計算機網絡 - 數據鏈路層

數據鏈路層概述

基本概念

數據發送模型：

數據鏈路層的信道類型：

• 點對點信道：這種信道使用一對一的點對點通信方式。
• 廣播信道。這種信道使用一對多的廣播通信方式，因此過程比較復雜。廣播信道上連接的主機很多，因此必須使用專用的共享信道協議來協調這些主機的數據發送。

鏈路和數據鏈路：

• 鏈路（link）:是一條點到點的物理線路段，中間沒有任何其他的點，一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。
• 數據鏈路(data link)：除了物理線路外，還必須有通信協議來控制這些數據的傳輸。若把實現這些協議的硬件和軟件加到鏈路上，就構成了數據鏈路。
  • 現最常用的方法是使用適配器(即網卡)來實現這些協議的硬件和
    軟件。
  • 一般的適配器都包括了數據鏈路層和物理層這兩層的功能。

幀：

數據鏈路層傳送的是幀

數據鏈路層就像一個數字管道

常常在兩個對等的數據鏈路層之間畫出一個數字管道，而在這條數字管道上傳輸的數據單位是幀。

要解決的三個基本問題

封裝成幀

• 封裝成幀就是在一段數據的前后分別添加首部和尾部，然后就構成了一個幀，用以確定幀的界限。

• 首部和尾部的一個重要作用就是進行幀定界。

• 如果發送端發送時出現故障，接收端沒收到完整的頭和尾，就會將幀丟掉

  

透明傳輸

若傳輸的數據是ASCI I碼中“可打印字符(共95個)”集時，一切正常。
若傳輸的數據不是僅由“可打印字符”組成時，就會出問題，如下圖

我們可以使用字節填充法解決透明傳輸的問題：

• 發送端的數據鏈路層在數據中出現控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一個字符“ESC” (其十六進制編碼是1B)

• 字節填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——接收端的數據鏈路層在將數據送往網絡層之前刪除插入的轉義字符。

• 如果轉義字符也出現數據當中，那么應在轉義字符前插入一個轉義字符。當接收端收到連續的兩個轉義字符時，就刪除其中前面的一個。

差錯控制

• 傳輸過程中可能會產生比特差錯:1可能會變成0而0也可能變成1。
• 在一段時間內，傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數的比率稱為 誤碼率 BER (Bit Error Rate) 。
• 誤碼率與信噪比有很大的關系。
• 為了保證數據傳輸的可靠性，在計算機網絡傳輸數據時，必須采用各種差錯檢測措施。

我們可以使用 循環冗余檢測 CRC

僅用循環冗余檢驗CRC差錯檢測技術只能做到無差錯接受(accept)。

• “無差錯接受” 是指：“凡是接受的幀( 即不包括丟棄的幀)，我們都能以非常接近於1的概率認為這些幀在傳輸過程中沒有產生差錯”。也就是說:“凡是接收端數據鏈路層接受的幀都沒有傳輸差錯”(有差錯的幀就丟棄而不接受)。

要做到 “可靠傳輸” (即發送 什么就收到什么)就必須再加上確認和重傳機制。

• 考慮:幀重復、幀丟失、幀亂序的情況

可以說 “CRC是一種無比特差錯，而不是無傳輸差錯的檢測機制”

• OSI/RM模型的觀點:數據鏈路層要做成無傳輸差錯的，但這種理念目前不被接受!

使用點對點信道的數據鏈路層（PPP協議）

PPP協議

現在全世界使用的最多的數據鏈路層協議就是 點對點協議 即 PPP協議(Pointer to Pointer Protocol)，用戶使用撥號電話線接入因特網時，一般都是使用PPP協議。

PPP協議的使用場合

PPP協議應該滿足的要求	PPP協議不需要滿足的要求
簡單——這是首要的要求	糾錯
封裝成幀	流量控制
透明性	序號
多種類型鏈路	多點線路
差錯檢測	半雙工或單工鏈路
檢測連接狀態
最大傳送單元
網絡層地址協商
數據壓縮協商

PPP協議的組成

• 數據鏈路層協議可以用於異步串行或同步串行介質。

• 它使用LCP (鏈路控制協議)建立並維護數據鏈路連接。

• 網絡控制協議(NCP)允許在點到點連接上使用多種網絡層協議，如圖所示

  

PPP協議幀格式

字節填充

問題:信息字段中出現了標志字段的值，可能會被誤認為是“標志位”怎么辦?

