考研—计算机网络—数据链路层

考研—计算机网络—数据链路层

 

数据链路层的功能

 

数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，主要作用是加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层中可能出错的物理连接改造成逻辑上无差错的数据链路。让网络层看来，是一条无差错的链路。

 

为网络层提供服务

1）无确认的无连接服务：源机器发送数据帧时，不建立连接，目的机器收到后也不发回确认，对于丢失的帧不负责重发，交给上层处理。适合实时通信和误码率较低的通信。如以太网。

2）有确认的无连接服务：依旧是不建立连接，但是目的机器收回时，发回确认，在规定时间内目的机器没有收到确认，就重传，提高可靠性。适用于误码率较高的通信，比如无线通信。

3）有确认面向连接服务：帧传输经过三个阶段：建立数据链路、传输帧、释放数据链路。目的机器每收到一帧就发回确认，可靠性、实时性高。

 

链路管理

链路的管理主要对于面向连接服务的管理。

1、两结点要通信前，先确定对方已处于就绪状态

2、交换必要信息进行帧序号初始化

3、建立连接

4、传输过程中维持连接

5、传输结束时释放连接

 

帧定界：在数据链路层中，要将网络层的分组封装成帧，以帧的格式传送。将分组前后加上首部尾部就变成了帧，首部尾部中的控制信息可以确定帧的界限。此所谓帧定界。

 

帧同步：指接收方在收到帧时，应该能根据帧的首部和尾部的特点，从二进制比特流中确定帧的起始和终止。（在HDLC通信规程中，标识位F 01111110来标识帧的开始和结束 ）

 

透明传输：透明传输是针对帧同步中出现的问题， 透明传输就是指不管传输的是什么数据，都不会因为与帧同步中的标识位相同而提前结束传输。

 

流量控制

由于存在收发双方的速度不一致的情况，流量控制就是用来解决速度不一致的问题，实际上就是限制发送方的数据流量，使发送方的数据不会超车。发送方在发送过程中应该能够接收到某种反馈来感知接收方的速度，然后来调整自己的速度。

【注意】流量控制在很多层都有，只是作用对象不一样，数据链路层中的流量控制针对的是相邻两结点之间的数据链路上面的流量。

 

差错控制

由于信道中有噪声，以及各种现实因素的干扰，所以帧在传输过程中会有错误发生。错误通常分为两种：位错和帧错

  位错是指某一位出现了错误，可以用循环冗余校验CRC方式发现位错，通过自动重传请求ARQ方式重传出错的帧。

  帧错是指帧的丢失、重复、失序的错误。在数据链路层引入计数器和编号机制，就可以避免帧错。

 

组帧

数据链路层之所以不像物理层那样用比特直接做单位，而是使用帧，是基于分段的思想，为了实现差错控制时不用把所有数据重新发一遍，并且分段检错更容易一些。所以用帧作为数据单位。所以发送方应该将网络层的分组组成帧。组帧主要解决帧定界、帧同步、透明传输的问题。

 

1）字符计数法

在帧头部使用一个计数字段来标明帧内的字符数，从而就可以确定结束的位置了。（字符数中包含计数字段本身的一个字节）

特点：这种方法的问题在于对错误非常敏感，一旦头部的计数字段出了问题，收发双发将失去同步，后面的数据应该全部错误。

2）字符填充的首尾定界符法

使用特殊的字符来标识一帧的开始和结束，为了实现透明传输，数据链路层应该首先对网络层的数据进行处理，把信息位中出现的特殊字符前面加一个转义字符DLE，然后再组帧传输。接收方收到帧后，遇到转义字符就知道如何还原了。

3）比特填充的首尾标志法

比特填充法允许数据帧包含任意个数的比特，也允许每个字符的编码包含任意个比特数。它使用一个特殊的比特串来表示帧的开始和结束。即01111110来表示。为了不让信息位中错误识别成特殊位，要把信息位进行填充处理，每遇到连续的5个1就在后面填充一个0，接收方再逆操作。

