計算機資料鍊路層

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約定：本文是針對于《計算機網絡》第七版（謝希仁）中第三章的知識點總結，不适合單獨看，結合課本或者PPT中的圖檔複習更佳

1. 資料鍊路介紹

• 資料鍊路層信道主要由點對點信道和廣播信道
• 本章介紹有線區域網路中的資料鍊路，沒有無線區域網路
• 鍊路是一條有線或者無線的從一個結點到相鄰結點的一段實體線路
• 資料鍊路 = 實作協定的網絡擴充卡（硬體 + 軟體） + 鍊路
• 幀是資料鍊路層的協定資料單元

三個基本問題

• 封裝成幀
  • IP資料報傳到資料鍊路層會變成幀的資料部分，資料部分前後部分會加上幀首部和幀尾部。其作用是進行幀定界
  • 每一種資料鍊路層都規定了資料部分上限——MTU
• 透明傳輸
  • 防止資料部分出現幀尾部的幀結束符，引入了轉義字元，使其變得透明
• 差錯檢測
  • 資料鍊路層中的協定都有一個字段是為了幀校驗，廣泛使用的是CRC，循環備援校驗
  • 除了資料鍊路層，每一層都有差錯檢測，但是差錯檢測隻保證盡力傳遞，不保證可靠傳遞
  • CRC 是一種常用的檢錯方法，而 FCS 是添加在資料後面的備援碼
  • FCS 可以用 CRC 這種方法得出，但 CRC 并非用來獲得 FCS 的唯一方法

2. PPP

特點

• 主要用于計算機和ISP進行通信時所使用的身份識别
• 在滿足三個基本問題的基礎上，PPP協定還要滿足**簡單、支援多種網絡協定、可以在多種鍊路（串行，并行，同步，異步，電纜，光纜）**等條件

組成

• PPP由三部分組成
  • 一種将IP資料報封裝到串行鍊路的方法
  • 一個用來建立，測試，配置資料鍊路連接配接的鍊路控制協定LCP
  • 一套網絡控制協定NCP
• 協定格式(PPP是面向位元組的，長度都是整數位元組)
  • 首部四個字段，尾部2個字段
  • MTU = 1500
  • F(1) + A(1) + C(1) + 協定(2) + 資料(MTU) + FCS(2) + F (1)
  • F規定為0x7E，表示幀開始或結束
  • A和C沒用
  • 協定表示的是資料中用的協定，可能是IP，LCP，NCP
  • FCS即為CRC的備援碼
• 當PPP使用異步傳輸的時候，轉義字元被定義為0x7D，并使用位元組填充，轉義字元被定為為0x7D，0x5D，7E被定義為0x7D, 0x5E
• 當PPP使用同步傳輸的時候，使用零比特填充，有5個連續的1就填充0
• 同步傳輸和異步傳輸差別

工作狀态

• 首先使用者撥号接入ISP，建立一條實體連接配接
• 使用者向ISP發送一系列鍊路控制協定LCP分組（這些被封裝成了PPP幀），建立LCP連接配接
• 進行身份鑒别
• 通過NCP給新接入的使用者配置設定臨時IP
• 通信完畢後，NCP釋放網絡層連接配接，收回IP
• LCP釋放資料鍊路層連接配接。最後釋放實體層連接配接

3. 以太網中的資料鍊路層

• 區域網路可分為星形網、環形網、總線網
• 區域網路具有廣播功能
• 區域網路中需要用到共享信道
  • 靜态劃分信道：頻分複用等。不會産生沖突，但是這種代價較高
  • 動态媒體接入/多點接入：随機接入和受控接入。随機接入是重點
• 現階段區域網路有兩種标準：IEEE802.3和以太網标準
• 擴充卡
  • 計算機通過擴充卡和外界區域網路進行連接配接，網卡也是一種擴充卡
  • 擴充卡實作的功能既包括資料鍊路層也包括實體層
  • 資料鍊路層的協定基本是由擴充卡實作的
  • 擴充卡可以實作差錯檢驗，并進行串/并行轉換，通過驅動程式和作業系統互動，發送相應資料
  • MAC位址存在擴充卡的ROM中，IP位址存在計算機的存儲器中
• 以太網中不保證可靠傳遞，使用無連接配接和曼徹斯特編碼，曼徹斯特編碼效率低
• 一個站不能同時發送接收，隻能進行半雙工通信，是以CSMA/CD誕生了

