【計算機網絡】數據鏈路層總結

數據鏈路層

目錄

1. 數據鏈路層概述
   • 基本概念
   • 數據鏈路層的三個基本問題
2. 點對點信道的數據鏈路層
   • 概述
   • PPP協議的組成
   • PPP幀的格式和要求
   • PPP協議的工做狀態
3. 廣播信道的數據鏈路層
   • 局域網和以太網
   • 廣播信道數據鏈路層的任務
   • 適配器
   • CSMA/CD協議的要點
   • 以太網應用CSMA/CD協議
   • 信道利用率
   • 以太網的MAC層
   • 擴展以太網
   • 高速以太網以及問題

1. 數據鏈路層概述

基本概念

數據鏈路層討論的是如何把網絡層的數據封裝成幀，有效的進行通訊傳輸。

鏈路是指：一個結點到另外一個結點的具體的物理線路。

數據鏈路是指：在鏈路上加之實現通訊協議的軟件和硬件。

實現數據鏈路層的硬件和軟件主要是網卡（但適配器工做在物理層和數據鏈路層）。

此層的協議數據單元PDU叫作幀。這是將數據報加之首部和尾部造成的。

數據鏈路層的三個基本問題

1. 封裝成幀

   指將數據報加之首部和尾部造成幀。首部和尾部是必要的，主要做用是幀定界、添加控制信息，以及差錯控制。

2. 透明傳輸

   若是是文本文件，能夠用SOH/EOT充做幀開始、結束控制符，但數據中可能也出現SOH/EOT，這時須要加轉義字符ESC，如ESC-SOH,ESC-EOT,ESC-ESC，以達到透明傳輸。

   這裏的透明指的是，數據鏈路層對傳輸的數據透明，傳輸的數據實際上感覺不到數據鏈路層所作的操做。

3. 差錯檢測

   奇偶檢測、循環冗餘CRC等。

   採用CRC，採用n+1位除數（由生成多項式獲得），獲得n位餘數，稱做幀檢驗序列FCS。

   檢測時，將傳輸獲得的數據除以同一個除數，若餘數0，則能夠說無差錯。

   如有差錯，直接丟棄，除此以外，不作任何操做。

   故差錯檢測只是檢測了bit錯誤，並不能解決幀失序、丟失、重複等問題。

   也就是說，數據鏈路層實現的是盡最大努力的交付，即不可靠的傳輸。

2. 點對點信道的數據鏈路層

概述

點對點信道主要用於用戶同ISP（驗證身份）通訊時。早期使用高級數據鏈路控制HDLC，已經淘汰，如今用的是PPP協議，即point-to-point protocol，點對點通訊協議。

PPP協議的組成

由三個部分組成：

1. 一個將數據報封裝成幀的方法

2. 一個用來創建、配置和測試數據鏈路鏈接的鏈路控制協議LCP。

   通訊雙方用以協商。

3. 一套網絡控制協議。

   每個協議支持不一樣的網絡層協議，也就是說PPP支持不一樣的網絡層協議。

PPP協議幀的格式和要求

PPP幀的格式以下：

格式劃分	F	A	C	網絡層協議	數據報	FCS	F
具體內容	7E	FF	03	如C021（IP）	數據部分	-	7E
字節數	1	1	1	2	<=1500	2	1

其中，F,A,C都是固定的，A是地址，C字段實際上無用。

實現透明傳輸：

PPP協議爲實現透明傳輸，採用的策略是：

1. 異步：字節填充（字符填充）。

   在數據部分，(7E->7D,5E)、(7D->7D,5D)、(小於0x20的，前面添加7D)

2. 同步：零比特填充

   即每遇到5個1，添加一個0。

PPP協議工做狀態

<課本p81> ，重點。

3. 廣播信道的數據鏈路層

局域網和以太網

局域網（LAN）指的是一個網絡爲一個單位所擁有，地理位置和站點數據有限，統稱。局域網的工做跨越了物理層和數據鏈路層。

以太網是局域網的一種實現方式，但現在以太網佔據了絕大多數市場，故某種意義上，以太網就是局域網。

之外網的標準有DIX Ethernet V2和IEEE 802.3。兩者差異不大，如今普遍使用的是DIX Ethernet V2。

IEEE 802.3把以太網的數據鏈路層劃分爲：邏輯鏈路控制（LCP）和媒體接入控制（MAC），但LCP實際上並沒有用，如今只使用MAC層。

之外網的其餘特色：

1. 以太網採用的是盡最大努力的交付，不可靠的交付。
2. 以太網採用使用CSMA/CD協議。
3. 以太網採用的是曼徹斯特編碼，基帶信號傳輸。這種編碼中間躍變，由高->低爲1，反之爲0。

