计算机网络-数据链路层

一、数据链路层的三个基本问题

封装成帧、透明传输、差错检测

1、封装成帧（framing）

1. 在一段数据的前后分别添加首部和尾部，就构成了一个帧。
2. 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界
   
3. 当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符：
   • 控制字符SOH（Start Of Header）：放在一帧的最前面表示帧的首部开始
   • 控制字符EOT（End Of Transmission）：表示帧的结束

2、透明传输

1. 当传送的帧由文本文件构成时，数据部分不会出现像SOH或EOT这样的帧定界控制字符，不管是什么字符都可以放在帧中传输过去，这样的传输就是透明传输。
   但当上述帧数据部分由非ASCII码的文件构成时，如果其数据中的某个字节的二进制代码恰好和SOH或EOT一样，数据链路层就会错误地找到帧的边界。如图：
   
2. 解决方法：字节填充（byte stuffing）
   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，在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在数据当中，则在转义字符前面插入一个转义字符ESC，当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除前面的一个。如图：
   

3、差错检测

1. 差错检测的原因：

   • 现实的通信链路不理想
   • 比特错误
     • 误码率：传输过程中，1可能变成0，可能变成1
   • 误码率和信噪比由很大关系

2. 目前在数据链路层广泛使用了循环冗余检测（CRC）的检错技术

3. 循环冗余检验（CRC）
   
   在发送端。先把数据划分为组，假定每组k个比特，现假定带传输的数据M=101001（k=6），CRC运算就是在数据M后面添加提供差错检验的n为冗余码，然后构成一个帧发送出去，一共发送（k+n）位

   • n为冗余码计算
     
     用二进制的模2运算进行2ⁿ乘M的运算，相当于在M后添加n个0，得到的==（k+n）位的数除于收发双方实现商定的长度为（n+1）为的除数P，得出的商是Q==，而余数是R（n位，比P少一位），R即所需要的冗余码

   • 除数P
     用生成多项式P(X)（假定n+1位）
     现广泛使用的多项式P(X)有以下几种：

     • CRC-16=X¹⁶+X¹⁵+X²+1
     • CRC-CCITT=X¹⁶+X¹²+X⁵+1
     • CRC-32=X³²+X²⁶+X²³+X²²+X¹⁶+X¹²+X¹¹+X¹⁰+X⁸+X⁷+X⁵+X⁴+X²+X+1

   • 检测
     在接收端把收到的数据已帧为单位进行CRC检测

     • 把收到的每一个帧处以同样的除数（模2运算）
     • 然后检查得到的余数R
     • 如果传输过程无差错，经过CRC检测得到的余数肯定是0
       1）R=0，则判定这个帧没有错误，接受
       2）R!=0，则判定这个帧有错误，丢弃

   • 例：
     

     • 这种为了进行差错检验添加的冗余码，常称为帧检验序列FCS
     • 加上冗余码后发送的帧是101001001

   • 注

     • 在数据链路层，发送端帧检验序列FCS的生成和接收端的CRC检验都是用硬件完成的，处理迅速，因此并不会延误数据的传输
     • 在数据链路层仅仅使用CRC差错检测技术，则只能对帧的无差错接受。“无差错接受”：凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错。
     • 还是不可靠传输。想要做到“可靠传输”（即发送什么就接收到什么）就必须再加上确认和重传机制

二、CSMA/CD协议

1、背景

​ 最初以太网以总线型拓扑结构为主，多台主机连接到一根总线上，从资源共享的角度来看，只要有一台主机发送数据，总线资源就会被占用，此时，如果其余主机发送数据就会引起相互干扰而无法正常通信，为此以太网采用一种协调工作协议来协调个主句的网络接入称为载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD协议。

2、广播通信方式

• 最初的以太网是将许多主机连接到一根总线上。因为这样的连接方法既简单又可靠。
• 总线的特点：一台主机发送数据时，总线上的所有主机都能检测到。
  

3、CSMA/CD协议

1 多点接入

表示许多主机以多点接入的方式连接在一根总线上

2 载波监听

是指每台主机在发送数据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，一面发生碰撞。

3 碰撞检测（冲突检测）

• 边发送边监听，即适配器边发送数据检测信道上的信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他主机是否也在发送数据
• 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）
• 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。所谓碰撞就是发生了冲突。
• 检测到碰撞后
  • 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来
  • 每一台正在发送数据的主机，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，以免继续浪费网络资源，然后等待一段时间后再次发送
• 碰撞的结果是两个帧都变得无用

