数据链路层
数据链路层 | fang
为什么要数据链路层?
- 物理层解决了相邻节点透明传输比特的问题（相邻：两个节点之间只有一段传输介质、透明：不需要考虑传输介质是什么，只要考虑接口）
- 如何在比特流中找到一组数据的开始和结束位置
- 线路上有多个设备的时候比特流应由谁接受
- 比特传输错误怎么办
什么是数据链路
- 链路：结点间的物理通道，无源的物理线路，中间无任何其他的交换节点
- 数据链路：是节点间的逻辑通道，是链路+协议
- 数据链路层：负责通过一条链路从一个节点向物理链路相连的相邻节点传送帧
- 帧：链路层协议数据单元，封装网络层的数据报
抽象思维 强化分层思想
考虑数据链路层时，可以把物理层当做透明的，直接认为是数据链路层之间在传输帧
- 向上：利用物理层提供的位流服务
- 向下：向网络层提供明确的一些服务的接口
数据链路层信道类型
- 点对点信道
- 广播信道
不同信道，不同控制协议
封装成帧
在数据的前后分别添加首部和尾部，构成一个帧，首部和尾部的一个重要作用就是帧定界，中间一块就是数据链路层的最大传送单元 MTU(Maximum Transfer Unit)
只有数据链路层在增加功能的时候是首尾都加
其他层要加功能都只在头加
关键问题：如何标识一个帧的开始？
- 接收方要明确区分比特流中每一帧的开始和结束（帧同步/帧定界）
- 关键：选择何种定界符
成帧的方式：
- 字节计数 每帧第一个数字是帧的长度 无法应对传输中出现错误
- 带字节填充的定界符法
用控制字符（SOH start of header, EOT end of transmission）作为帧定界符
bug：数据中出现控制字符，不过可以用转义字符
转移字符需要加在数据区的【SOH, EOT, 以及转义字符本身】前面
- 带比特填充的定界符法
- 物理层编码违例 用物理层的一些特殊信号
差错控制
误码率 BER(Bit Error Rate)
- 纠错码：用于错误发生比较平凡的信道，如无线链路
- 检错码：用在高可靠、误码率低的信道，如光纤链路
如何理解
使用检错码，则发现错误就要丢掉重发，如果错误概率高，则多次重发会消耗大量资源，故使用纠错码
循环冗余校验(CRC Cyclic Redundancy Check)
这个可以之后再复习一下
注意这样还没有实现可靠传输
使用CRC只能做到无差错接受
每个帧能确保没有问题，但是没有确保每个帧之间的相对位置关系是正确的
要做到可靠传输，还必须加上帧编号、确认和重传等机制
点对点协议 PPP
Point-to-Point Protocol
PPP协议的组成
- 一种将IP数据报封装到同步/异步串行链路的方法
-
链路控制协议LCP(Link Control Protocol)
-
用来建立、配置和测试数据链路的链路控制协议，通信双方可以协商一些选项，最重要的功能之一是身份验证
-
网络控制协议NCP(Network Control Protocol)
-
其中每个协议支持一种不同的网络层协议，如IP, OSI的网络层, DECnet, AppleTalk等
- 首部4个字段
- F: 定界符，标志一个数据包的开始
- A: 地址字段
- C: 控制字段
- A和C没有携带PPP帧的信息
- 协议字段: 标识信息部分的类型，标识当前处在发送数据/建立连接/通信交互阶段，毕竟除了发送真实的数据，也要又测试链路、身份验证、参数协商，他们共用同一种帧格式（初期LCP; 中期NCP; 后期正常通信阶段）
- FCS: 循环冗余校验码
- F: 尾部的定界符
透明传输
什么是透明？
“透明”的意思是：我不关心你发的是什么数据，你随便发，我保证原封不动地给你送过去。
问题出在哪？为什么会不透明？
数据内部会出现标识符
- PPP用在异步传输时，使用字节填充法（即使用转义字符）
- PPP用在同步传输链路时，采用零比特填充法（使用连续6个1作为标识符，然后在数据内部一旦遇到5个1就在后面插入一个0）
使用广播信道的数据链路层
和刚才的点对点的ppp相对应、
- ppp经常用在广域网(WAN)
- 广播则用在局域网(LAN)
局域网的特点
- 具有广播功能，从一个站点可方便地访问全网
- 便于系统的扩展、演变、灵活调整
广域网的拓扑结构：星形网、总线网、环形网
特点：共享同一信道
面临问题
由于共享同一信道，多个站点同时请求会占用信道
解决办法：信道分配
- 静态分配
- 动态分配
静态分配
频分复用、时分复用、波分复用、码分复用
适用于通信量大且流量稳定的情况、用户数量少且用户数目固定
代价高，不适合突发性业务，不适合局域网
动态媒体接入控制
- 随机接入
- 受控接入
以太网
以太网的标准
把数据链路层分成逻辑链路控制LLC子层和媒体接入控制MAC子层
后来LLC逐渐没有，就只留下了MAC，MAC和物理层结合就是网络接口层，（现在很多适配器上就仅装有MAC协议（网卡））
以太网采取的2种重要措施
CSMA/CD 协议 重要重要
有多点接入一根总线
在数据发送前、发送中都监听信道，进行碰撞检测
- 一旦检测到碰撞：立即停止发生，等待一段随机的时间或再次发送
监听只会监听门口的信道有没有数据，没法完全检测整条信道，所以信道可能并非真正空闲
碰撞不发生的最短往返时间
（争用期）
最短帧长...