廣播信道數據鏈路層的任

廣播信道主要由總線式網絡，環形網，星形網等。

廣播信道的數據鏈路層討論的是如何在一個網絡中實現一對1、一對多通訊。這裏要解決的問題是，總線網絡上不能有兩個站點同時發送數據，不然就稱碰撞（衝突）。

必須有解決這個問題的協議，這就是CSMA/CD協議。

但首先應瞭解其餘幾個概念。

適配器

即網卡，實現了數據鏈路層協議，工做於物理層和數據鏈路層。

適配器的另外一個做用是實現並行通訊和串行通訊的轉換。外網--適配器爲串行，而適配器--主機爲並行。

適配器還配有ROM，實現緩存，這樣能夠實現不一樣速率的兼容。

另外，須要注意，適配器中的ROM中是硬件地址，即MAC地址，而在計算機的存儲器中存有IP地址，即軟件地址。

CSMA/CD協議的要點

CSMA/CD協議全稱：載波多點監聽/碰撞檢測。他解決的問題是如何在總線局域網上進行「有效」通訊。

CSMA/CD的要點以下：

1. 多點接入

   CSMA/CD協議適用於廣播信道，容許總線上多個站點接入。協議的核心是載波監聽和碰撞檢測。

2. 載波監聽

   因爲總線型廣播信道上同一時刻只容許一個站點發送數據，故站點須要時時檢測信道上是否有其餘站點發送數據，這就是載波監聽。檢測信道經過才能得到發送權。

   載波監聽發生在：一個站點發送數據以前，以及發送數據的過程當中。一旦發現有其餘站點發送數據，則當即中止發送。

   順便指出，信道上發送的是基帶信號，並無載波，「載波」一詞爲借用。

3. 碰撞檢測（衝突檢測）

   碰撞檢測就是「邊發送邊監聽」。適配器邊發送數據邊檢測信道上信號變化狀況，看是否發生了 碰撞。如有兩個計算機同時發送數據，則信道上的信號電壓變化幅度會超過必定的門限值，則計算機（適配器）可以發現這種變化，後續做出進一步響應。

Question：既然每一個站點發送數據前，信道已經清空，爲何發送過程當中還要碰撞檢測（可能發生碰撞）？

Answer： 信號傳播須要時間。1Km的電纜傳播時延爲5us，記單程端到端時延爲\(t\)，若A站點向B站點發送數據後，通過極短期\(e\)（\(e\)小於\(t\) us），數據還沒有到達B，\(e\)時刻B依然檢測到信道爲空，此時B也發送數據，那麼在時間\(t-e/2\) 時刻，發生碰撞，則A端在\(2t-e\)時刻檢測到碰撞發生。

另外，定義單程端到端時延的兩倍爲爭用期，由於從上面分析能夠看到，A最遲在\(2t\)時刻檢測到碰撞發生（當\(e\)趨向於0），在A發送數據\(2t\)時間內若不發生碰撞，則以後不會發生碰撞。下面對以太網應用CSMA/CD協議的具體規定。

以太網應用CSMA/CD協議

以太網應用CSMA/CD協議，實現了半雙工通訊，其具體的規定和要點以下：

1. 以太網發送數據採用曼徹斯特編碼。

2. 發送前（中）載波監聽。

3. 爭用期2t定義爲51.2us，對於10Mbit/s的以太網，能夠算出爭用期內發送了512bit數據，故也稱做512比特時間。在這個時間內，傳播的距離約爲5km，但實際上達不到這麼多。

   因爲爭用期內必須發送完512bit才能檢測是否發生了碰撞，故以太網規定最短幀長爲512bit，即64字節，若數據不夠，則須要填充。

4. 若檢測到發生碰撞，等到一段時間後再發送。具體的等待時間採用截斷二進制指數退避算法，即：

   在區間\([0,1,3,...(2^k-1)]\)內隨機選出一個數\(r\)，等待\(r×2t\)時間。即隨機個爭用期的時間。

   具體\(k\)爲：\(重傳次數，k = Min(重傳次數，10)\)。

   另外，規定重傳次數達到16次，則表示想發送數據的站點太多，丟棄該幀，向高層報告。

5. 強化碰撞策略。一旦檢測到發生碰撞，則當即發送32或48bit的人爲干擾信號，讓全部站點都知道發生了碰撞。

6. 幀最小間隔爲9.6us。由於以太網的幀並無個幀結束定界，故最小間隔是應有的，這樣也能夠保證接收站點來得及緩存清理和處理。

7. 時間計算。若發送時延爲\(t0\)，傳播時延爲\(t\)，A發送完畢到檢測到發生碰撞的時延爲\(tB\)，強化信號時延爲\(tJ\)，則由於碰撞浪費的時延爲\(tB+tJ\)，總線被佔用的時延爲\(tB+tJ+t\)，由於最後1bit還要通過一個單程端到端時延。

信道利用率

說明以太網信道利用率。

發送一幀的時間是（若干個爭用期時間\(2t\)）+發送時延\(T_0\) + 單程端到端時延\(t\)。可見，提升信道利用率，就要減少\(t\)和\(T0\)之比。定義：$a = \frac {t} {T_0} \(，但願\)a$越小越好。

