【圖解TCP/IP 歸納】第三章 資料鍊路

第三章 資料鍊路

3.1 資料鍊路層的作用

• （1）寫在前面：資料鍊路層是OSI參考模型中的東西，其有時也指以太網、無線區域網路等通信手段；而TCP/IP中對于資料鍊路層與實體層均未作定義，一般将其統稱為網絡接口層
• （2）資料鍊路的機關：将0/1序列集合成一個叫“幀”的塊，然後再進行傳輸；而資料鍊路的速度為網絡傳輸的最底層，是以資料鍊路也可以被視為網絡傳輸中的最小機關，是以網際網路也可以被稱為“資料鍊路的集合”
• （3）資料鍊路的段：是指一個被分割的網絡，從網絡層的角度來看，是指從主機（路由器）到主機（路由器）之間；從實體層的角度來看，是從兩個中繼器之間
• （4）網絡拓撲：網絡的連接配接和構成的形态，其有總線型、環型、星型和網狀型等等

3.2 資料鍊路相關技術

• 3.2.1 MAC位址
  • （1）定義：MAC位址長48比特，在使用NIC的情況下，MAC位址一般會燒入到ROM中，保證每一個網卡的MAC位址均不重複

  • （2）結構：（十六進制表示與實際數值有所不同）

    第1位：單點傳播位址（0）/多點傳播位址（1）；

    第2位：全局位址（0）/本地位址（1）；

    第3~24位：由IEEE管理并保證各廠家之間不重複；

    第25~48位：由廠商管理并保證産品之間不重複

    

• 3.2.2 共享媒體網絡
  • （1）定義：多個裝置共享同一個通信媒體的一種網絡，比如最早的以太網和FDDI
  • （2）使用方式：争用方式CSMA和令牌傳遞方式，其中CSMA/CD作為争用方式，要求一旦發生沖突，則盡早釋放信道（先聽後說，邊說邊聽，沖突停止，延時再發）
  • （3）通信方式為半雙工通信，即隻發送或隻接受的通信方式，收發共享同一媒體
• 3.2.3 非共享媒體網絡
  • （1）定義：指網絡不共享媒體，是對媒體采取專用的一種傳輸控制方式
  • （2）通信方式：通信方式為全雙工通信，即當以太網使用交換機與雙絞線電纜時，收發資料時每個站有各自專用的通信媒體
• 3.2.4 根據MAC位址轉發
  • （1）定義：使用交換集線器中的位址轉發表進行轉發，其具有自我學習過程，即自我學習得到對應的哪台電腦對應哪個端口

  • （2）轉發方式：存儲轉發（檢查資料幀末尾的FCS位後再進行轉發）；

    直通轉發（得知目标位址即可開始轉發）

• 3.2.5 環路檢測技術（處理網絡環路）
  • （1）生成樹方式：每個網橋必須在1~10秒内互相交換BPDU包，進而判斷哪些端口使用哪些不使用
  • （2）源路由法：判斷發送資料的源位址是哪個網橋傳輸的，并将幀寫入RIF中
• 3.2.6 VLAN
  • 根據交換機的端口區分多個網段，進而區分了廣播資料的傳播範圍

3.3 以太網（以太網和IEEE802.3以太網）

• 3.3.1 以太網的連接配接形式

  • 最初，一般采用多台終端使用同一根同軸電纜的共享媒體型連接配接方式；

    現在，一般采用終端與交換機之間獨占電纜（非媒體共享的雙絞線）的方式實作以太網通信

• 3.3.2 以太網的分類

  • 所謂的傳輸速度 1 Mbps = 1×10^6 bit/s = 1.25×10^5 B/s = 125 KB/s = 0.125 M/s；

    以太網中以時鐘頻率決定傳輸速度，即：1K = 1000,1M = 1000K，1G = 1000M

• 3.3.3 以太網的曆史
  • 通訊協定的發展：CSMA/CD—FDDI—ATM交換技術
• 3.3.4 以太幀的格式
  • （1）前導碼：前導碼位于以太網幀前端8位元組，最後一個位元組末尾為“11”。以太網定義最後的兩個比特即”11“為SFD，IEEE802.3以太網定義最後的整個位元組為SFD
  • （2）以太網幀本體：以太網首部14位元組（目标MAC位址6位元組，源MAC位址6位元組，上層協定類型2位元組），資料（46~1500位元組），FCS（4位元組）
  • （3）IEEE802.3以太網幀體格式：以太網首部22位元組（目标MAC位址6位元組，源MAC位址6位元組，幀長度2位元組，LLC 2位元組，SNAP 5位元組），資料（46~1492位元組），FCS（4位元組）

  • （4）資料鍊路分層：資料鍊路層分為媒體通路控制層LLC和邏輯鍊路控制層MAC；

    媒體通路控制層根據以太網或FDDI等不同資料鍊路所特有的首部資訊進行控制；（目标與源MAC位址，前導碼，FCS（整個幀除以生成多項式的餘數 CRC循環備援校驗碼算法）等）

    邏輯鍊路控制層則根據以太網或FDDI等不同資料鍊路所共有的幀頭資訊進行控制；（主要是LLC（DSAP 1位元組AA，SSAP 1位元組AA，CTRL 1位元組03）與 SNAP（廠商3位元組，類型2位元組））

    

