计算机网络第三章数据链路层

本文详细解析了数据链路层的三项关键任务:封装成帧确保数据结构清晰,透明传输实现无控制字符干扰,以及差错控制通过CRC和PPP协议降低误码率。讲解了PPP协议、LLC和MAC子层的作用,以及以太网技术如CSMA/CD和交换机的工作原理。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

  • 数据链路层

链路 (link) 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 (data link) 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。

数据链路层协议有三个基本问题是:

  1. 封装成帧

封装成帧 (framing) 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SOH,尾部EOT ,注释ESC

2. 透明传输

3. 差错控制

在一段时间内,传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。

误码率与信噪比有很大的关系。

循环冗余检验 CRC 

例:假定传送数据为M=101001(k=6) 模二运算加法不进位

p=1101则n=3

n位冗余码n=p-1

M/p=q。。。。。R

R就是FCS帧检验序列

可靠传输:NOT(帧丢失、帧重复、帧失序)

PPP 协议有三个组成部分:

(1) 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。

(2) 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。

(3) 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

   

透明传输:将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列 (0x7D, 0x5E)。 

若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列 (0x7D, 0x5D)。

若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符(即数值小于 0x20 的字符),则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节,同时将该字符的编码加以改变。  

零比特填充

PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时,使用同步传输(一连串的比特连续传送)。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。

在发送端,只要发现有 5 个连续 1,则立即填入一个 0。

接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时,就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除。

PPP 协议已不是纯粹的数据链路层的协议,它还包含了物理层和网络层的内容。

 

为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准,IEEE 802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层:

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。

不管采用何种协议的局域网,对 LLC 子层来说都是透明的。

CSMA/CD 含义:载波监听多点接入 / 碰撞检测  (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 。

“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。 

总线上并没有什么“载波”。因此, “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。

“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。

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。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

为什么要进行碰撞检测?

由于电磁波在总线上的传播速率是有限的

半双工通信

  • 先听后发
  • 边听边发
  • 冲突停止
  • 延迟重发

二进制指数类型退避算法

(1) 准备发送。但在发送之前,必须先检测信道。

(2) 检测信道。若检测到信道忙,则应不停地检测,一直等待信道转为空闲。若检测到信道空闲,并在 96 比特时间内信道保持空闲(保证了帧间最小间隔),就发送这个帧。

(3) 检查碰撞。在发送过程中仍不停地检测信道,即网络适配器要边发送边监听。这里只有两种可能性:

①发送成功:在争用期内一直未检测到碰撞。这个帧肯定能够发送成功。发送完毕后,其他什么也不做。然后回到 (1)。

②发送失败:在争用期内检测到碰撞。这时立即停止发送数据,并按规定发送人为干扰信号。适配器接着就执行指数退避算法,等待 r 倍 512 比特时间后,返回到步骤 (2),继续检测信道。但若重传达 16 次仍不能成功,则停止重传而向上报错。

采用双绞线的以太网采用星形拓扑,在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备,叫做集线器 (hub)。

主要特点:(2) 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网,各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议,并共享逻辑上的总线。 

  1. 集线器很像一个多接口的转发器,工作在物理层。

扩展以太网

物理层:使用光纤扩展

用集线器扩展

数据链路层:交换式集线器(交换机)

以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥。

通常都有十几个或更多的接口。

每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连,并且一般都工作在全双工方式。

以太网交换机具有并行性。

能同时连通多对接口,使多对主机能同时通信。

相互通信的主机都是独占传输媒体,无碰撞地传输数据。

以太网交换机是一种即插即用设备,其内部的帧交换表(又称为地址表)是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。

以太网交换机使用了专用的交换结构芯片,用硬件转发,其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多

存储转发方式

把整个数据帧先缓存后再进行处理。

直通 (cut-through) 方式

接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的 MAC 地址决定该帧的转发接口,因而提高了帧的转发速度。

缺点是它不检查差错就直接将帧转发出去,因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站。

IEEE 802.1D 标准制定了一个生成树协议 STP  (Spanning Tree Protocol)。

PPPoE (PPP over Ethernet) 的意思是“在以太网上运行 PPP”,它把 PPP 协议与以太网协议结合起来 —— 将 PPP 帧再封装到以太网中来传输。

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。

 

课后习题:

数据链路层的三个基本问题:封装成帧、透明传输、差错检测为什么都必须加以解决

评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值