特点：硬件上比字符填充更易于实现，性能优于字符填充。

4）违规编码法

物理层中的比特编码通常采用违规编码法，例如曼彻斯特编码方法中，将高低看作0 底高看做1 那么高高和低低就是违规的。违规就表示没有采用，那么可以在帧的起始和结束的时候使用违规的编码来区分，这样不需要填充就能实现透明传输。局域网IEEE802标准就使用了这种方法。

特点：只适用于采用冗余编码的特殊编码环境。现在常用的方法就是比特填充和违规编码两种方法。

 

差错控制

  

  差错的原因都是噪声引起的，噪声有两类，一种是信道固有的随机热噪声，是可以通过提高信噪比来避免的，但是另一种是由于外界短暂原因造成的冲击噪声，是无法避免的。

  通常利用编码技术进行差错控制,自动重传请求ARQ和前向纠错FEC。ARQ是发现错误后，自动请求重续传输错误帧，FEC不仅能发现差错，还能确认错的二进制位，可以纠正。因此差错控制可以分为检错编码和纠错编码

 

1）检错编码1、奇偶校验码2、循环冗余码CRC

2）纠错编码：海明码

 

流量控制

流量控制主要是对发送方的速度控制，这里主要涉及到如何将接收方的速度信息很好的反馈给发送方。常见的方式有两种：停止等待协议和滑动窗口协议

1）停止等待协议基本原理

发送方每发送一帧，都要等待接收方的应答信号，之后才能发生下一帧。弱智方法，效率很低。

2）滑动窗口协议基本原理

发生方有一个发送窗口，窗口内的帧都是可以发送的，窗口外的帧是不能发送的，当发送窗口中的帧发送完时，就停止发送。当接收方返回一个确认帧时，发送窗口就像前移动一个。其本质就是停止等待协议中加了一些缓冲空间。

【简而言之】从滑动窗口的角度来看，后面的所有流量控制算法之间的区别只是窗口大小不同罢了。

【ps】在数据链路层中，窗口的大小是固定的。接收窗口为1时，可以保证帧的有序传输。

3）可靠传输机制

数据链路层中的可靠机制主要依靠确认和超时重传来实现。发送方在发送一个数据帧后，会有一个计数器，计时，在有限时间范围内如果没有收到确认就重新发，直到收到为止。

自动重传请求和窗口滑动机制结合，就有三种方式：停等式ARQ、后退N帧ARQ、选择性重发ARQ。后两种都是窗口与重传的结合。

 

单帧滑动窗口（停止等待协议）

停止等待协议本质上就是发送窗口和接收窗口都为1的单帧滑动窗口。

在停止等待协议中，一共有三种错误的可能：

1）数据帧丢失：重传就好了

2）数据帧错误：源站装备计时器，接收方收到错误的帧时，丢弃，源站利用计时器，超时重传。

3）确认帧错误：数据没错，但是接收方返回的确认帧错误了，源站重发，接收方重复后丢弃并重发确认帧。

模拟停止等待协议的收发过程：

设发送的帧交替用0和1表示，肯定确认用ACK0和ACK1表示

发送结点：

1、从主机取一个数据帧，送到发送缓存

2、设置发送状态变量V（Ｓ），并初始化为0

3、将发送状态变量赋值给发送序号N（S）

4、将缓存区中的数据帧发出去（缓存区中的副本直到收到确认帧才删除）

5、超时计数器开始计时。

6、等待

7、在没有超时的时间范围内：

若收到确认帧ASKn，若n==1-V（S），则说明收到确认，从主机取一个新的数据帧，放入缓存，然后执行V(S)=1-V(S)，更新发送状态变量，转到第4步。若n不等于1-V（S），那就丢弃这个确认帧，说明数据帧没有收到，转到第6步。

8、超时后，转到第4步。

接收结点：

1、初始化接收状态变量，其值应等于将要接收的数据帧的序号。

2、等待

3、收到一个数据帧后，检查有无错误。如果有错误，丢弃数据帧，转2.否则继续

4、若收到的数据帧序号和接收状态变量一致，则继续，否则丢弃此数据帧，转到7.