• 將信息字段中出現的每個0x7E字節轉變成為2字節序列(0x7D，0x5E)。
• 若信息字段中出現一個0x7D的字節，則將其轉變成為2字節序列(0x7D，0x5D)。
• 若信息字段中出現ASCII 碼的控制字符(即數值小於0x20的字符)，則在該字符前面要加入一個0x7D字節，同時將該字符的編碼加以改變。

零比特填充

PPP 協議用在 SONET/SDH 鏈路時，使用同步傳輸（一連串的比特連續傳送）。這時 PPP 協議采用零比特填充方法來實現透明傳輸。
在發送端，只要發現有 5 個連續 1，則立即填入一個0。
接收端對幀中的比特流進行掃描。每當發現 5 個連續1時，就把這 5 個連續 1 后的一個 0 刪除

PPP協議工作狀態

當用戶撥號接入ISP 時，路由器的調制解調器對撥號做出確認，並建立一條物理連接。
PC機向路由器發送一系列的LCP分組(封裝成多個PPP幀)。
這些分組及其響應選擇一些PPP參數，和進行網絡層配置，NCP給新接入的PC機分配一個臨時的IP地址，使PC機成為因特網上的一個主機。
通信完畢時，NCP 釋放網絡層連接，收回原來分配出去的IP地址。接着，LCP釋放數據鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。

使用廣播信道的數據鏈路層（CSMA/CD協議）

局域網的拓撲

局域網的特點與優點

局域網最主要的特點是:

• 網絡為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數目均有限。

局域網具有如下的一些主要優點:

• 具有廣播功能，從一個站點可很方便地訪問全網。局域網上的主機可共享連接在局域網上的各種硬件和軟件資源。
• 便於系統的擴展和逐漸地演變，各設備的位置可靈活調整和改變。
• 提高了系統的可靠性、可用性和生存性。

共享通信媒體

靜態划分信道

• 頻分復用
• 時分復用
• 波分復用
• 碼分復用

動態媒體接入控制（多點接入）

• 隨機接入(主要被以太網采用! )
• 受控接入，如多點線路探詢(polling)，或輪詢。(目前已不被采用)

認識以太網

最初的以太網是將許多計算機都連接到一根總線上。當初認為這樣的連接方法既簡單又可靠，因為總線上沒有有源器件。但是不安全，有可能被非目標計算機抓包

總線上的每一個工作的計算機都能檢測到B發送的數據信號。
由於只有計算機D的地址與數據幀首部寫入的地址一致，因此只有D才接收這個數據幀。
其他所有的計算機(A,C和E)都檢測到不是發送給它們的數據幀,因此就丟棄這個數據幀而不能夠收下來。
具廣播特性的總線上實現了一對一的通信。

載波監聽多點接入/碰撞檢測 （CSMA/CD）協議

CSMA/CD表示Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。

載波監聽多點接入

“多點接入”表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。
“載波監聽”是指每一個站在發送數據之前先要檢測一下總線 上是否有其他計算機在發送數據，如果有，則暫時不要發送數據，以免發生
碰撞。“載波監聽”就是用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機發送的數據信號。

碰撞檢測

“碰撞檢測” 就是計算機邊發送數據邊檢測信道上的信號電壓大小

• 當幾個站同時在總線上發送數據時，總線上的信號電壓擺動值將會增大(互相疊加)
• 當一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認為總線上至少有兩個站同時在發送數據，表明產生了碰撞。
• 所謂“碰撞”就是發生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”。

