使用点对点信道的数据链路层

数据链路层属于计算机 络的低层，主要使用：

• 点对点信道：一对一的点对点通信方式，点对点协议PPP
• 广播信道：一对多的广播通信方式，CSMA/CD协议

数据链路和帧

• 链路（link）：从一个结点到相邻结点的一段物理线路（有线或无线），中间没有其它交换结点，链路只是一条完整通信路径的组成部分

• 数据链路（data link）：通信时，除了必要的物理线路，还必须有通信协议来控制数据传输，将这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路

  • 常用 络适配器来实现这些协议，一般的适配器包括了数据链路层和物理层的功能

• 帧（frame）：数据链路层把 络层交下来的数据构成帧发送到链路上，以及把接收到的帧中数据取出，并上交给 络层

• 点对点协议的数据链路层简化

• 为了解决透明传输问题，就必须使数据中的SOH、EOT在接收端不被解释为控制字符
  • 在发送端，如果数据中出现SOH、EOT，则在前面插入转义字符ESC
  • 在接收端，删除数据中出现的转义字符ESC
  • 这种方式称为字节填充（byte stuffing）或字符填充（character stuffing）
  • 如果转义字符也出现在数据中，那么在前面再插入一个转义字符

• PPP帧的首部和尾部分别为4个和2个字段
• 首部和尾部都有标志字段F（flag），规定为0x7E，表示一帧的开始或结束，也就是帧定界符，连续两帧之间，只需要一个标志字段（帧定界符），如果连续出现两个标志字段，认为是空帧，直接丢弃
• 首部的地址字段A规定为0xFF，控制字段C规定为0x03，这两个字段目前就是固定的，不会有其它值
• 首部的协议字段是2字节
  • 0x0021：信息字段是IP数据
  • 0xC021：信息字段是PPP链路控制协议LCP的数据
  • 0x8021：信息字段是 络层的控制数据
• 信息字段的长度可变，但是不超过1500字节，MTU规定了最大长度
• 尾部的第一个字段为2个字节，是使用CRC的帧检验序列FCS

字节填充

• 当信息字段出现了和标志字段一样的值时，就需要采取措施，使接收端正确接收信息，而不是当错误帧丢弃

• 当PPP使用异步传输时，转义符定义为0x7D，并使用字节填充，RFC1662规定了如下填充方法

  • 把信息字段中的0x7E转换成2字节序列（0x7D，0x5E）
  • 把信息字段中的0x7D转换成2字节序列（0x7D，0x5D）
  • 若信息字段中出现ASCII码控制字符，则在该字符前加0x7D，同时改变该字符的编码，例如出现0x03，则转换成（0x7D，0x23），改变编码就是在本身基础上加0x20

零比特填充

PPP协议用在SONET/SDH链路时，使用同步传输，这种情况下，采用零比特填充来实现透明传输，具体做法是

• 在发送端，先扫描整个信息字段，只要发现有5个连续1，则填入一个0
• 在接收端，先确定帧边界，在对信息字段进行扫描，当发现5个连续1时，就将其后的0删除

• 链路静止（link dead），这时个人主机和ISP之间没有物理层的连接，个人主机通过调制解调器呼叫路由器，建立物理层连接
• 链路建立：
  • 个人主机发送LCP的配置请求帧，其协议字段置为LCP对应的代码，信息字段包含特殊的请求
  • ISP的响应分为
    • 配置确认帧：所有选项都接受
    • 配置否认帧：所有选项都理解，但是不接受
    • 配置拒绝帧：选项有的无法识别或不能接受，需要协商
  • LCP配置选项包括
    • 最大帧长MTU
    • 所使用的鉴别协议
    • 是否使用PPP帧中的地址和控制字段（这两个字段目前是固定的，没有任何意义）
• 鉴别：
  • 建立了LCP链路后，进入鉴别（Authenticate）状态
  • 若使用口令鉴别协议PAP（明文），则需要个人主机主动发送身份标识符
  • 为了安全性考虑，可以使用口令握手鉴别协议CHAP
  • 如果鉴别失败，则转入链路终止状态，成功，则进入 络层协议状态
• 络层协议：
  • PPP链路的两端的 络控制协议NCP根据 络层的不同协议，互相交换 络层特定的 络控制分组
  • 如果运行IP协议，则对链路的每一端配置IP协议模块时，使用IPCP协议
  • 络层配置完毕后，链路进入可以进行数据通信的链路打开状态
• 链路打开状态：
  • 链路的两个PPP端点可以批次向对方发送分组，还可以发送回送请求和回送回答
  • 数据传输结束后，可以由链路的一端发出终止请求，收到对方发来的终止确认后，转到链路终止
  • 如果链路出现故障，也会转到链路终止

