第三章 数据链路层

1. 为什么要构建“数据链路层”

• 由于物理层传输介质多样性，通信规则也各不相同，性能不稳定，而数据链路层中构建的“逻辑链路”是不考虑物理链路上传输介质及其通信规程上的区别的，只是从逻辑意义上构建一条性能稳定，不受传输介质类型影响的逻辑数据传输通道
• 物理层的数据是一位位单独传输的，不仅数据传输效率低下，而且容易出现数据传输差错，而数据链路层的数据是以帧为单位传输的，一个帧通常有数千比特位，不仅传输效率高，还不容易出错。

 2. 数据链路层的功能

• 数据链路管理：链路建立；链路保持；链路释放
• 封装成帧：将来自网络的数据报加装对应数据链路层协议头部和尾部，封装成数据帧的过程
• 透明传输：指要使在“数据链路层”上所传输的数据在内容、格式和编码上没有限制
• 差错控制：数据链路层确保向网络层提供可靠数据传输的方法，用来解决帧出错和帧丢失的问题

 3. 有了IP地址为什么还需要MAC地址？

整体与局部

信息传递时候，需要知道的其实是两个地址：终点地址，下一跳的地址。IP地址本质上是终点地址，它在跳过路由器的时候不会改变，而MAC地址则是下一跳的地址，每跳过一次路由器都会改变。这就是为什么还要用MAC地址的原因之一，它起到了记录下一跳的信息的作用。

分层实现

如果在IP包头中增加了”下一跳IP地址“这个字段，在逻辑上来说，如果IP地址够用，交换机也支持根据IP地址转发（现在的二层交换机不支持这样做），其实MAC地址并不是必要的。

但用MAC地址和IP地址两个地址，用于分别表示物理地址和逻辑地址是有好处的。这样分层可以使网络层与链路层的协议更灵活地替换，网络层不一定非要用『IP』协议，链路层也不一定非用『以太网』协议。

历史原因

早期的以太网只有集线器（hub），没有交换机（switch），所以发出去的包能被以太网内的所有机器监听到，因此要附带上MAC地址，每个机器只需要接受与自己MAC地址相匹配的包。

4. 何时使用MAC寻址？何时使用IP寻址？

• 在同一个以太局域网内部，节点间的寻址可以通过二层MAC地址进行
• 在不同网络之间不能通过MAC地址进行寻址，因为在数据通信中，数据到达不同网络是需要重新进行帧封装，里面的源/目的MAC地址是会进行替换的
• 不同网络之间使用IP寻址

 5. 局域网为什么将数据链路层划分为MAC子层和LLC子层？

局域网将数据链路层划分为两个子层：逻辑链路控制LLC子层和介质访问控制MAC子层，从而使LAN体系结构能适应多种传输介质。因此，对各种类型的局域网来说，其物理层和MAC子层需要随着所采用介质和访问方法的不同发生改变，而这些不同对于LLC子层来说都是透明的。

• MAC子层控制不同用户数据传输中对物理层传输介质的访问。“数据链路层”中各种传输介质访问有关的问题都放在MAC子层来解决。MAC子层主要功能包括数据帧的封装/拆封，帧的寻址与识别，帧的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制及MAC协议的维护等。
• LLC子层负责数据链路层中的“逻辑链路”控制，“数据链路层”中与传输介质访问无关的问题都集中在LLC层来解决。LLC子层主要功能包括逻辑链路的建立和释放，提供与网络层的接口，数据传输差错控制，给数据帧加上传输序列号

 6. CSMA/CD和CSMA/CA的区别

CSMA/CD（载波侦听多路访问／冲突检测）：

先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发。

采用该协议要求设备在发送帧的同时要对信道进行侦听，以确定是否会发生信道冲突，若在发送数据过程中检测到冲突，则需要进行冲突处理。

整个协议的处理流程如下：

1. 监听当前信道上是否有数据在发送，如果信道空闲，直接发送数据，如果信道忙，则按照一定的退避算法进行延时监听。
2. 当信道允许发送数据时，发送数据。
3. 数据发送过程中，边发送边监听，如果发送过程中检测到冲突，则停止发送数据，并发送阻塞信息，强化冲突。

CSMA/CA（载波侦听多路访问／冲突避免）：

采用该协议要求设备要主动避免冲突而非被动侦测的方式来解决冲突问题。避免冲突的方法主要有两个：

一是监听到信道空闲时，并不是立即发送，而是等待一段时间再发送数据。（为更高优先级让路）

二是先发送一个很小的信道侦测帧RTS，如果收到最近的接入点返回的CTS，就认为信道是空闲的，然后再发送数据。

协议的主要流程如下：（停-等协议）

1. 首先检测信道是否有使用，如果检测出信道空闲，则等待一段随机时间后，才送出数据。
2. 接收端如果正确收到此帧，则经过一段时间间隔后，向发送端发送确认帧ACK。
3. 发送端收到ACK帧，确定数据正确传输，在经历一段时间间隔后，再发送数据。

