NET-03链路层

NET-03链路层

3.1 了解了解

使命：将可能出错的物理连接，改造为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路！

• OSI层次结构：

• 链路层 信道类型：

1. 点到点 PPP
2. 广播信道 CSMA/CD

• 链路（link）与数据链路（data link）：

链路	物理线路（光纤…）
数据链路	链路+适配器 -–网卡（上面有协议）

• 帧：

3.2 三个基本问题

• 封装成帧（framing）/组帧

链路层将物理层的比特流，组装成帧的目的是：出错了，可以按帧来重传，不需要全部重传

1. 首部 + 数据 + 尾部 = 帧；
2. 首部/尾部：开始与结束标志（帧定界）

TIPS：

1. MTU：最大传输单元(≦1500bit)
2. 帧开始符：SOH， 帧结束符：EOT
3. 不收的完整的帧，就丢掉

• 透明传输

用字节填充法，解决透明传输问题：中间出现的帧头帧尾前加上转义字符

• 差错控制

1. 误码率（Bit Error Rate）:出错的bit数 / 总bit数
2. 差错检验：

a) 循环冗余检验CRC

模2除法

……

除数有链路层协议定，用户不用关心

FCS：帧检验序列

无差错接受 =》 CRC不纠错：有错误，直接丢掉，要求重传，要做到可靠传输，需要加上确认和重传

CRC是一种无比特差错，而不是无传输差错的检测机制

3.3 PPP协议（Point-to-Point Protocol）

点到点：

拨号电话线接入因特网，需身份验证，可以记账

• PPP帧格式：

• 字节填充：

  数据中出现0x7E：拆成0x7D和0x5E

  出现了0x7D：拆成0x7D和0x5D

  出现ASCII码控制字符（数值小于0x20的字符）：字符前面加一个0x7D（转义）

• 零比特传输（同步传输）：不一定是字节（8的倍数）

  0x7E：0111 1110

  发送端：看到5个连续的1，后面就插个0

  接受端：把连续5个1后面的0去掉

链路层协议，不纠错 -> 不使用序号和确认

• PPP的工作状态：

LCP：链路控制协议（open/closed）：

3.4 以太网特点

局域网（网线连）&广域网（花钱通过运营商 租带宽）

局域网：广播功能，共享局域网上的资源

• 共享通信媒体：

共享通信链路：

<静态 点对点> 频分、时分、波分、码分 -> 现在的网络不适用

<动态 多点接入> 随机接入（以太网）……

• 以太网：

最初：单总线结构，广播，选择接收 =》 不安全

3.5 以太网协议 CSMA/CD

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

多点接入：

许多计算机多点接入一根总线

载波监听：

发数据前，先检测总线上是否有人

• 冲突检测：

网线越长，发现冲突的时间t 越长 => 以太网不超过100m！

• 重要特征：

不能全双工，双向交替通信（半双工）

• 争用期 2τ：(碰撞窗口)

发现冲突最长时间为2τ，所以发完数据后，过了2τ时间后 没冲突，就说明安全了

1. 争用期2τ，通常取51.2μs
2. 10Mb/s 以太网，争用期内可发送512bit，即64B，前64字节为冲突，后面的就不会冲突
3. 最短有效帧长：64B (不够要填充)

• 二进制指数类型退避算法：

两个计算机取一样的r，才会再次冲突，集合逐渐扩大，冲突的概率越来越小

第一次重传：k = Min[1, 10] = 1; 两个计算机分别随机从集合[0, 1=2¹-1]中选一个数作为r，各自的退避时间为r*2τ

• 以太网的两个标准

1.DIX Ethernet V2：世界上第一个局域网（以太网）标准

2.IEEE 802.3：简称“以太网（严格说，以太网是符合V2的局域网）”

（Ethernet V2与802.3差别不大）

• 802.3 以太网与数据链路层的两个子层：

1.逻辑链路控制（LLC：Logical Link Control）子层

2.媒体接入控制（MAC：Medium Access Control）子层

（现在一般只有MAC）

• 以太网提供的服务：

进最大努力的交付（不可靠），差错帧直接丢掉，差错的纠正由高层决定

3.6 以太网设备

3.6.1 集线器（Hub）

星形拓扑：现在很少见，都用交换机了

• 简易版：

-> 现在的都用集成芯片

没有智商，跟网线似的，只管接发数据

一支穿云箭，千军万马来相见

	距离	特点
10BASE-T	<100m
100Base-FX(快速以太网)
100Base-T
100Base-T4

3.7 以太网信道利用率

以太网信道被占用的情况：

发送时间T₀:

信道利用率a: $ a = \frac{\tau}{T_0} $

​

影响因子	以太网要求
τ （争用期/2）↓	网线短↓（以太网网线不能太长）
T0（发送时间）↑	帧长↑（以太网帧长不能太短）

信道利用率的最大值S_max:

理想情况下（没有发生碰撞）-> $S_{max}=\frac{T_0}{T_0+\tau }=\frac{1}{1+a}$

3.8 MAC层

MAC地址：MAC层的硬件地址 -> 全球唯一

• cmd中命令：

• 改通信的MAC地址（告诉别人的）=》 导致有两个MAC地址相同（冲突），都上不了网

3.9 以太网帧格式

适配器（网卡）：从网络接收到一个MAC帧，首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址，是不是自己的，是就收，不是就丢

三种帧：

单播（unicast)帧：1对1

广播（broadcast）帧：1对全体 (全1 0xFFFF FFFF)

多播（multicast）帧：1对多

最常见的MAC帧是 以太网V2的格式

• 无效的MAC帧：

• 帧间的最小距离：

3.10 扩展以太网

网桥和交换机优化以太网

物理上的扩展：用光纤，使以太网距离变远

数量上：将小冲突域合并成大冲突域，如果用集线器（不能超过30太设备）效率低，改用网桥

网桥：有记忆功能（学习）、存储转发功能，记忆住那些设备在哪个冲突域后，以后就分门别类的传信息了

• 透明网桥：

-> 现在网桥用的少，多用交换机：

• 交换机：安全，效率高（点对点通信），动态记忆MAC地址（自学习算法），传递信息排队

TIPS: 一个口带宽10M,24个接口，总带宽24*10=240M =》 端口带宽独享，无冲突 =》 可以全双工

• 生成树算法：

透明网桥使用：生成树算法 -> 防止转发的帧在环中兜圈子

（树没有环）

选择最优的线路，按带宽优先级，排成生成树

3.11 虚拟局域网VLAN

LAN：局域网 [(机器...机器...Hub)...路由器...(Hub...机器...机器)]

虚拟局域网VLAN：交换机（物理上）在一个网段，但实际上，想按逻辑（实际需求）自行划分网段（一个部门一个网段） ~ 类似于栈：为了达到某种目的，进行一些有用的限制

一个交换机上的不同VLAN

跨交换机的VLAN：用网线将交换机连（干道链路/中继端口 ~ 桥），帧上加标记来甄别是哪个VLAN的数据 => 统计时分复用

一个VLAN = 一个广播域 = 逻辑网段（子网）

3.12 高速以太网

高速以太网：速度>= 100Mb/s 的以太网

吉比特以太网：允许在1Gb/s下全双工/半双工两种方式工作

三层交换机：接入层 -> 汇集层 -> 核心层