5、将收到的数据帧的数据部分送交主机

6、更新V（R）

7、发送确认帧ACKn并转到2 n=V（R）

 

信道效率：也称为信道利用率，指发送方在一个发送周期内，有效发送数据的时间占整个发送周期的时间的比率。（发送周期是从发出去到接收到确认帧）

信道吞吐率=信道利用率✖️发送方的发送速率

 

介质访问控制

 

介质访问控制所要完成的主要任务是为使用介质的每个结点来隔离来自同一信道其他结点传送的信号。用来决定广播信道分配的协议属于数据链路层中的介质访问控制子层。

常用的介质访问控制方法有：信道划分介质访问控制（静态）、随机访问介质访问控制（动态）、轮询访问介质访问控制（动态）。

 

信道划分介质访问控制

信道划分介质访问控制将使用介质的每个设备与来自同一通信信道上的其他设备的通行隔离开，把时域和频域合理分配给网上的设备。

信道划分的实现方法主要是多路复用技术，以分时、分频、分码的角度来把一条广播信道划分成逻辑上的多个用于两结点之间的子信道。实际上也把广播信道转变为点对点信道。

1）频分多路复用FDM

将基带信号调制到不同的频率载波上，再进行叠加的技术。将物理信道划分成多个比单个传输信号略宽的子信道。每个子信道传输一种信号。子信道的宽带的总和不能超过总带宽。

特点：系统利用率较高，充分利用传输介质的带宽。技术也比较成熟。

2）时分多路复用TDM

TDM就是将一条物理信道按时间分成若干个时间片，轮流地分配给多个信号使用。这样利用每个信号在时间上的交叉，就可以一条物理信道传输多个信号。

3）波分多路复用WDM

波分多路复用是光的频分复用。在一根光纤中传输多种不同波长的的光信号。波长就是光的频率。

4）码分多路复用CDM

CDM是依靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。CDM不用分开频域或者时域。即共享了空间也共享了时间。

码分多址CDMA是码分复用的一种方式，其原理是用一种码表示1，用其反码表示0，那么多个站点同时发送时，要求各个站点的码是正交的。就把码当作向量的话，这些码都是互相正交。然后在同时传播时，就线性叠加起来后，通过规格化内积（线性代数中的内容）得到原始信号。

特点：频谱利用率高，抗干扰能力强，保密性强，主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统。

 

随机访问介质控制

在随机访问协议中，不使用集中控制方式发送信息，用户想发信息就发信息，占用信道全部速率。这种方式，就很有可能产生碰撞。所以需要一些规则来解决碰撞的情况，这就是随机访问控制协议：常用的协议ALOHA协议、CSMA协议、CSMA/CD协议、CSMA/CA协议。核心思想都是：胜利者通过争用信道，从而获得信息的发送权。此种方式下，各结点之间的通信，既不共享时间，也不共享空间。所以随机介质访问控制实质上是一种将广播信道转化为点到点的信道。

1）ALOHA协议

 ALOHA协议分为纯ALOHA和时隙ALOHA两种。

纯ALOHA的基本思想是任何一个站点需要发送数据的时候，可以不进行不任何检测就发送数据。如果一段时间没有收到确认，就等待一段随机长度的时间重新发送数据。但是纯ALOHA协议吞吐量很低，所以有了改进版时隙ALOHA，把所有各站在时间上同步起来，并将时间划分为一段段等长的长度。规定只能在每个时隙的开始的时候才能发送帧，从而提高吞吐量。大约是纯ALOHA的一倍。