区别：

1. CSMA/CD主要着眼点在冲突的侦测，当侦测到冲突时，进行相应的处理，要求设备能一边侦测一边发送数据。CSMA/CA主要着眼点在冲突的避免，协议里也看到经常是等待一段时间再做动作，通过退避尽量去避免冲突，还有就是先发送一些特别小的信道侦测帧来测试信道是否有冲突。
2. CSMA/CD主要适用以太网。CSMA/CA主要适用无线局域网。

 7. PPP协议（面向字节、广域网）

设计目的：建立点对点发送数据，使其成为各种主机，网桥和路由器之间简单链接的解决方式。PPP协议是SLIP基础上发展而来的，同时支持异步传输和同步传输，不仅用于Modem电路，还用于租用的路由器到路由器的线路。

组成部分：链路控制协议LCP（用于建立，配置，测试和管理数据链路）；网络控制协议NCP（PPP允许采用多种网络层协议，每个不同的网络层协议要用一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接）；一个将IP数据报封装到串行链路的方法（IP数据报在PPP帧中就是其信息部分，这个信息部分的长度是最大传送单元MTU）

帧格式：

                      

标志字段F；地址字段A；控制字段C

1. 标志：用来标志帧的开始和结束
2. 地址：PPP是点对点协议，是明确知道对方节点的，因此此地址是固定的11111111
3. 控制：值是固定的00000011，因为PPP只有一种帧类型
4. 协议：因为PPP可以封装多种网络层协议

注意要点：（面向字节；不可靠；点对点；全双工）

PPP是面向字节的，所以所有PPP的帧的长度都是整数个字节。

PPP提供差错检测，不提供纠错检测，只保证无差错接收，它是不可靠的传输协议，不使用序号和确认机制。

只支持点对点，不支持多点链路。

只支持全双工。

两端可以运行不同的网络层协议，但是可以使用同一个PPP。

8. HDLC协议（面向比特、局域网）

定义：是一种面向比特的链路层协议，其最大特点是不需要数据必须是规定字符集，对任何一种比特流，均可以实现透明的数据传输。

特点：

1、协议不依赖于任何一种字符编码集

2、数据报文可透明传输，用于透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现

3、全双工通讯，不必等待确认可连续发送数据，有较高的数据链路传输效率

4、所有帧均采用CRC校验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重收，传输可靠性高

5、传输控制功能与处理功能分离，具有较大的灵活性和较完善的控制功能

帧格式：

                 

1. 标志：用于界定不同帧，以获得帧边界
2. 地址：表明帧是来自于主站点还是从站点
3. 控制：用来实现HDLC协议的各种控制信息（信息帧、监控帧、无编号帧）

 9. 以太网

定义：是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网不是一种具体的网络，是一种技术规范，该标准定义了在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。

分类：标准以太网（10Mbps）；快速以太网（100Mbps）；千兆以太网（1000Mbps）；万兆以太网。

以太网帧格式：

                  

1. 数据字段：在交换式以太网中，一台主机向局域网中的另一台主机发送一个IP数据报，这个数据报封装在以太网帧结构中作为其有效载荷，以太网的最大传输单元（MTU）是1500字节，也就是限制了一个IP数据报最大为1500字节，如果超过1500字节，就要启用IP协议的分片策略进行传输。同时，数据字段最小长度为46字节，如果不够必须要填充到46字节。
2. MAC地址字段：6个字节共128位的MAC物理地址，用于标识局域网中的每个主机，目的MAC可以是某个机器的物理地址，也可以是FF-FF-FF-FF-FF-FF广播MAC地址。
3. FCS：用来让接收方的网卡适配器检查接收的数据帧是否有错误，是否有比特翻转引入差错，如果引入了差错就会丢弃，这是网卡适配器直接从硬件响应的。此字段是发送方发送时由适配器从该帧中除了前同步码之外的其他比特进行映射计算获得。
4. 类型字段：这是网络协议分层设计减小耦合度的精心设计，这允许以太网多路复用网络层协议，可以支持除了IP协议之外的其他不同网络层协议，或者是承载在以太网帧里的协议（如ARP协议）。接收方根据此字段进行多路分解，从而达到解析以太网帧的目的，将数据字段交给对应的上层网络层协议，这样就完成了以太网作为数据链路层协议的工作。

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