檢測到碰撞后：

• 在發生碰撞時，總線上傳輸的信號產生了嚴重的失真，無法從中恢復出有用的信息來。
• 每一個正在發送數據的站，一旦發現總線上出現了碰撞，就要立即停止發送，免得繼續浪費網絡資源，然后等待一段隨機時間后再次發送。

爭用期

最先發送數據幀的站，在發送數據幀后至多經過時間2τ ( 兩倍的端到端的往返時延)就可知道發送的數據幀是否遭受了碰撞。經過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發送不會發生碰撞。

以太網的爭用期

• 以太網的端到端往返時延2τ稱為爭用期，或碰撞窗口。通常，取51.2 μs為爭用期的長度。
• 對於10 Mb/s以太網，在爭用期內可發送512 bit, 即64字節。
• 以太網在發送數據時，若前64字節未發生沖突，則后續的數據就不會發生沖突。

最短有效幀長

• 如果發生沖突，就一定是在發送的前64字節之內。
• 由於一檢測到沖突就立即中止發送，這時已經發送出去的數據一定小於64字節。
• 以太網規定了最短有效幀長為64字節，凡長度小於64字節的幀都是由於沖突而異常中止的無效幀。

二進制指數類型退避算法

發生碰撞的站在停止發送數據后，要推遲(退避) 一個隨機時間才能再發送數據。

• 確定基本退避時間，一般是取為爭用期2τ。
• 定義參數k，k = Min[重傳次數， 10]
• 從整數集合[0，1，...，(2^k -1)]中隨機地取出一個數，記為 г 。
  重傳所需的時延就是r倍的基本退避時間。當重傳達16次仍不能成功時即丟棄該幀，並向高層報告。

以太局域網（以太網）

以太網的兩個標准

• DIX Ethernet V2 是世界上第一個局域網產品(以太網)的規約
• IEEE 的802.3標准。
  • DIX Ethernet V2標准與IEEE 的802. 3標准只有很小的差別，因此可以將802. 3局域網簡稱為“以太網”。嚴格說來，“以太網” 應當是指符合DIX Ethernet V2標准的局域網。

以太網與數據鏈路層的兩個子層

為了使數據鏈路層能更好地適應多種局域網標准，802委員會就將局域網的數據鏈路層拆成兩個子層:

• 邏輯鏈路控制LLC (Logical Link Control)子層
• 媒體接入控制MAC (Medium Access Control)子層。

與接入到傳輸媒體有關的內容都放在MAC子層，而LLC子層則與傳輸媒體無關，不管采用何種協議的局域網對LLC子層來說都是透明的。

由於TCP/IP體系經常使用的局域網是DIX Ethernet V2而不是802.3標准中的幾種局域網，因此現在802委員會制定的邏輯鏈路控制子層LLC (即802. 2標准)的作用已經不大了。很多廠商生產的適配器上就僅裝有MAC協議而沒有LLC 協議。

星型拓撲

傳統以太網最初是使用粗同軸電纜，后來演進到使用比較便宜的細同軸電纜，最后發展為使用更便宜和更靈活的雙絞線。不用電纜而使用無屏蔽雙絞線。每個站需要用兩對雙絞線，分別用於發送和接收。
這種以太網采用星形拓撲，在星形的中心則增加了一種可靠性非常高的設備,
叫做集線器(hub)。

集線器的一些特點：

集線器是使用電子器件來模擬實際電纜線的工作，因此整個系統仍然像一個傳統的以太網那樣運行。集線器使用了大規模集成電路芯片，因此這樣的硬件設備的可靠性已大大提高了。

使用集線器的以太網在邏輯上仍是一個總線網，各工作站使用的還是CSMA/CD協議，並共享邏輯上的總線。

集線器很像一個多接口的轉發器，工作在物理層。

以太網的信道利用率

以太網的信道被占用的情況：

• 爭用期長度為2τ,即端到端傳播時延的兩倍。檢測到碰撞后不發送干擾信號。
• 幀長為L (bit)， 數據發送速率為C (b/s)，因而幀的發送時間為L/C = T₀ (s)

