数据链路层
一、使用点对点信道的数据链路层
1.数据链路层地位：
网络中的主机、路由器等/局域网中的主机、交换机等都必须实现数据链路层
不同的数据链路层可能采用不同的数据链路层协议
2.数据链路层信道类型
| 点对点信道
| 一对一的点对点通信方式 |
| 广播信道
| 一对多的广播通信方式，必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送 |
3.数据链路
把实现控制数据传输的协议的硬件和软件加到链路（一条无源的点到点的物理线路段，中间没有其他的交换节点）上；典型实现：适配器（网卡）
4.帧
数据链路层协议数据单元
5.三个基本问题
| 1封装成帧 | 在数据的前后分别添加首部和尾部（进行帧定界，即确定帧的界限） 最大传送单元MTU（规定所有传送帧的数据部分长度上限） 帧定界符（控制字符：帧开始符SOH 帧结束符EOT） |
| 2透明传输 | 数据部分恰好出现与SOH/EOT一样的代码，数据链路层错误地“找到帧的边界”，导致错误 用“字节填充”（如在数据部分的SOH/EOT前面添加转义字符ESC）/“字符填充”解决透明传输 |
| 3差错控制 | 在传输过程中可能会产生比特差错：1->0,0->1 误码率BER（在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率） 循环冗余检验CRC（检错方法）： 在发送端，把数据分为组，每组k个bit，CRC运算在每组待传送数据M后添加供差错检测用的n位冗余码，组帧发送，共发送k+n位 帧检验序列FCS（添加在数据后面的冗余码
仅用CRC差错检测技术只能做到无差错接受，即凡是接收端数据链路层接受的帧均无差错 可靠传输：数据链路层发送什么，接收端就收到什么（无比特差错+帧编号、确认和重传等机制） 传输差错：1>比特差错 2>传输差错（帧丢失、帧重复/帧失序） |
二、点对点协议PPP（3.2）
1.PPP协议应满足的需求
1>简单 --首要要求 2>封装成帧 3>透明性 4>多层网络协议 5>多种类型链路 6>差错检测
7>检测连接状态 8>最大传送单元MTU 9>网络层地址协商 10>数据压缩协商
2.PPP协议的组成
（1）一个将IP数据报封装到串行链路的方法（链路封装）
（2）一个链路控制协议LCP
（3）一套网络控制协议NCP
3.PPP协议的帧格式
标志字段F（flag），规定为0x7E，表示一个帧的开始和结束（PPP帧的定界符）
地址地段A，规定为0xFF；控制字段C，规定为0x03
协议字段：判断信息部分由谁处理
| 透明传输问题 | |
| 字节填充法（异步传输） | 零比特填充法（同步传输） |
 |  |
4.PPP协议工作状态
三、使用广播信道的数据链路层（3.3）
1.局域网优点
（1）具有广播功能，从一个站点可以很方便的访问全网
（2）便于系统扩展和逐渐演变
（3）提高了系统的可靠性、可用性和生存性
2.局域网的拓扑结构
3.共享信道的问题（多个设备在共享的广播信道上同时发送，彼此干扰，发送失败）
| 媒体共享技术 | |
| 静态划分信道 | 1频分复用 2时分复用 3波分复用 4码分复用 |
| 动态媒体接入控制（多点接入） | 1随机接入：所有用户可随时发送信息 2受控接入：用户必须服从一定的控制，如探寻 |
4.以太网的两个标准
（1）DIX Ethernet V2：世界上第一个局域网规约
（2）IEEE 802.3：第一个IEEE的以太网标准
5.局域网数据链路层分为2个子层
（1）逻辑链路控制LLC：与传输媒体无关
（2）媒体接入控制MAC：与传输媒体有关（以太网唯一标识网络设备的地址）
6.适配器的作用
计算机通过适配器和局域网进行通信
适配器所实现的功能包含数据链路层和物理层两个层次的功能
（1）进行串行/并行转换
（2）对数据进行缓存
（3）对计算机的操作系统安装设备驱动程序
（4）实现以太网协议
7.CSMA/CD协议（载波监听多点接入/碰撞检测）
为了实现一对一的通信，将接收站的硬件地址写入帧首部中的目的地址字段中，仅当数据帧中的目的地址与适配器硬件地址一致时，才能接受这个数据帧
（1）总线：
优：易于实现广播通信，简单，可靠；缺：多个站点同时发送时，会产生发送碰撞或冲突，导致发送失败
（2）以太网采取的2种重要措施：
| 1采用较为灵活的无连接的工作方式 | 可直接发送数据，对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认 |
| 2发送的数据都使用曼彻斯特编码 |  缺点：所占频带宽度比原始的基带信号增加了一倍 |
（3）要点
| 1多点接入 | 总线型网络 |
| 2载波监听 | 边发送边监听，每个站都必须不停地检测信道 |
