

                • 10BASE-T的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m

              • 统治地位

                • 降低了成本又提高了可靠性。具有很高性价比

                • 局域 发展史上一个非常重要的里程碑，它为以太 在局域 中的统治地位奠定了牢固的基础

                • 从总线型变为更加方便地星形 络，而以太 也就在局域 中占据了统治地位

            • 集线器特点

              • 使用电子器件来模拟实际电缆线地工作

              • 使用集线器地以太 在逻辑上仍是一个总线 ，各工作栈使用地还是CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线

              • 集线器很像一个多接口地转发器，工作在物理层，它的每个接口仅仅简单地转发比特

              • 集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消

          • 以太 的信道利用率

            • 多个站在以太 上同时工作就可能会发生碰撞，所以以太 的信道利用率并不能达到100%。

            • 信道利用率

              • 参数a

                • 为提高信道利用率，a应当尽可能小些

                  • 数据率一定时，以太 的连线长度受到限制，否则分子会太大

                  • 以太 的帧长不能太短，否则T0的值会太小，使a值太大

              • 信道利用率S

                • 优点

                  • 使原来属于不同碰撞域的以太 上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。

                  • 扩大了以太 覆盖的地理范围。

                • 缺点

                  • 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。

                  • 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。

            • 在数据链路层扩展以太

              • 设备：早期 桥，现在使用以太 交换机

              • 工作层：数据链路层

              • 工作流程：它根据MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。当 桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧,而是先检查此帧的目的 MAC地址,然后再确定将该帧转发到哪个接口，或把它丢弃。

              • 解决冲突原因

                • 变成全双工

                • 有目的转发接口，避免多个接口重复发送。原来物理层是直接广播转发。

              • 以太 交换机特点

                • 多接口 桥

                • 全双工

                • 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

                • 接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来地帧进行缓存

                • 以太 交换机是一种即插即用设备，其内部地帧交换表是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的

                  • 生成树协议

                    • 背景：增加冗余链路时,自学习的过程就可能导致以太 帧在 络的某个环路中无限制地兜圈子，这样会白白消耗 络资源（通常是广播帧）

                    • 要点：不改变 络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象。

                • 以太 交换机使用了专用地交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发地 桥快很多

              • 以太 交换机优点

                • 用户独享带宽，增加了总容量

            • 虚拟局域 （打破物理限制）

              • 背景

              • A和B实在是太远了，所以需要通过多部交换机去扩展。这样就使得A和B不能在同一个交换机下，这样就会处于不同的 络。 可是我们希望去在同一片 络下去共享资源，所以产生了虚拟局域 VLAN。

              • 定义

                • 虚拟局域 VLAN是由一些局域 段构成的与物理 位置无关的逻辑组，而这些 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，实际上是在帧头中多加了一部分即虚拟局域 id，先检查id后检查MAC。（在物理位置上不是在一个交换机下，但是在逻辑关系上在索取资源关系上我们处于一个局域 ）
                  B1发送数据时，工作站A1,A2,C1都不会收到B1发出的广播消息。虚拟局域 限制了接收广播信息的工作站数,使得 络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化

          • 高速以太

            • 100BASE-T

              • 在双绞线上传送100Mbit/s基带信 的星形拓扑以太

            • 吉比特以太

            • 10吉比特以太

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