使用广播信道的数据链路层

广播信道可以进行一对多的通信，接着讨论局域 中的广播信道

局域 的数据链路层

局域 为一个单位所拥有，地址范围和站点数目都有限，主要优点如下：

• 具有广播功能，从一个站点可以很方便地访问全 ，局域 上的主机可以共享连接在局域 上的资源
• 便于系统的扩展和逐渐演变，各设备的位置可灵活调整
• 提高了系统的可靠性（reliability）、可用性（availabiliti）、生存性（survivability）

以太 的标准

• 最初的以太 标准有好几个，因此IEEE将数据链路层拆成了逻辑链路控制LLC和媒体接入控制MAC
  • 与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层
  • LLC子层与传输媒体无关

CSMA/CD协议

为了通信的简便，以太 采取了以下两种措施：

• 采用较为灵活的无连接的工作方式
  • 不必建立连接就可以发送数据
  • 适配器对发送的数据帧不进行编 ，也不要求发回确认
  • 差错帧是否重传由运输层决定，如果使用TCP协议，则需要重传，但是底层并不知道当前发送的是不是重传帧
  • 总线上同一时间只能允许一台计算机发送数据，以太 采用随机接入，使用CSMA/CD协议（载波监听多点接入/碰撞检测）来减少冲突概率
• 以太 发送的数据都采用曼彻斯特编码（上升沿和下降沿表示0或1）

• 集线器的一些特点如下：
  • 使用集线器的以太 在逻辑上仍然是一个总线 ，各站共享逻辑上的总线，还是使用CSMA/CD协议
  • 一个集线器有多个接口，每个接口通过RJ-45插头，用两对双绞线与计算机的适配器相连，因此集线器类似于多借口的转发器
  • 集线器工作在物理层，它的每个接口仅仅做转发，不进行碰撞检测
  • 集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消，这样可以使接口转发出去的较强信 不至于对该接口收到的较弱信 产生干扰，每个比特在转发之前还要进行再生整形并重新定时

以太 的MAC层

MAC层的硬件地址

名字指出我们所要寻找的那个资源，地址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处

• 在局域 中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址，地址就是识别某个系统的重要标识符

• IEEE802标准为局域 规定了一种48位的全球地址，是指局域 上的每一台计算机中固化在适配器ROM中的地址

• IEEE的注册管理机构RA是局域 全球地址的法定管理机构，它负责分配地址字段的前3字节，所有生产适配器的厂家都必须找IEEE购买前3各字节的 ，这个 称为组织唯一标识符OUI；后3字节由厂家自行指派，称为扩展标识符，用这种方式得到的48位地址称为EUI-48（扩展的唯一标识符）

  • 第1字节的最低位为I/G位（Individual/Group），为0时表示单个站地址，为1时表示组地址，用来进行多播
  • 第1字节的最低第二位为G/L位（global/local），为0时是全球管理，全球唯一（厂家向IEEE购买OUI属于全球管理），为1时为本地管理，用户可以随意分配地址

• 适配器有过滤功能，收到MAC帧时，只接收与自己地址相同的，包括三种

  • 单播（unicast）：一对一，即收到的帧的MAC地址与本地的相同
  • 广播（broadcast）：一对多，即发送给本局域 上所有站点的帧（255.255.255.255）
  • 多播（multicast）：一对多，即发送给本局域 上一部分站点的帧

• 所有的适配器至少能识别单播和广播

• 以太 适配器还可以设置为混杂方式，悄悄接收所有的帧（窃听），不管是发送到哪个站

MAC帧的格式

假定 络层使用的是IP协议，以太 V2的MAC帧格式如下

VLAN标记字段长度为4字节

前2个字节总是设为0x8100，称之为IEEE 802.1Q标记类型

后3位是用户优先级

后1位是规范格式指示符CFI

最后12位是虚拟局域 VLAN标识符VID，它唯一标识了这个以太 帧属于哪个VLAN

高速以太

随着电子技术的发展，以太 的速率不断提升，从传统的10Mbit/s的以太 ，目前已经发展到速率1Gbit/s的吉比特以太

100BASE-T以太

100BASE-T是在双绞线上传送100Mbit/s基带信 的星型拓扑以太 ，仍然使用802.3的CSMA/CD协议，它又称为快速以太

吉比特以太

1997年通过了吉比特以太 的标准802.3z，并在1998年成为正式标准

工作在半双工方式时，必须进行碰撞检测

• 吉比特以太 保持一个 段的最大长度位100m，采用载波延伸的方法，使最短帧长仍为64字节，同时将争用期增大为512字节
• 还增加了一种功能，分组突发，当很多短帧要发送时，第一个采用载波延伸，随后的一个接一个发送，之间只留下必要的帧间最小间隔

工作在全双工方式时，不使用载波延伸和分组突发

使用以太 进行宽带接入

以太 接入的一个重要特点是它可以提供双向的宽带通信，并且可以根据用户对宽带的需求灵活地进行宽带升级

然而以太 的帧格式中没有用户名密码字段，因此人们将数据链路层的PPP协议封装到以太 帧中，这就是PPPoE（PPP over Ethernet）

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