计算机网络——数据链路层

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：
（1）点对点信道：这种信道使用一对一的点对点通信方式。
（2）广播信道：这种信道使用一对多的广播通信方式。

链路是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。
一条链路只是一条通路的一个组成部分。

数据链路：除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

解决透明传输：发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)。字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

差错检测：为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。

点对点协议 PPP：用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。

PPP 协议不需要的功能：纠错 ，流量控制 ，序号 ，多点线路 ，半双工或单工链路

PPP 协议有三个组成部分 （1）一个将 IP 数据报封装到链路的方法。（2）链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。（3）网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

PPP协议的帧格式：

标志字段 F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。

地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。

控制字段 C 通常置为 0x03。

PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。

PPP 有一个 2 个字节的协议字段。

当协议字段为 0x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。

若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。

若为 0x8021，则表示这是网络控制数据。

PPP 协议的工作状态

当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。
PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。
这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。
通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

局域网具有如下的一些主要优点：
（1）具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。 
（2）便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
（3）提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

数据链路层的两个子层

逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层
媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。

与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关。在 TCP/IP 体系中，逻辑链路控制子层 LLC的作用已经不大，所以一般不考虑。很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。

CSMA/CD 协议

最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。模型是这样的：

总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。

为了通信的简便 以太网采取了两种重要的措施：（1）采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。（一开始不了解什么是无连接的概念，特意去知乎查了一下，结果发现很多人回复举出的都是有无确认的例子。被坑了很久，直到学到TCP建立的3次握手。。。） （2）以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。

以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

载波监听多点接入/碰撞检测（CSMA/CD）：“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。

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）。每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。

最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

二进制指数类型退避算法：发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。确定基本退避时间，一般是取为争用期 2t。定义重传次数 k ，k <=10，即k = Min[重传次数, 10]。从整数集合[0,1,…, (2k -1)]中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

以太网取 51.2 毫秒 为争用期的长度。对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

最短有效帧长：如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

帧间最小间隔：为 9.6毫秒，相当于 96 bit 的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 毫秒才能再次发送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：立即停止发送数据；再继续发送若干比特的人为干扰信号，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

以太网的 MAC 层

MAC 层的硬件地址：在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址，共48位。

适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。

无效的 MAC 帧有以下几种情况：（1）帧的长度不是整数个字节；（2）用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；（3）数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。 

网桥：在数据链路层扩展局域网。网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口

使用网桥的好处是可以过滤通信量， 扩大了物理范围，提高了可靠性可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。

缺点则是存储转发增加了时延，在MAC 子层并没有流量控制功能，具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。

网桥应当按照以下自学习算法 处理收到的帧和建立转发表

若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A。网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。

例如：