4、监听后发送仍然出现碰撞

• 由于电磁波的传播需要时间，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。

5、重要特性

1. 使用CSMA/CD协议时，一台主机不可能同时进行发送和接收（但必须边发送边监听信道）。使用CSMA/CD协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行半双工通信
2. 每个站在发送数据之后的一段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性
3. 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

6、争用期

• 最先发送数据帧的主机，在发送数据帧后至多经过端到端往返时延时间的两倍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称为争用期，又称碰撞窗口
• 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

7、截断二进制指数退避算法

发生碰撞的主机在停止发送数据后，不是等待信道变为空闲后就立即发送数据，而是推迟（退避）一个随机的时间。

• 确定基本退避时间，一般是取为争用期2$\tau$
• 定义重传次数k，k<=10，即k=MIn[重传次数，10]
• 从整数集合[0,1,…,(2^k-1)]中随机地取出一个数，记为r。重传应该退后的时间就是r倍的争用期

8、最短有效帧长

如果在争用期（共发送64字节）没有发生碰撞，那后续就一定不会发生冲突

• 如果发生冲突，就一定是在前64字节之内
• 由于一旦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真唱为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。只要接收到这种无效帧，就立即将其丢弃

9、强化碰撞

当发送数据的主机一旦发生了碰撞

• 立即停止发送数据
• 再继续发送32比特或48比特的认为干扰信号，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞

10、帧间最小间隔

1. 帧间最小间隔为9.6$\mu$s，相当于96bit的发送时间
2. 一台主机在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6$\mu$s才能再次发送数据，这样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

三、虚拟局域网

• 虚拟局域网只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网，利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网VLAN（Virtual LAN）。
• 虚拟局域网VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组成，而这些网段具有某些共同的需求。每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的是属于哪一个VLAN。

1、虚拟局域网的划分的作用

1. 局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息（广播风暴）而引起性能恶化
2. 虚拟局域网是用户于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合，使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。

2、VLAN的划分方法

1 静态VLAN：按端口划分（常用）

• 网管先建立虚拟网，然后分配交换机端口
• 特点：容易配置实施，后期维护麻烦

2 动态VLAN：按MAC地址、IP地址划分

• 通过智能管理软件，利用硬件地址、协议甚至应用来创建动态虚拟网
• 特点：前期工作比较复杂，但用户物理地址移动时，即从一个交换机换到其他的交换机时，VLAN不用重新配置

四、扩展的以太网

目前以太网的扩展主要有三种方法

1、在物理层进行扩展

以太网上主机之间的距离有限

1 一种简单的办法

单个网络的传输距离可以利用光纤和光纤调制解调器进行扩展，再利用集线器将网络进行扩展。由于光纤带来的时延很小，并且带宽很宽，使用这种办法能够很容易地使主机和几公里以外的集线器相连。

2 用多个集线器练成覆盖范围更大的以太网

为了使多个以太网能够互连，可以利用多个集线器的相互连接，构成覆盖范围更大的以太网
碰撞域：由于以太网采用了共享介质传输性质，在同一个以太网局域网中，同时只允许一台主机接入网络

3 多级结构的集线器以太网优势与局限

• 优势：
  • 是原来属于不同以太网上的主机能够进行跨网络的通信
  • 扩大了网络的覆盖的地理范围
• 局限：
  • 碰撞域增大，但总的吞吐量未提高（集线器不允许多个接口同时工作）
  • 如果不同的碰撞域使用不同的以太网技术（如数据率不同），那么久不能使用集线器将他们互连在一起

2、在数据链路层进行扩展

1. 扩展以太网最常用的方法
2. 最初使用的扩展设备叫网桥，它能够根据目的地址对收到的数据帧进行储存和转发。因此具有帧过滤功能，即当网桥收到一个帧时，并不是向所有接口转发此帧，而是先检查该帧的目的地址，再确定将该帧转发到哪一个接口
3. 之后出现了交换式集线器用于取代网桥，交换式集线器又被称为以太网交换机或第二层交换机，后又升级到第三层交换机
4. 用以太网交换机连成覆盖范围更大的以太网

1 以太网交换机

1. 通常有几个到几十个接口，工作在数据链路层
2. 每个接口都直接与主机相连，一般采用全双工通信方式
3. 能同时连通多对接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据
4. 接口配置有存储器，能对到来的数据帧进行缓存
5. 是一种即插即用的设备，其内部的帧交换表（又称地址表）是通过自动学习算法自动建立其起来
6. 采用专用的交叉矩阵或交换结构芯片，数据帧交换数据较快