信道極限利用率爲：假設發生碰撞，極限利用率爲：

\(S_{max}=\frac{T_0}{T_0+t}=\frac{1}{1+a}\) ，可見，\(a\)越小越好。

以太網的MAC層

上面提到過，對於廣播信道，802.3將數據鏈路層劃分爲LLC和MAC，但實際上LLC無用，只討論MAC。MAC就是媒體接入控制的意思。於是，實際上廣播信道的數據鏈路層就是指MAC層。

MAC地址

MAC地址是一個硬件地址，於網卡的ROM中。他是一個48bit即6個字節的序列，如今使用的是EUI-48。一個地址是一個站的名字或者標識符，它由註冊管理機構RA同一頒發。前三個字節爲公司標識符，即組織惟一標識符OUI，這是生產公司申請到的。後三個字節爲擴展標識符，爲公司本身制定。

IEEE規定，MAC地址的第一字節的最低位爲I/G位，標誌是I（individual）或者G（group），爲I時爲0，表示單個站地址，G時爲1，表示組地址，用來多播。

MAC地址的第一字節的倒數第二位爲G/L位，表示全球管理(0)/本地管理(1)，若不申請全球OUI，也可使用本地管理，即將G/L位置1。

這樣，實際上全球MAC共有\(2^{44}\)個。

局域網內就根據MAC地址進行發送、接受數據，當某站點接收到幀，檢查MAC目的地址是否與本機MAC相匹配，不匹配則不接受。

發送的幀包括：單播幀、廣播幀（全1）和多播幀。

MAC幀格式

MAC幀（+最前面插入8字節）格式以下：

前同步碼	幀開始定界符	目的地址	源地址	類型	數據	FCS
1010..10	1010101011	目的MAC	本站MAC	網絡層類型	數據報	CRC檢驗
7字節	1字節	6字節	6字節	2字節	46-1500字節	4字節

1. 上面的表格中，前8個字節不屬於MAC幀內容，只是爲了幀同步和開始定界，CRC也不檢測前8字節是否出錯。
2. MAC幀的範圍是64字節-1518字節，數據部分是46-1500字節。

擴展以太網

擴展以太網主要從下面兩方面。

物理層上擴展以太網

工做在物理層的轉發器、集線器，將多個局域網鏈接起來，擴大碰撞域，但並不增長吞吐量。

數據鏈路層擴展以太網

使用工做在數據鏈路層的以太網交換機，擴大以太網。交換機能夠實現全雙工，並行，存儲數據幀緩存，以及自學習交換表（地址表）進行轉發。這種方式增長了吞吐量。

應注意自學習交換表的方法，P100，另外，爲了防止數據在物理環路上繞圈子，採用「生成樹協議STP」，將某些鏈路在邏輯上切斷，其過程相似於最小生成樹。

虛擬局域網

不一樣局域網內的幾個計算機能夠虛擬的鏈接起來構成虛擬局域網VLAN，以實現某些特定目的。

VLAN就是由一些局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組。

VLAN的幀增長了4個字節的VLAN標識符，標記此站點屬於哪一個VLAN。

這樣能夠防止廣播風暴。

器件

總結工做在物理層的：轉發器、集線器hub。

工做於數據鏈路層：交換機。

工做於物理+數據鏈路層：適配器。

高速以太網以及問題

傳統以太網指的是10BASE T，意義10：10Mbit/s，BASE：基帶信號，T：雙絞線。

以前還有：

10BASE 5：10：10Mbit/s，BASE：基帶信號，5：500m粗纜。

10BASE 2：10：10Mbit/s，BASE：基帶信號，2：200m細纜。

如今帶寬逐漸提升，已經有：

100BASE T：100：100Mbit/s，BASE：基帶信號，T：雙絞線。

吉比特以太網、10吉比特以太網等。

100BASE T

將帶寬提升10倍，幀格式不變。參數\(a=\frac{t}{T_0}\)，\(T_0\)變爲\(1/10\)，則\(a\)增長10倍，信道利用率下降。100 BASE T採用的策略是保證最短幀長不變，爭用期減小到\(1/10\)，即爭用期爲5.12us，幀最小間隔是0.96us，（這實際上是將物理線路最長長度減小到\(1/10\)，實際中100BASE-TX是100m）

吉比特以太網

發送速率1G bit/s。幀格式不變，吉比特以太網能夠工做在半雙工和全雙工下，保持\(a\)不變，採起：

1. 半雙工下

   仍然保持物理線路最長爲100m（與100BASE-T同），最短幀長依然爲512bit（64字節），但爭用期再也不是512bit時間，而是512字節時間（擴大8倍），這樣，發送不足512字節的幀，須要進行填充處理，使得達到512字節，這叫載波延伸。另外，還有分組突發功能，第一個短幀採用載波延伸，後面跟着的短幀則一個接一個發送，造成長度達到1500字節的數據。（這是爲了保證不要每一個短幀都填充，只要過了爭用期就行了。）

2. 全雙工下

   不須要載波延伸和分組突發，由於不會發生衝突。

10吉比特以太網（10GE）

幀格式不變，只工做於全雙工，不使用CSMA/CD協議，沒有爭用期之說。

NOTE：半雙工下采用CSMA/CD，全雙工不用CSMA/CD。