【总而言之】纯A思想是任意发送，碰撞等待随机一段时间。改进版时A的思想是，把时间划分为等长的时间间隙。只能在时间开始的时候才能发送。有效的减少了碰撞。

2）CSMA协议

载波侦听多路访问协议。相比于ALOHA协议上，多加了一个载波侦听装置。根据侦听的策略，CSMA又分三种方式：

1、1-坚持CSMA

内容：发送数据要侦听信道，闲则发送，忙则等待，继续监听，直到空闲发出。

特点：如果双方同时侦听到闲，就会同时发送，产生碰撞。

2、非坚持 CSMA

内容：发送数据要侦听信道，闲则发送，忙则等待一个随机的一段时间后再重新发。

特点：避免了碰撞，但是增加了平均延迟时间。

3、p-坚持 CSMA

内容：用于时分信道，发送数据时侦听信道，忙则等待到下一个时隙，闲则以p概率发出去，以1-p的概率推迟到下一个时隙。

特点：这是两种方法的折中。

3）CSMA/ＣD

载波侦听多路访问/碰撞检测，这是CSMA的改进方案。适用于总线型网络或半双工网络。增加了碰撞检测功能，碰撞检测就是边发送边侦听，即检测信道上信号电压变化，来判断自己在发送数据时其他站点是否也在发送数据。其主要思想总结为，先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发。当碰撞检测检测到异常的电压信号，就停止传输它的帧，并发送一个48比特的拥塞信号。在中止以后使用截断二进制指数退避算法返回。

特点：载波帧听的方法对传播时延敏感，因为发送站需要在发送帧发送完之间就收到碰撞的反馈信号。所以为了确保发送站在发送数据的同时能检测到可能存在的冲突，所以设计了一个最小帧长=总线传播时延*数据传输速率*2 。所以用了CSMA/CD的以太网必须规定最小帧长，并且只能用于半双工通信。

【补充】二进制指数退避算法

当发生碰撞的时候，通过这个算法来确定接下来该如何操作决定。

1、确定基本退避时间，退避时间一般取两倍的总线端到端传播时延（两倍是因为来回，这就是争用期）

2、定义参数k=min[k,10],即k取值为重传次数，但是不能超过10次。

3、从离散的整数集合【0，1，2，，，2^k-1】中随机取一个数r，下次重传等待时间就是r倍的基本退避时间。

4、当重传到第16次仍然失败，则放弃发送。

二进制指数退避算法也称为动态退避算法。可以减少发生碰撞的概率。

4）CSMA/CA

CSMA/CD已经成功应用在使用有线连接的局域网，但在无线局域网的环境下，却不能直接用CSMA/CD，因为在无线的环境下，很难直接使用碰撞检测。原因有二，一个是无线环境下信号强度的衰减，另一个是在无线通信中，并非所有站点都能听见对方。

为此，802.11标准定义了广泛应用于无线局域网的CSMA/CA协议，把碰撞检测的内容修改成了碰撞避免。

CSMA/CA使用二进制指数退避算法，当信道刚刚变为闲态时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个时间间隔，并且都要进行退避算法，这样减少了发生碰撞的概率。只有信道是空闲的时候，并且这个数据帧是要发送的第一个时，才不使用退避算法。

CSMA/CA除了使用退避算法，还使用以下三种方法：

1、预约信道：发送方在发送数据时，向其他站点广播自己传输数据所需要的时间。避免碰撞

2、ACK帧：ACK帧其实就是接收方给发送方发的确认帧。

3、RTS/CTS帧：是可选的碰撞避免机制，主要用于解决无线网中的隐蔽站的问题。

 

CSMA/CD（有线）和CSMA/CA（无线）的比较

1、有线可以检测冲突不能避免冲突

   无线只能尽量避免冲突

2、有线使用总线式以太网

   无线用于无线局域网

3、有线中通过检测电压变化

   无线中使用能量检测、载波检测、能量载波混合检测信道空闲的三种方式

4、在结点出有无冲突，不意味着接收结点就有无冲突。

【总而言之】CD有线就是边发边听，碰撞就停止。CA无线是告知其他结点别和我撞哈。

 

轮询访问介质访问控制：令牌传递协议

主要用于令牌局域网中，在局域网中，有一个令牌在游荡，只有你拿到令牌时，你才能发送信息，否则只能等待。设备的物理连线不一定是一个环，但是设备逻辑上必须是一个环。

【总结】本质上，介质访问控制层的功能就是实现多个站点如何共享信道的。

 

局域网

 