- 碰撞后什么时候重传：截断二进制指数退避
总结：
- 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）
Note
先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。
使用集线器的星形拓扑
- 传统以太网传输媒体：粗同轴电缆->细同轴电缆->双绞线
- 采用星形拓扑结构
- 星形的中心使用一种可靠性非常高的设备——集线器(hub)
以太网的信道利用率
单程端到端传播时延\(\tao\)，则争用期为\(2\tao\)
假设：帧长\(L(bit)\)，数据发送速率\(C(bit/s)\)，则帧的发送时间\(T_0=L/C(s)\)
流程
首先经过\(2\tao\)的时间抢信道，如果发现冲突则随机等待一段时间后再次尝试，直到抢信道成功
经过\(T_0\)把整个数据帧全部推到信道，同步地会把比特从信道一端传到另一端，传播时延为\(\tao\)
所以占用期为\(T_0 + \tao\)
以太网的信道利用率\(S_{max} = \frac{T_0}{T_0 + \tao} = \frac{1}{1 + a}\)
\(a \rightarrow 0\)，表示基本事件都花在\(T_0=\frac{L发送的数据}{c速率}\)表示已发送碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因此信道利用率很高
-
以太网的a值应当尽可能小
-
以太网长度收到限制，否则\(\tao\)会太大
- 以太网帧长不能太短，否则\(T_0\)会太小
扩展的以太网
就是老师上课讲的switched ethernet
prefill
- 五层模型
- 物理层 4 特性
- 单工 / 半双工 / 全双工
- 基带 vs 调制
- 奈氏、香农
- 复用技术
- 帧、CRC、PPP
- CSMA/CD、争用期、最短帧
- 集线器 vs 交换机
在物理层拓展以太网
网络层眼中：扩展后的网络依旧是一个网络
使用光纤拓展，主机使用光纤连接到集线器
使用集线器拓展
但是这样接口变多，冲突域也更大了
优点：
- 使原本不同冲突域的计算机能够跨碰撞域通信
- 扩大了以太网覆盖的地理位置
缺点：
- 碰撞域增大，总的吞吐量未提高
- 如果使用不同以太网技术，就不能简单地用集线器互联
- 存在安全隐患，仅是在物理层上的拓展
冲突的根源在于共享总线
在数据链路层
使用网桥，现在进化为以太网交换机
网桥的接口变成了全双工了，就解决了之前信道半双工导致的冲突问题
以太网交换机就是一个多接口网桥
每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式
有了交换机，大家不冲突了，之前的CMSA/CD都没用了
以太网交换机的特点
- 接口有存储器
- 即插即用，其内部的帧交换表（又称地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的
- 使用专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多
- 每个接口用户独享带宽，增加了总容量
- 支持多种速率接口
- 支持多类型接口
以太网交换机的自学习功能
收到帧 frame，入端口为 in_port
src = frame.源MAC
dst = frame.目的MAC
第一步：学习源地址
MAC表[src] = in_port
刷新 src 的老化时间
第二步：处理目的地址
如果 dst 是广播地址：
从除了 in_port 以外的所有端口转发
否则如果 dst 不在 MAC 表中：
从除了 in_port 以外的所有端口转发
否则：
out_port = MAC表[dst]
如果 out_port == in_port:
丢弃该帧
否则：
从 out_port 转发该帧
简化版：
-
两台以太网交换机互连
- 会有广播风暴
如何解决交换机形成的环路引发的广播风暴？
消除回路
消除回路：使用生成树协议STP
Spanning Tree Protocol
不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上切断不写链路，消除环路
虚拟局域网 VLAN
虚拟局域网，由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而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，指明发送这个帧的计算机是属于哪一个VLAN
- 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，并不是一种新型的局域网
- 每个VLAN是一个广播域
- 一台主机发出的广播包，只能在VLAN中传播
划分虚拟局域网的方法：
- 基于交换机端口
- 基于计算机网卡的MAC地址
- 基于协议类型
- 基于IP子网地址
- 基于高层应用或服务
高速以太网
数据链路层的最后一点