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一個幀從開始發送，經可能發生的碰撞后，將再重傳數次，到發送成功且信道轉為空閑(即再經過時間τ使 得信道上無信號在傳播)時為止，是發送一幀所需的平均時間。

以太網的信道利用率：參數a

• 要提高以太網的信道利用率，就必須減小 τ 與 T₀ 之比。在以太網中定義了參數a，它是以太網單程端到端時延τ與幀的發送時間 T₀ 之比: $$a = \frac τ {T₀}$$

• a- >0表示一發生碰撞就立即可以檢測出來，並立即停止發送，因而信道利用率很高。

• a越大，表明爭用期所占的比例增大，每發生一次碰撞就浪費許多信道資源，使得信道利用率明顯降低。

以太網的信道利用率：最大值

對以太網參數的要求

• 當數據率一定時，以太網的連線的長度受到限制，否則 τ 的數值會太大

• 以太網的幀長不能太短，否則 T₀ 的值會太小，使 a 值太大。

信道利用率的最大值

• 在理想化的情況下，以太網上的各站發送數據都不會產生碰撞(這顯然
  已經不是CSMA/CD， 而是需要使用一種特殊的調度方法)，即總線一旦
  空閑就有某一個站立即發送數據。

• 發送一幀占用線路的時間是 T₀+ t，而幀本身的發送時間是 T₀，於是
  我們可計算出理想情況下的極限信道利用率$S_{max}$為:

MAC層的硬件地址（MAC地址）

在局域網中，硬件地址又稱為物理地址，或 MAC地址。

802 標准所說的 “地址” 嚴格地講應當是每一個站的 “名字” 或 標識符。但鑒於大家都早已習慣了將這種48位的“名字”稱為“地址”，所以本文也采用這種習慣用法，盡管這種說法並不太嚴格。

• IEEE的注冊管理機構RA負責向廠家分配地址字段的前三個字節(即高位24位)。
• 地址字段中的后三個字節(即低位24位)由廠家自行指派，稱為擴展標識符，必須保證生產出的適配器沒有重復地址。
• 一個地址塊可以生成2²⁴個不同的地址。這種48位地址稱為MAC- 48，它的通用名稱是EUI-48。
• “MAC地址” 實際上就是適配器地址或適配器標識符EUI-48。

在同一個交換機上的計算機MAC地址不可相同，否則會產生網絡故障，MAC地址可以手動修改

適配器檢查 MAC 地址

適配器從網絡上每收到一個MAC幀就首先用硬件檢查MAC幀中的MAC地址

• 如果是發往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理。
• 否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。

“發往本站的幀”包括以下三種幀:

• 單播(unicast)幀(一對一 )
• 廣播(broadcast)幀(一對全體)
• 多播(multicast)幀(一對多)

MAC 幀格式

常用的以太網MAC幀格式有兩種標准：

• DIX Ethernet V2 標准

• IEEE 的 802.3 標准

最常用的MAC幀是以太網V2的格式。

無效的 MAC 幀

• 幀的長度不是整數個字節;
• 用收到的幀檢驗序列FCS 查出有差錯;
• 數據字段的長度不在 46 ~ 1500 字節之間。
• 有效的MAC幀長度為 64 ~ 1518 字節之間。
• 對於檢查出的無效MAC幀就簡單地丟棄。以太網不負責重傳丟棄的幀。

幀間最小間隔

• 幀間最小間隔為9.6 μs,相當於96 bit的發送時間。
• 一個站在檢測到總線開始空閑后，還要等待9.6 μs才能再次發送數據。
• 這樣做是為了使剛剛收到數據幀的站的接收緩存來得及清理，做好接收下一幀的准備。