局域网的基本概念

局域网是在一个较小的地理范围内，将各种计算机、外部设备、数据库系统等通过双绞线、同轴电缆连接起来。组成资源和信息共享的计算机互联网络。

主要特点有：

1、为一个单位所有，地理范围和站点数量有限。

2、共享较高的总带宽

3、较低的时延和较低的误码率。

4、各站平等，没有主从

5、广播和组播能力。

局域网的三个要素，拓扑结构、传输介质、介质访问控制方式（最重要）。

常见的拓扑结构：星形结构、环形结构、总线型结构、复合型结构

常见的传输介质：双绞线（主流）、同轴电缆、光纤

常见的介质访问控制：CSMA/CD（总线型）、令牌总系（总线型）、令牌环（环形）

局域网的体系结构

1、以太网：目前使用最广泛的局域网，逻辑拓扑是总线型结构，物理拓扑是星形结构。

2、令牌环：IEEE802.5，逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是星形

3、FDDI：光纤分布数字接口，IEEE802.8，逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是双环结构

IEEE802标准定义了局域网的数据链路层和物理层，将数据链路层拆成了两个子层：逻辑链路控制LLC子层和媒体接入控制MAC子层。
MAC子层负责传输媒体有关的内容，向上层屏蔽物理层访问的各种差异。提供对物理层的统一访问接口。主要功能有组帧、拆卸帧、比特传输差错检测、透明传输。

LLC子层与传输媒体无关，向网络层提供无确认无连接、面向连接、带确认连接、高速传送四种不同的连接服务。

【ps】以太网在局域网处于垄断地位，802委员会制定的LLC子层已经失去意义。

 

以太网与IEEE802.3

 

IEEE802.3标准是一种基带总线型的局域网标准。描叙物理层和数据链路层的MAC子层的实现方法。

以太网逻辑上采用总线型拓扑结构，以太网中所有计算机共享一根总线，信息以广播方式发送。使用了CSMA/CD介质控制。以太网中采用两项措施来简化通信：采用无连接的工作方式。不对发送的数据帧编号，也不要求对方确认，以太网提供的是不可靠的服务，差错控制由高层完成。

1）以太网的传输介质与网卡

以太网常用的传输介质有四种：粗缆、细缆、双绞线、光纤。以太网中的编码都是曼彻斯特编码。

粗缆：10BASE5 总线型 最多100结点

细缆：10BASE3 总线型 最多30结点

非屏蔽双绞线：10BASE-T 星形 最多结点2         ⬅️需要记忆

光纤对：10BASE-FL 点对点 2个结点

【注意】星形网中心使用的是集线器，使用集线器的以太网在逻辑上仍然是一个总线网。

网卡（网络适配器）

1、计算机要与外界局域网连接是通过主机箱内插入一块网卡。

2、网卡上是有处理器和存储器的，是工作在数据链路层的工作组件。

3、网卡是局域网连接计算机和传输介质的接口。

4、网卡可以实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配

5、网卡的功能还涉及帧的发送与接收、帧的封装和拆封、介质访问控制、数据的编码与解码、数据缓存等

6、全世界每个网卡出厂时都有唯一的代码，称为介质访问控制地址，也叫MAC地址。

7、网卡的MAC地址用于控制主机网络通信，数据链路层设备都用他。

8、网卡面向比特，所以网卡也工作在物理层。

 

2）以太网的MAC帧

MAC地址：每一块网卡都有一个独一无二的地址，称为MAC地址，也称物理地址。MAC地址长6字节即48位。高24位为厂商代码，低24位为厂商自行分配的网卡序列号。

以太网MAC帧格式：

前导码（8B）：使接收端和发送端时钟同步。一共8个字节，前7个字节是用来实现MAC帧的比特同步。第8个字节是帧开始定界符。（因为各帧之间有间隙，所以不需要帧结束符）

目的地址（6B）：用来存储目的地的MAC地址。

类型（2B）：指出数据域中的数据交给哪个协议实体。

数据（46-1500B）：数据部分就是高层给数据链路层的东西。由于CSMA/CD算法的限制，存在最小帧长度，在以太网中最小长度为64B，除去MAC帧其他的部分，数据部分最小长度为46B。如果长度不足46B，就加以填充。

校验码FCS（4B）：校验范围从目的地址到数据段的末尾，采用32位循环冗余码。除了前导码，都要检查。

 

3）高速以太网

速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网。

1、100BASE-T以太网

是在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星形拓扑结构以太网，使用CSMA/CD协议。该以太网即支持全双工也支持半双工。注意全双工不使用CSMA/CD协议。主要是将网段中的最大电缆长度降低到100m，帧间时间间隔从原来的9.6到0.96.