| 3碰撞检测 （why？因为信号传播时延对载波监听产生了影响） | 适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况（超过一定值，认为总线上至少有两个站点在同时发送数据，产生碰撞/冲突==>立即停止发送，等待一段随机时间再次发送） 争用期/碰撞窗口：以太网的端到端往返时延2τ（具体争用期时间=51.2us，经过争用期这段时间没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞） |
（4）碰撞后重传的时机（截断二进制指数退避）
| 发生碰撞的站停止发送数据后，要退避一个随机时间再发送数据 |
| 1 基本退避时间2τ |
| 2 重传所需时延=r×基本退避时间（r=从整数集合中随机取一个数[0,1,...,2^k-1]） |
| 3 参数k=Min[重传次数，10] |
| 4 当重传达16次仍不能成功时，丢弃该帧并向高层报告 |
（5）10Mbit/s以太网争用期长度=51.2us，在争用期可发送512bit，即64B（以太网在发送数据时，前64B没有发生冲突，则后续也不会发生冲突；以太网规定了最短有效帧长为64B，凡长度<64B的帧，都是由于冲突异常终止的无效帧，应当丢弃；以太网最大端到端的长度约为5km；以太网规定了帧间最小间隔为9.6us）
8.使用集线器的星型拓扑
（1）常见的网络拓扑结构：总线型、星型、树型、环型、网状、混合型
（2）传统以太网使用同轴电缆，采用总线形拓扑结构
（3）采用双绞线的以太网采用星形拓扑
（4）在星形中心增加了一种可靠性非常高的设备（集线器：工作在物理层）
9.以太网的信道利用率
（1）以太网的信道利用率不能达到100%
（2）帧的发送时间T0（s）=帧长L（bit）/数据发送速率（bit/s）
参数a = 以太网单程端到端时延τ/ 帧的发送时间T0
a趋近于0,表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，信道利用率很高（a值尽可能小）
a越大，表明争用期所占比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使信道利用率降低
10.以太网的MAC层
（1）MAC层的硬件地址：硬件地址/物理地址/MAC地址
IEEE 802标准为局域网规定了48位的全球地址（地址），即局域网上的每一台计算机中固化在适配器的ROM地址
11.适配器具有过滤功能
每收到一个MAC帧，硬件检查帧中的MAC地址，如果是发往本站的帧则收下，然后进行处理，否则将此帧丢弃
12.MAC帧的格式
（1）DIX Ethernet V2标准（常用）
类型字段（2字节）：用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议
数据字段（MAC客户数据字段）：64B-18B=46B~1518B-18B=1500B；当数据字段长度<46B时，在数据字段后加入整数字节的填充字段，以保证以太网MAC帧长不小于64B
（2）IEEE 820.3标准
13.无效的MAC帧（丢弃）：
1数据字段的长度与长度字段不一致；2帧的长度不是整数个字节；3用收到的FCS查出有差错；4数据字段长度不在46~1500B之间；5有效MAC长度为64~1518B之间
四、扩展的以太网
| 在物理层扩展以太网 | 1使用光纤扩展 2使用集线器扩展： 碰撞域/冲突域：网络中一个站点发出的帧会与其他站点发出的帧产生碰撞/冲突的那部分网络
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| 在数据链路层扩展以太网 | 1网桥 2交换机（实质：多接口网桥；全双工；并行性） 特点：有存储器；即插即用（交换表、内容可寻址存储器CAM）；专用的交换结构芯片 优点：每个用户独享带宽，增加了总容量 交换方式：1存储转发方式（把整个数据帧先缓存再处理） 2直通方式（接收数据帧的同时立即按数据帧的目的MAC地址决定该帧的转发接口；缺：不检查差错直接转发，有可能转发无效帧） 自学习能力==>即插即用 交换表（目的地址MAC、转发端口）  消除回路：使用生成树协议SPT（不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上切断某些链路-->无环路的树状结构） |
（1）一个以太网就是一个广播域（一台主机发送广播，其他主机都能收到）；广播风暴（交换机之间的冗余链路形成广播风暴）
（2）虚拟局域网vlan：1改善性能 2简化管理 3降低成本 4改善安全性
五、高速以太网
| 100BASE-T以太网（快速以太网） | 双绞线，星形 在全双工方式下工作时，不使用CSMA/CD协议， 使用IEEE 802.3协议规定的MAC帧格式 保持最短帧长不变 |
| 吉比特以太网 | 1Gbit/s下全双工、半双工 使用IEEE 802.3协议规定的MAC帧格式 在半双工（1载波延伸 2分组突发）方式下使用CSMA/CD协议（必须进行碰撞检测），而在全双工方式下不使用CSMA/CD协议 |