擴展以太網

在物理層考慮擴展

• 主機使用光纖和一對光纖調制解調器連接到集線器

• 用一個集線器連接多個集線器（數量不宜超過30台計算機，連接越多，效率越低）

在數據鏈路層考慮擴展

• 在數據鏈路層擴展局域網是使用網橋。
• 網橋工作在數據鏈路層，它根據MAC幀的目的地址對收到的幀進行轉發。
• 網橋具有過濾幀的功能。當網橋收到一個幀時，並不是向所有的接口轉發此幀，而是先檢查此幀的目的MAC地址，然后再確定將該幀轉發到哪一個接口。

網橋的內部結構

使用網橋擴展以太網

網橋擴展以太網的優缺點

優點：

• 過濾通信量。
• 擴大了物理范圍。
• 提高了可靠性。
• 可互連不同物理層、不同MAC子層和不同速率(如10 Mb/s和100Mb/s以太網)的局域網。

缺點：

• 存儲轉發增加了時延。
• 在MAC子層並沒有流量控制功能。
• 具有不同MAC子層的網段橋接在一起時時延更大。
• 網橋只適合於用戶數不太多(不超過幾百個)和通信量不太大的局域網，否則有時還會因傳播過多的廣播信息而產生網絡擁塞。這就是所謂的廣播風暴。

透明網橋

• 目前使用得最多的網橋是透明網橋(transparent br idge)。
• “透明”是指局域網上的站點並不知道所發送的幀將經過哪幾個網橋，因為網橋對各站來說是看不見的。
• 透明網橋是一種即插即用設備，其標准是IEEE 802.1D

網橋的自學習算法

• 若從 A 發出的幀從接口 x 進入了某網橋，那么從這個接口出發沿相反方向一定可把一個幀傳送到 A 。
• 網橋每收到一個幀，就記下其源地址和進入網橋的接口，作為轉發表中的一個項目。
• 在建立轉發表時是把幀首部中的源地址寫在 “地址” 這一欄的下面。
• 在轉發幀時，則是根據收到的幀首部中的目的地址來轉發的。這時就把在“地址”欄下面已經記下的源地址當作目的地址，而把記下的進入接口當作轉發接口。

用交換機擴展以太網

虛擬局域網

LAN和VLAN

• 交換機的使用使得VLAN的創建成為可能

• 虛擬局域網VLAN是由一些局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組。

  • 這些網段具有某些共同的需求。

  • 每一個VLAN的幀都有-個明確的標識符，指明發送這個幀的工作站是屬於哪一個VLAN。

• 虛擬局域網其實只是局域網給用戶提供的一種服務，而並不是一種新型局域網。

虛擬局域網枕格式

虛擬局域網協議允許在以太網的幀格式中插入一個4字節的標識符，稱為VLAN 標記(tag)，用來指明發送該幀的工作站屬於哪一個虛擬局域網。

高速以太網

100BASE-T

速率達到或超過100 Mb/s的以太網稱為高速以太網。
在雙絞線上傳送100 Mb/s基帶信號的星型拓撲以太網，仍使用IEEE 802. 3的CSMA/CD協議。100BASE T以太網又稱為快速以太網(Fast Ethernet) 。

特點：

• 可在全雙工方式下工作而無沖突發生。因此，不使用CSMA/CD 協議。MAC幀格式仍然是802.3標准規定的。
• 保持最短幀長不變，但將一個網段的最大電纜長度減小到100 m。幀間時間間隔從原來的9.6 μs改為現在的0. 96 μs。

吉比特以太網

• 允許在1 Gb/s 下全雙工和半雙工兩種方式工作。
• 使用802. 3協議規定的幀格式。
• 在半雙工方式下使用CSMA/CD協議(全雙工方式不需要使用CSMA/CD協議)
• 與10BASE-T和100BASE- T技術向后兼容。
• 當吉比特以太網工作在全雙工方式時(即通信雙方可同時進行發送和接收數據)，不使用載波延伸和分組突發。