2、吉比特以太网

又称千兆以太网。允许在1Gb/s下使用全双工和半双工。使用802.3帧格式。半双工下使用CSMA/CD。

3、10吉比特以太网

与上述以太网的帧格式完全相同。使用光纤作为传输媒体。只能工作在全双工下。

【简而言之】10倍的速度在增长，100兆通过降低网段长度，10gb使用光纤。

以太网的高速发展足以说明，以太网的可扩展性，灵活性，易于安装。

 

IEEE802.11

  IEEE802.11是无线局域网的一系列协议标准（区别于802.3是有线的），制定了MAC层协议。不仅实现了基础的协调访问问题，标准还进行错误控制以及克服通道固有的不可靠性，适宜的寻址、关联规程以处理站的可携带性和移动性。允许用户在移动时还可以通信。

  802.11的MAC层使用的是CSMA/CA协议进行介质访问控制。结点在发送之前要侦听信道，如果信道空闲，结点可以发送帧，发送站在发送完一帧之后，必须等待一个短的时间间隔。检查是否收到ACK确认帧。

无线局域网分为两大类：第一类是有固定基础设施；第二类是无基础设施的

1）有固定基础设施无限局域网

  802.11标准规定无线局域网的最小构建是基本服务集BSS。一个BSS包括一个基站和若干个移动站。所有的站在本BSS以内都可以直接通信，如果和站外通信，需要经过本BSS的基站。基站也称为接入点。其作用像网桥一般。

  基本服务集既可以是孤立的，也可以通过接入点AP连接到一个主干分配系统，然后就可以通过这个主干分配系统连接其他的基本服务集，这样就形成了扩展的服务集ESS。ESS还可以通过门桥的设备为无线用户提供其他标准的网络，比如有线网络。

【简而言之】一个基站可以辐射一小片，基站为身边的移动站服务。基站可以通过主干分配系统连接其他的基站，这样就可以形成一个扩展集，就可以辐射更大的范围。然后整个无线网络还可以通过门桥连接其他标准的网络。

2)无固定基础设施的无线局域网自组织网络

  自组织网络通过一些平等的移动站相互通信组成的临时网络。各结点之间地位平等，每个移动站都可以当作中间结点来转发结点。属于自治网络，没有连接到大的因特网上。

 

 

令牌环网的基本原理

令牌环网络的每台主机通过电缆与环接口干线耦合器TCU相连接。

TCU主要作用是1、传递所有经过的帧.2、为接入站发送和接收数据提供接口。

TCU有两个状态，收听状态和发送状态。数据总是从一个特定的方向，从一个TCU到下一个TCU。

令牌环网中的关键要素就是令牌，令牌本质上就是一个MAC控制帧，只能用来控制信道。可以确保在同一时刻，只有一个主机在使用信道。令牌顺序的在环形线路上游荡，所以既不会发生碰撞，也让各个主机之间公平。

具体过程如下：

1、当信道空闲时，令牌在环路中游荡。

2、当令牌传递到有数据要发送的站点处时，该站点就修改令牌中的一个标志位。然后主机把数据放在令牌中，令牌就变成一个数据帧。

3、令牌带着数据沿着环路继续跑，途中的主机如果看到目的地址和自己要发的一样，就一起捎带过去了。

4、数据帧最后会到达目的地，目的地会拿走数据。

5、直到数据帧重新回到源站点的时候，如果源站点检查出错，则重新传，如果没错，就不再转发这个数据帧，由源站点生成一个令牌。

令牌环网络在物理上是星形的，但逻辑上的环形的。其标准是802.5

 

广域网

 