CSMA/CD

• 要點：多點接入、載波監聽、碰撞檢測
• 電磁波在1km電纜的傳播時延約為5us
• 步驟：
  • 發送之前，先檢測信道，即“載波監聽”，如果信道在96bit時間内保持空閑，擴充卡就開始發送資訊
  • 如果發送資訊過程中，經過2t之後還沒檢測到碰撞，那麼這次發送就肯定不會發生碰撞。這段時間稱為征用期
  • 如果在征用期内檢測到碰撞，則停止發送資料，并發送人為幹擾信号（32B或48B）來強化碰撞，執行二進制退避算法：基本退避時間是2t，争用期時間是51.2us，重傳時間推後r倍的争用期（r參考書），當重傳16次還不行的話，放棄并向上層報告
• 擴充卡對過去發生的碰撞并無記憶功能
• 為了防止幀很短小于512bit，使得檢測不到該幀的碰撞，是以最小幀應該大于64B，故隻要長度小于64B都是無效幀，應該丢棄

集線器

• 集線器通過雙絞線将多個站點用星形拓撲連到一起，成為一個區域網路
• 集線器工作在實體層，不進行碰撞檢測，它像很多接口的轉發器，單純轉發比特，少量容錯能力和網絡管理能力，不能進行幀緩存
• 集線器中的各站點仍然使用CSMA/CD協定

以太網信道使用率算法

• a = t/T 表明以太網連線長度不能太長，幀長度不能太短
• S = 1/ (1 + a)

MAC

• MAC位址段有兩種：6B和2B（本地管理），IEEE會配置設定前3B
• 第一位元組的最低為為I/G位，決定了單點傳播，多點傳播和廣播
• 第一位元組的倒數第二位是G/L位，決定本地管理和全球管理
• MAC幀格式(以太網V2)
  • 首部3個字段，尾部1個字段
  • 目的位址(6B) + 源位址(6B) + 類型(2) + 資料(MTU) + FCS(4)
  • 目的位址之前還有一個前同步碼全為010101…直到11，其中，前7個位元組是前同步碼，後一個位元組是幀定界符
  • 因為資料幀最小為64B，MTU一般最大為1500，是以MAC幀長度為64-1500B
• IEEE802.3
  • 當類型大于0x0600時，表示類型，小于該值時表示長度，需要在資料字段裝入LLC幀

4. 擴充以太網

從實體層擴充

• 使用光纖和光纖數據機
• 使用多個集線器或者轉發器
• 雖然擴大了以太網的覆寫範圍，且使得不同碰撞域的一台網上的計算機可以跨碰撞域通信
• 但是總的吞吐量并未提高，同時不能連接配接不同資料率的碰撞域

從資料鍊路層

• 這種方法比從實體層擴充更常用，集線器逐漸退出市場
• 最初通過網橋，對MAC位址進行轉發和過濾。之後誕生了一種交換式集線器，也叫交換機
• 交換機是一個多接口的網橋
• 交換機具有自學習的功能，可以進行幀緩存
• 交換機即插即用，用硬體轉發，比用軟體轉發的網橋快很多
• 以太網從總線型過渡到星形

交換機比集線器多了個緩存功能，這就使得通信不再沖突，達到全雙工

交換機分為存儲轉發方式和直通轉發方式

自學習：

• 先查找交換表
• 如果沒有則在交換表中新增這個項目（源位址，進入接口，有效時間），并轉發
• 如果有則更新項目并轉發

為了防止兜圈子，産生了生成樹協定STP

VLAN

• 每一個 VLAN 的幀都有一個明确的辨別符，指明發送這個幀的計算機是屬于哪一個 VLAN
• 插入的辨別符為4位元組
• 目的位址(6B) + 源位址(6B) + 标記(4B) + 類型(2) + 資料(MTU) + FCS(4)

5. 高速以太網

• 快速以太網：100M/s + , 需要擴充卡和集線器/交換機，可全雙工
• 吉比特以太網 ：1G/s + ，可全雙工
  • 為了保證半雙工的64B最小幀長：增加了載波延伸和分組突發功能
• 10吉比特以太網：10G/s + ，隻能全雙工
• 用以太網進行寬帶接入
  • （此處意味着身份鑒别），就要把PPP協定裝到以太網中
  • 可以提供雙向寬帶通信
  • 不需要幀格式轉換

問題

• PPP中哪個字段進行使用者檢驗
• LCP 和 NCP 都屬于網絡層嗎
• 具體的征用期時間51.2可以滿足2t嗎
  • 可以，端到端時延小于25.6us，即端到端小于5km
• 集線器有增強信号的功能嗎
• MAC幀怎麼沒有幀開始和幀結束