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[互联网]数据链路层综述

  2016-04-03 20:45:31

数据链路层
数据链路层使用的信道1.点对点信道 这种信道使用一对一的点对点通信方式。
                      2.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
 
数据发送的简单模型:
      

数据链路定义: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。
数据链路层的基本单元是帧
网络层的基本单元IP数据包
两者关系:IP数据包封装成帧传递给数据链路层,帧取出数据部分成IP数据报传递给网络层
帧的基本结构(帧的封装):
          

帧的透明透明传输:
 

 
帧个差错检测:
1.相关术语:误码率:BER
           循环冗余检验:CRC
           帧检验序列:FCS
2.CRCFCS的区别:
    (1).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。
(2).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。
3.接受端对每一帧都使用RCR进行检错,但在检查出错误的情况下,不能确定是哪一位或者几位比特发生错误,一旦发生错误,错误帧将被丢弃。
 
数据链路层协议:PPP(点对点协议)
1.PPP协议的组成部分:
 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)(建立、配置和测试数据链路连接)
 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)
2.PPP 协议的帧格式:
 (1).标志字段F = 0x7E (符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的7E 的二进制表示是01111110)。
 (2).地址字段A 只置为0xFF。地址字段实际上并不起作用。
 (3).控制字段C 通常置为0x03
 (4).PPP 是面向字节的,所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。
 (5).PPP 有一个 2 个字节的协议字段。
      当协议字段为 0x0021 时,PPP帧的信息字段就是IP数据报。
      若为 0xC021, 则信息字段是 PPP链路控制数据。
      若为 0x8021,则表示这是网络控制数据。  
         

PPP工作过程:
 

(1).当用户拨号接入ISP 时,路由器的调制解调器对拨号做出确认,并建立一条物理连接。
(2).PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组(封装成多个PPP 帧)。
(3).这些分组及其响应选择一些PPP 参数,和进行网络层配置,NCP给新接入的 PC机分配一个临时的IP 地址,使PC 机成为因特网上的一个主机。
(4).通信完毕时,NCP释放网络层连接,收回原来分配出去的 IP地址。接着,LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。
 
局域网的数据链路层
包含两个子层:逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层
              媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。
         与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层,而 LLC子层则与传输媒体无关,不管采用何种协议的局域网对 LLC子层来说都是透明的
 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:
1.进行串行/并行转换。
2.对数据进行缓存。
3.在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
4.实现以太网协议。  
 
在局域网中以太网的广播方式发送
   1.总线上的每一个工作的计算机都能检测到B 发送的数据信号。
   2.由于只有计算机D 的地址与数据帧首部写入的地址一致,因此只有D 才接收这个数据帧。
   3.其他所有的计算机(A, CE)都检测到不是发送给它们的数据帧,因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。
   4.具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。  
  
太网采取了两种重要的措施
1.采用较为灵活的无连接的工作方式,即不必先建立连接就可以直接发送数据。
以太网对发送的数据帧不进行编号,也不要求对方发回确认。
2.以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码(1编码时:前低后高)
 
以太网提供的服务:
1.以太网提供的服务是不可靠的交付,即尽最大努力的交付
2.当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧,其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。
3.如果高层发现丢失了一些数据而进行重传,但以太网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。
 
 
 
以太网的协调方法:载波监听多点接入/碰撞检测:CSMA/CD( Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
一、主要点:
1.“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。
2.“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。
3.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。  
4.“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。
(1).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)。
(2).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。
(3).所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。
5.检测到碰撞后(碰撞的结果是两个帧都变得无用)
(1).在发生碰撞时,总线上传输的信号产生了严重的失真,无法从中恢复出有用的信息来。
(2).每一个正在发送数据的站,一旦发现总线上出现了碰撞,就要立即停止发送,免得继续浪费网络资源,然后等待一段随机时间后再次发送。
二、CSMA/CD重要特性:
1.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)。
2.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。
3.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。
4.解决碰撞的算法:二进制指数类型退避算法   
 
使用广播信道的以太网:
1.这种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)  
2.星形网 10BASE-T
3.集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作,因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。
4.使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网,各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议,并共享逻辑上的总线。
5.集线器很像一个多接口的转发器,工作在物理层。
 
以太网的 MAC 层:
 