3.4 無線通信

• 3.4.1 無線通信的種類
  • 無線PAN（藍牙），無線LAN（Wi-Fi），無線MAN（WiMAX），無線RAN，無線WAN（3G，4G）
• 3.4.2 IEEE802.11
  • 其定義了無線LAN協定中實體層與資料鍊路層的一部分，其中MAC層包含了媒體通路控制所使用的CSMA/CA協定（與CSMA/CD相似）

    

3.5 PPP

• 3.5.1 PPP協定定義
  • 指點對點，相當于1對1連接配接計算機的協定，其屬于純粹地位于資料鍊路層，與以太網和FDDI不同（兩者還與實體層有關）。其實體層可以使用ISDN專線、ATM路線等
• 3.5.2 LCP與NCP
  • （1）LCP：屬于PPP中的協定，其不依賴上層，主要負責建立和斷開連接配接、設定最大接收單元（MRU）、設定驗證協定（PAP或CHAP）以及設定是否進行通信品質的監控
  • （2）NCP：屬于PPP中的協定，其依賴上層（當上層為IP時NCP叫做IPCP），其負責IP位址設定以及是否進行TCP/IP首部壓縮等設定
  • （3）PAP和CHAP：屬于LCP中的驗證協定，其中PAP是PPP建立連接配接時，通過兩次握手進行使用者名和密碼驗證（密碼以明文傳輸）；CHAP是使用一次性密碼OTP，可以防止竊聽
• 3.5.3 PPP幀格式
  • （1）格式：标志（1位元組 01111110），位址（1位元組 11111111），控制1位元組（00000011），類型（2位元組），資料（0~1500位元組），FCS（4位元組），标志（1位元組 01111110）

    

  • （2）問題：在發送時，對于連續5個“1”時後面必須插入一個0；而當接收時，連續5個“1”後的“0”則必須删除，而這些插入和删除的操作需要由電腦的CPU自己處理
• 3.5.4 PPPoE
  • 利用PPPoE協定，可以将PPP協定封裝在以太網上，進而實作在以太網上使用PPP協定傳輸

3.6 其他資料鍊路

• 3.6.1 ATM
  • （1）定義：使用一種被稱為信元（5位元組首部加48位元組資料）的機關進行傳輸的資料鍊路
  • （2）特點：面向連接配接的一種資料鍊路，允許在任何時候發送任何資料，而大量資料同時發送會造成收斂狀态（當網絡非常擁堵時，路由器或交換機無法完成包的處理，進而丢棄掉這些包的狀态）（限制帶寬解決）
  • （3）用于同步與異步：多個通信裝置通過同一條電纜相連的情況稱為TDM（時分複用裝置），ATM在TDM的時隙中放入資料時按照資料到達的順序放入（附加5位元組的包首部）

    

  • （4）實際使用：借用上層的AAL（上層為IP時稱為AAL5）。每個IP包被附加各層的協定首部後，最多可分成192個ATM發送出去（中間一旦出錯，全部重發）
• 3.6.2 POS
  • 在SDH上進行包通信的協定，SDH是在光纖上傳輸數字信号的實體層規範
• 3.6.3 FDDI
  • 稱為分布式光纖資料接口，其采用令牌環（追加令牌）環（雙環）的通路方式（易收斂）
• 3.6.4 Token Ring
  • 令牌環網，FDDI為拓展此技術的産物
• 3.6.5 100VG-AnyLAN
  • 擴充了令牌環網需求優先的通路方式
• 3.6.6 光纖通道
  • 實作高速資料通信的資料鍊路
• 3.6.7 其他
  • HIPPI，IEEE1394，HDMI，ISCSL，InfiniBand，DOCSIS，高速PLC

3.7 公共網絡

• 3.7.1 模拟電話線路
  • 将數字信号轉換為模拟信号的調試解調器稱為“貓”
• 3.7.2 移動通信服務
  • 包括手機和小靈通（PHS）
• 3.7.3 ADSL
  • 非對稱數字使用者環路，用來擴充模拟電話線路
• 3.7.4 FTTH
  • 一根高速光纖直接連接配接到使用者家裡或公司建築物，其通過ONU的裝置與計算機相連接配接
• 3.7.5 有線電視
  • 将數字播送或部分模拟播送與數字資訊之間通過一個電纜進行收發轉換（DOCSIS）
• 3.7.6 專線
  • 特定的一對一的連接配接
• 3.7.7 VPN（虛拟專用網絡）

  • （1）IP-VPN（IP層面）：在IP網絡（網際網路）上建立VPN。

    MPLS技術（服務提供商網絡使用）：網絡服務商提供一種在IP網絡上使用MPLS技術（多協定标簽交換，即在IP包中附加一個叫做标簽的資訊）建構VPN服務

    IPsec技術（網際網路中使用）：對VPN通信中的IP包進行驗證和加密，在網際網路上構造一個封閉的私有網絡

  • （2）廣域以太網（服務提供商的資料鍊路層）：在作為資料鍊路層的以太網上利用VLAN（局域虛拟網）實作VPN的技術（也可使用TCP/IP協定），其以企業專門使用服務商提供的VLAN網路為主要形式
• 3.7.8 公共無線LAN
  • 公開使用WiFi等服務，其他的還有X.25、幀中繼以及ISDN等無線通信服務

對應思維導圖