广域网的基本概念

  广域网就是覆盖范围非常广的长距离网络。广域网是因特网的核心部分，其任务是通过长距离运送主机所发送的数据。可以说，广域网直接服务的是局域网，而不是用户。广域网的链路又长又快，所以对于广域网首要问题是通信容量足够大。

  广域网不是互联网，互联网可以连接不同的网络类型，当广域网连接上局域网时，就成为了互联网。通过广域网，一个局域网就可以与非常远的另一个局域网通信。

  广域网由结点交换机和连接这些交换机的链路组成。结点交换机具有存储转发的功能。结点交换机之间是点对点连接的。（结点交换机与路由器类似，但是结点交换机在单个网络中转发分组，路由器实在多个网络构成的互联网中转发分组）

  层次上，广域网的协议主要在网络层，局域网主要在数据链路层。因为广域网之间的结点交换数据所使用的控制信息是网路层的，所以才这样说。

  广域网涉及网络层、数据链路层、物理层，而局域网只涉及数据链路层和物理层。

广域网中的协议

1）PPP协议

PPP协议，也称点对点协议。是使用串行线路通信的面向字节的协议。用于两个直接连接的结点。设计目的是通过电话拨号或专线的方式建立点对点的简单连接。连接各种主机、网桥、路由器。

PPP有三个组成部分：

1、链路控制协议LCP：用于建立、配置、测试、管理数据链路

2、网络控制协议NCP：NCP用于为不同的网络层协议之间建立和配置逻辑链接。

3、将IP数据报封装到串行链路的方法：PPP帧中的信息部分就是上层的IP数据报。

PPP帧格式：

1、标志字段（1B）：为7E（01111110）

2、地址字段（1B）：规定为FF

3、控制字段（1B）：规定为0x03

4、协议段（2B）：商定用的什么协议。

5、信息部分（0-1500B）

6、FCS校验位（2B）：检验地址字段、控制字段、协议段、信息字段。

6、帧结尾标示（1B）：为7E（01111110）

PPP链路过程：当线路处于静止状态时，在物理层是无连接的，当线路检测到有载波信号时，建立物理连接，线路开始建立。LCP开始商定，商定成功后验证双方身份，成功后进入网络状态，用NCP配置网络层，配置成功后，顺利打开，传输数据。传输完成后线路转为终止状态，载波停止后，回归静止。

【简而言之】PPP链路主要先通过LCP建立配置好后进入网络，接着用NCP配置好网络层后，就可以使用了。

【注意】1、PPP提供差错检查，不支持纠错，所以依旧是不可靠的。

        2、PPP仅仅支持点对点

        3、PPP只支持全双工

        4、PPP能兼容不同的网络层

        5、PPP面向字节，这点与HDLC协议不同。

 

2）HDLC协议

高级数据链路控制协议是面向比特的数据链路层协议。

该协议不依赖任何一种字符编码集；

数据报文可以进行透明传输，用于实现透明传输的0比特插入法由硬件实现；

全双工通信，传输速率较高；

所有帧采用CRC检验，对信息帧编号，是可靠性传输；

传输控制功能与处理功能分离；

HDLC可用于链路的两种基本配置：非平衡配置和平衡配置。非平衡配置特点是一个主站控制整个链路的工作；平衡配置的特点是链路两端的两个站都是复合站，复合站双方平等。

1、站

HDLC有三种站，主站、从站、复合站。主站负责链路控制，发命令帧，从站负责受命于主站，发出响应帧。复合站就是主站和从站的合体。既可以发命令帧也可以发响应帧。

2、数据操作方式

HDLC有三种数据操作方式

1」正常响应方式：主站向从站传数据，从站进行响应传输，从站不可以擅自传输。

2」异步平衡方式：平衡方式

3」异步响应方式：在这种方式下，从站在没有接到主站的允许下就可以进行传输。

3、HDLC帧结构（面向比特）：

1」标志F（8bit）：7E 不解释

2」地址A（8bit）：非平衡中是从站地址。平衡中是应答站地址。

3』控制字段C（8bit）：最复杂的字段。根据前两位的不同，可将HDLC帧划分为3种：

1x信息帧（传输数据）、10监督帧（差错控制流量控制）、11无编号帧（用于建立链路拆除链路）

4」信息部分

5」帧检验序列（16bit）

6」结尾标志F（8bit）：7E

 