3、在逻辑层进行扩展（虚拟局域网技术）

• 利用以太网交换机构造虚拟局域网VLAN（Virtual LAN）

虚拟局域网使用的以太网帧格式

1. 在帧中插入一个4字节的标识符，称为VLAN标记，用来指明发送该帧的主机属于哪一个VLAN。
2. 标记字段的长度是4字节插入在以太网MAC帧的源地址字段和类型字段之间

五、高速以太网

1、100BASE-T 以太网

• 典型的100BASE-T以太网是指在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑结构以太网，使用IEEE 802.3 的CSMA/CD协议
• 100BASE-T以太网又称为快速以太网

1 100BASE-T 以太网的特点

1. 工作在全双工方式时就不会发生数据冲突，因而不会采用CSAM/CD协议；但工作在半双工方式下时就需要采用CSMA/CD协议
2. 使用的MAC帧格式符合IEEE 802.3标准
3. 保持64个字节的最短帧长不断，但讲一个网段的最大传输距离减小到100m
4. 帧间的最小间隙从原来的9.6$\mu$s改为0.96$\mu$s

100Mb/s以太网的三种不同的物理层标准

• 100BASE-TX
  • 使用2对UTP 5类线或屏蔽双绞线（STP）
  • 一对用来数据传输，一对用来数据接收
• 100BASE-FX
  • 使用2根光纤，数据发送和接收各用一根
• 100BASE_T4
  • 使用4对非屏蔽双绞线（UTP）3类线或5类线
  • 三队用来进行数据传输，另外一对作为碰撞检测的接收信道

2、吉比特以太网

1 以比特以太网的特点

1. 能够在1Gb/s速率下全双工和半双工工作
2. 数据帧格式符合IEEE 802.3协议
3. 在半双工方式下使用CSMA/CD协议，而在全双工方式下则无需使用CSMA/CD协议
4. 与现有的以太网技术兼容

2 吉比特以太网的物理层

• 1000BASE-T
  • 使用4对 5类线UTP
• 1000BASE-X 基于光纤通道的物理层
  • 1000BASE-SX SX表示短波长
  • 1000BASE-LX LX表示长波长
  • 100BASE-CX CX表示铜线

3 进行碰撞检测的措施

当吉比特以太网工作在半双工方式时，需要进行碰撞检测，一般采用两种方式，载波延伸和分组突发

• 载波延伸。设定最短帧长为64字节，争用期为512字节。当所发送的帧长不足512字节时，用特殊字符将其填充到512字节。接收端收到帧后，删除填充的特殊字符后向高层交付
• 分组突发。主要是为了解决填充特殊字符所造成的开销过大问题。当有多个帧需要发送时，仅对第一个短帧实施“载波延伸”方法，后续的短帧则逐一发送，但相邻间需要保持最小帧间间隙，直至达到1500字节为止
• 当吉比特以太网工作在全双工方式时，不采用载波延伸和分组突发

3、10吉比特以太网

10吉比特以太网把数据传输速率再提高10倍

1 . 10吉比特以太网与10Mb/s，100Mb/s和1Gb/s以太网的帧格式完全相同
2. 10吉比特以太网还保留IEEE 802.3标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级
3. 10吉比特网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用CSMA/CD协议

10吉比特以太网的物理层标准

分为光纤和铜缆

10GBASE-CX4 铜缆，15m，4对双芯同轴电缆
10GBASE-T铜缆，100m，4对6A类UTP双绞线
10GBASE-SR光缆，300m，多模光纤（0.85$\mu$m）
10GBASE-LR光缆，10km，单模光纤（1.3$\mu$m）
10GBASE-ER光缆，40km，单模光纤（1.5$\mu$m）

4、40/100吉比特以太网

• 40/100吉比特网只工作在全双工传输方式
• 仍然保持以太网的帧格式以及IEEE802.3标准规定的以太网最小和最大帧长
  端到端的以太网传输

优点：

1. 技术成熟
2. 兼容性强
3. 适应多种传输媒质
4. 统一的帧格式，简化操作和管理

六、高速以太网应用

基于以太网的光线到户FTTH（Fiber to the home）

• FTTH以光纤作为传输媒质，光纤进入用户家中后通过光网络单元ONU（Optical Network Unit）将光信号转变为电信号
• 下行方向
  • 光线路终端OLT（Optical Line Terminal）把收到的数据发送给光分支器，并以广播方式向所有用户端的ONU发送，ONU只接受发送给自己的数据
• 上行方向
  • 由光分支器汇总来自各个ONU的数据，发往OLT
• 从ONU到用户网络设备采用以太网技术，使用同轴电缆或双绞线作为传输媒体