1. MAC 层的硬件地址 :
(1).在局域网中,硬件地址又称为物理地址,或MAC 地址。
(2).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。
 
2. 四十八位MAC地址:
(1).IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位24 )
(2).地址字段中的后三个字节(即低位24 )由厂家自行指派,称为扩展标识符,必须保证生产出的适配器没有重复地址。
(3).一个地址块可以生成224个不同的地址。这种48 位地址称为MAC-48,它的通用名称是EUI-48
(4).MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48
3. 适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC帧中的 MAC地址.
(1).如果是发往本站的帧则收下,然后再进行其他的处理。
   否则就将此帧丢弃,不再进行其他的处理。
(2).“发往本站的帧”包括以下三种帧:
单播(unicast)帧(一对一)
广播(broadcast)帧(一对全体)
多播(multicast)帧(一对多)
4. MAC格式:
  以太网V2MAC 帧格式(DIX Ethernet V2标准)
 

具体点:
(1).图中所示的数字表示字节数
(2).类型字段用来标志上一层使用的是什么协议,以便把收到的MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。
(3).数据字段的正式名称是MAC 客户数据字段
(4).最小长度64 字节-18字节的首部和尾部 =数据字段的最小长度
(5).当数据字段的长度小于46 字节时,应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段,以保证以太网的MAC 帧长不小于64 字节。
(6).在帧的前面插入的8 字节中的第一个字段共7 个字节,
是前同步码,用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。
第二个字段是帧开始定界符,表示后面的信息就是MAC帧。
5. 无效的MAC帧:
(1).数据字段的长度与长度字段的值不一致;
(2).帧的长度不是整数个字节;
(3).用收到的帧检验序列FCS 查出有差错;
(4).数据字段的长度不在46 ~ 1500 字节之间。
(5).有效的MAC 帧长度为64 ~ 1518 字节之间。
(6).对于检查出的无效MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。
 
在数据链路层扩展局域网:
(1).在数据链路层扩展局域网是使用网桥
(2).网桥工作在数据链路层,它根据MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。
(3).网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时,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一个接口
网桥:
1.网桥的内部结构:
          

2.使用网桥带来的好处 :
过滤通信量。
扩大了物理范围。
提高了可靠性。
可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率(如10 Mb/s100 Mb/s以太网)的局域网。
3.使用网桥带来的缺点:
存储转发增加了时延。
MAC子层并没有流量控制功能。
具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。
网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网,否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。  
4.网桥和集线器(或转发器)的区别:
(1).集线器在转发帧时,不对传输媒体进行检测。
(2).网桥在转发帧之前必须执行CSMA/CD 算法。
若在发送过程中出现碰撞,就必须停止发送和进行退避。
5.网桥应当按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表
(1).若从A 发出的帧从接口x 进入了某网桥,那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到A
(2).网桥每收到一个帧,就记下其源地址和进入网桥的接口,作为转发表中的一个项目。
(3).在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。
(4).在转发帧时,则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址,而把记下的进入接口当作转发接口。
6.网桥在转发表中登记以下三个信息 :
(1).在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外,还有帧进入该网桥的时间。
(2).这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化,站点也可能会更换适配器(这就改变了站点的地址)。另外,以太网上的工作站并非总是接通电源的。
(3).把每个帧到达网桥的时间登记下来,就可以在转发表中只保留网络拓扑的最新状态信息。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。
7.网桥的自学习和转发帧的步骤归纳
(1).网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。
如没有,就在转发表中增加一个项目(源地址、进入的接口和时间)。
如有,则把原有的项目进行更新。
(2).转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。
    如没有,则通过所有其他接口(但进入网桥的接口除外)按进行转发。
    如有,则按转发表中给出的接口进行转发。
    若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口,则应丢弃这个帧(因为这时不需要经过网桥进行转发)。
8.透明网桥产生的生成树算法(透明是指不知道网络的拓扑情况)
 

如图可看出,步骤5和步骤6在不停的转发
特点:在任何两个站之间只有一条路径。
 
 
 
 
以太网交换机:
1.定义:交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机(表明此交换机工作在数据链路层)
2.特点:
(1).以太网交换机的每个接口都直接与主机相连,并且一般都工作在全双工方式。
(2).交换机能同时连通许多对的接口,使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样,进行无碰撞地传输数据。
(3).以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片,其交换速率就较高。    
3.利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网
(1).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。
    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,指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN
(2).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。
(3).虚拟局域网使用的以太网帧格式:
 

 
 
 
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