HDLC与PPP的一些不同：

1、PPP面向字节；HDLC面向比特

2、PPP帧比HDLC多了个协议字段。

3、PPP不可靠；HDLC可靠。

 

数据链路层设备（网桥和交换机）

1）网桥

网桥工作在MAC子层之中，负责连接以太网，这里的以太网称为网段；

网桥可以隔离碰撞，这点与集线器很不同；

网桥处理的对象是帧。（中继器和放大器对象是信号，所以工作在物理层）

网桥具备寻址和路径选择的能力，以确定帧传输的方向。

网桥具有存储转发的功能，可以进行协议转换。

网桥可以通过执行帧翻译来互联不同类型的局域网

网桥的优点：1、过滤通信量.2、扩大了物理范围。3、可使用不同的物理层。4、可以互联不同类型的局域网。5、提高了可靠性。6、性能得到改善。

网桥的缺点：1、增加了时延。2、MAC子层没有流量控制功能。3、不同的MAC子层的网段桥接在一起，帧格式需要转换。4、网桥只适合用户数不多的和通信量不大的局域网。

1）透明网桥

透明网桥使用简单粗暴的方式，接收它连接的所有网段发来的每一帧，到达帧的路由选择过程取决于源网段和目的网段。透明网桥在帧来时，执行三种不同的操作：

1、如果目的地址和原地址相同，就丢弃

2、如果转发表中有路径，就按照路径转发

3、如果转发表中没有路径，就广播出去。

透明网桥的转发表是自学习生成的，即不是人工配置的，是经过长时间的使用，逐渐建立的。学习过程是这样的，网桥每接收一帧，就记录下来源地址和进入的端口，作为转发表中的一条。网桥认为可以通过这个原地址和端口发过来，就一定可以原路发回去。这样的积累，建立起了转发表。为了不让帧在兜圈子，网桥建立的转发表使用的是最小生成树算法，使整个扩展局域网是一种树形结构，不会成环。

2）源路由网桥

在源路由网桥中，路由选择由发送数据帧的源站点负责。网桥只负责根据真正的路由信息对帧进行接收和转发。源站通过广播发现帧，所有的网桥都要转发发现帧。目的站接收一次就应答一次。每个应答的帧原路返回。源站点从这么多应答帧中，选择出最佳路由。

由于发送帧可能会指数级增长，可能会让网络严重拥塞

3）两种网桥的比较

源路由是最佳路由，透明一般不是。源路由可以负载均衡，透明不行。

 

局域网交换机及其工作原理

1）局域网交换机

桥接器的主要限制是，任一时刻通常只能执行一个帧的转发，所以出现了局域网交换机，也叫以太网交换机。本质上，以太网交换机就是一个多端口的网桥。工作在数据链路层。

交换机可以经济的将网络分成小的冲突域，为每个工作站提供更高的带宽

交换机对工作站是透明的，这样管理廉价

利用以台湾交换机还可以实现虚拟局域网，不仅隔离冲突域，还能隔离广播域

2）原理

检测从以太端口来的数据帧的源和目的地址的MAC地址，然后根据系统内部的动态查找表比较。若数据帧的MAC地址不在查找表，就把他加入查找表，然后发到相应的目的端口。

3）特点

以太网交换机直接与主机相连，网桥是连接到网段。

交换机工作在全双工下

交换机可以同时连通多对端口，使每一对相互通信的主机可以独占通信媒体，没有碰撞。

交换机即插即用，方便。

交换机使用了专用的交换结构的芯片，其交换速率很快

交换机独占传输媒体带宽

4）分类

直通式交换机：比较傻瓜，缺乏安全性和智能型，不支持不同速率的端口的交换

存储转发式：比较智能，可以检测错误，可靠性高，支持不同速率端口交换。但是时延比较大。