【《计算机网络（第七版）》学习笔记】三、 数据链路层

3.1 使用点对点的信道的数据链路层

点对点信道：一对一

广播信道 ： 一对多

3.1.1 数据链路和帧

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节点

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。

适配器:用来实现这些协议的硬件和软件。

3.1.2 三个基本问题

数据链路层传递到的是帧

1. 分装成帧

在一段数据的前后分别添加首部和尾部，构成一个帧。

首部尾部一个重要作用就是帧定界。

2. 透明传输

当数据部分出现帧结束符EOT

解决规则

1. 在SOH、EOT前面加转义字符“ESC”。

2. 在转义字符前添加转义字符

3.差错控制

循环冗余检验码（CRC）

该技术只能做到无差错接受

想要实现“可靠从传”就要加上确认和重传机制。

3.2 点对点协议PPP

3.2.1 PPP协议的特点

用户计算机和互联网服务提供商（ISP）进行通信时所使用的数据链路层协议。

设计PPP使需要满足的需求

简单

分装成帧

透明性

多种网络层协议

多种类型链路

差错检测

检测连接状态

最大传送单元

网络层地址协商

数据压缩协商

PPP协议的组成

一个将IP数据包封装到串行链路的方法。

一个用来建立、配置和测试数据链路链接的链路控制协议LCP。

一套网络控制协议NCP。

3.2.2 PPP协议的帧格式

当同步传输时

发送端，只要发现5个连续1，则立即填入一个0

接收端，删除5个连续1后面的一个0

当异步传输时

发送端信息字段的每一个

0x7E

转变成

0x7D, 0x5E

发送端信息字段的每一个

0x7D

转变成

0x7D, 0x5D

发送字段出现控制字符，在前添加

`0x7D

3.2.3 PPP协议的工作状态

3.3 使用广播信道的数据链路层

3.3.1 局域网的数据链路层

局域网

特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

优点：

具有广播功能

便于系统的扩展和逐渐演变

提高了系统的可靠性、可用性和生存性。

拓扑结构

媒体共享技术

静态划分信道

动态媒体接入控制（随机接入、受控接入）

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

适配器的作用

通信适配器(adapter)

连接计算机与局域网

功能：

进行串行/并行转换。

对数据进行缓存。

实现以太网协议。

3.3.2 CSMA/CD 协议

以太网的两个重要措施

采用较为灵活的无连接的工作方式。

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。

使用曼切斯特编码

协议要点

多点接入

载波监听

碰撞检测

争用期

以太网的端到端往返时延

截断二进制指数退避算法

解决一旦发现碰撞，碰撞站要立即停止发送，各自随机时延后重传.的等待时间问题。

最短有效帧长：64字节

以太网的帧间最小间隔：9.6 μs

3.3.3 使用集线器的星形拓扑

3.3.4 以太网的信道利用率

τ

是以太网单程端到端传送时延

T0

是帧的发送时间

3.3.5 以太网的 MAC 层

MAC 层的硬件地址

48 位，全球唯一

MAC帧

3.4 扩展的以太网

3.4.1 在物理层扩展局域网

优点

- 扩大了以太网覆盖的地理范围。

- 计算机能够进行跨系的通信。

缺点

- 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。

- 使用不同以太网技术（如数据率不同）的碰撞域，不能用集线器互连。

3.4.2 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过滤和转发。

以太网交换机

网桥的一种

每个接口都直接与主机相连，一般都工作在全双工方式

交换机能同时连通许多对的接口，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

接口有存储器，能在输出端口繁忙时把帧进行缓存

是一种即插即用设备，内部有一个帧交换表，用于转发和过滤帧

有自学习功能，生成交换表

生成树协议STP

解决兜圈子问题

从“总线结构以太网”到“星形结构以太网”

随着站数增加，总线以太网可靠性下降。

大规模集成电路和专用芯片的发展，使得星形结构的以太网既便宜又可靠。

以太网交换机不共享总线，没有碰撞问题，不使用CSMA/CD，无争用期。

仍采用以太网帧结构。

3.4.3 虚拟局域网

利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网VLAN（Virtual LAN）。

不存在广播风暴

3.5 高速以太网

3.5.1 100BASE-T以太网

在双绞线上传送

100Mbit/s

基带信号的星型拓扑以太网。

3.5.2 吉比特以太网

允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。

3.5.3 10 吉比特以太网和更快的以太网

只使用光纤作为传输媒体。

只工作在全双工方式

端到端的以太网传输

3.5.4 使用高速以太网进行宽带接入

采用以太网接入可实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换