数据链路层
3.1 使用点对点信道的数据链路层
数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：
- 点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。
- 广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此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。
数据链路层的简单模型
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。
也有人采用另外的术语。这就是把链路分为物理链路和逻辑链路。物理链路就是上面所说的链路。逻辑链路就是上面的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议。
数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题则是共同的。这三个基本问题是：
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。
首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。
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。另一个控制字符 EOT (End Of Transmission) 表示帧的结束。
2. 透明传输
如果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”。
解决方法：字节填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character 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” (其十六进制编码是 1B)。
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，那么应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，就删除其中前面的一个。
3. 差错控制
在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。
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。
为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。
循环冗余检验的原理
在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。
在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。
假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。
在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。
循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS 并不等同。
CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。
FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。
接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验
(1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受 (accept)。
(2) 若余数 R 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。
但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。
只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。
仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受 (accept)。
“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。
也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。
要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。
“无比特差错”与“无传输差错”是不同的概念。在数据链路层使用 CRC 检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。本章介绍的数据链路层协议都不是可靠传输的协议。
3.2 点对点协议 PPP
对于点对点的链路，目前使用得最广泛的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。
用户使用拨号电话线接入互联网时， 用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议就是 PPP 协议。
PPP 协议应满足的需求
简单 —— 这是首要的要求。
封装成帧 —— 必须规定特殊的字符作为帧定界符。
透明性 —— 必须保证数据传输的透明性。
多种网络层协议 —— 能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议。
多种类型链路 —— 能够在多种类型的链路上运行。
差错检测 —— 能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。
检测连接状态 —— 能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。
最大传送单元 —— 必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元 MTU 的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性。
网络层地址协商 —— 必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。
数据压缩协商 —— 必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。
PPP 协议不需要的功能
纠错
流量控制
序号
多点线路
半双工或单工链路
PPP 协议的组成
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)。
PPP 帧的首部和尾部分别为 4 个字段和 2 个字段。
标志字段 F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。
地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。
控制字段 C 通常置为 0x03。
PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。
透明传输问题
当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和 HDLC 的做法一样）。
当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。
字符填充
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 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：
在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理。
在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。
帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。
PPP 协议的工作状态
当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。
PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。
这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，并进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC 机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。
通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。
可见，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。
3.3 使用广播信道的数据链路层
局域网的数据链路层 （“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 。 ）
局域网最主要的特点是：
网络为一个单位所拥有；
地理范围和站点数目均有限。
局域网具有如下主要优点：
具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
提高了系统的可靠性、可用性和残存性。
局域网拓扑结构
注意：集线器工作在物理层，起到中继，没有选择路径的功能，傻瓜传输。
媒体共享技术
1、静态划分信道
频分复用
时分复用
波分复用
码分复用
2、动态媒体接入控制（多点接入）
随机接入受控接入 ，如多点线路探询 (polling)，或轮询。
数据链路层的两个子层
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。
很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。
适配器的作用
网络接口板又称为通信适配器 (adapter) 或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。
适配器的重要功能：
进行串行/并行转换。
对数据进行缓存。
在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
实现以太网协议。
CSMA/CD 协议
最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。
总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。
由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。
其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。
在具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。
采用较为灵活的无连接的工作方式。以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。差错的纠正由高层来决定。以太网发送的数据都使用曼彻斯特 (Manchester) 编码
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：“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”。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。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送
CSMA/CD 重要特性
使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。
每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。
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。
争用期
最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2t（两倍的端到端往返时延）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 2t称为争用期，或碰撞窗口。
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。
10 Mbit/s 以太网取 51.2 us 为争用期的长度。对于 10 Mbit/s 以太网，在争用期内可发送 512 bit，即 64 字节。这意味着：以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。
二进制指数类型退避算法
最短有效帧长
如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。
由于一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。
强化碰撞
当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：
(1) 立即停止发送数据；
(2) 再继续发送若干比特的人为干扰信号 (jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。
CSMA/CD协议的要点
(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。
集线器
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。
集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。
信道利用率的最大值 Smax
发送一帧占用线路的时间是 T0 + t，而帧本身的发送时间是 T0。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率 Smax 为：
以太网的 MAC 层
MAC 层的硬件地址 :在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址
IEEE 802 标准规定 MAC 地址字段可采用 6 字节 ( 48位) 或 2 字节 ( 16 位) 这两种中的一种。
IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段 6 个字节中的前三个字节 (即高位 24 位)，称为组织唯一标识符。
地址字段 6 个字节中的后三个字节 (即低位 24 位) 由厂家自行指派，称为扩展唯一标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。
单站地址，组地址，广播地址
IEEE 规定地址字段的第一字节的最低位为 I/G 位。I/G 表示 Individual / Group。
当 I/G位 = 0 时，地址字段表示一个单站地址。
当 I/G位 = 1 时，表示组地址，用来进行多播（以前曾译为组播）。此时，IEEE 只分配地址字段前三个字节中的 23 位。
当 I/G 位分别为 0 和 1 时，一个地址块可分别生成 223 个单个站地址和 223 个组地址。
所有 48 位都为 1 时，为广播地址。只能作为目的地址使用。
适配器检查 MAC 地址
适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址。
如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。
否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。
“发往本站的帧”包括以下三种帧：
单播 (unicast) 帧（一对一）
广播 (broadcast) 帧（一对全体）
多播 (multicast) 帧（一对多）
所有的适配器都至少能够识别前两种帧，即能够识别单播地址和广播地址。有的适配器可用编程方法识别多播地址。只有目的地址才能使用广播地址和多播地址。以混杂方式 (promiscuous mode) 工作的以太网适配器只要“听到”有帧在以太网上传输就都接收下来。（抓包）
MAC 帧的格式
数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段。
最小长度 64 字节 —18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度（46字节）
当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节
在帧的前面插入（硬件生成）的 8 字节中，第一个字段共 7 个字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段 1 个字节是帧开始定界符，表示后面的信息就是 MAC 帧。
无效的 MAC 帧 ：对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。
数据字段的长度与长度字段的值不一致；
帧的长度不是整数个字节；
用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；
数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
帧间最小间隔
帧间最小间隔为 9.6 us，相当于 96 bit 的发送时间。
一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 us 才能再次发送数据。
这样做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。
3.4 扩展的以太网
使用光纤扩展:主机使用光纤（通常是一对光纤）和一对光纤调制解调器连接到集线器。
很容易使主机和几公里以外的集线器相连接。
使用集线器扩展:使用多个集线器可连成更大的、多级星形结构的以太网
优点
使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
扩大了以太网覆盖的地理范围。
缺点
碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。
在数据链路层扩展以太网
扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行。早期使用网桥，现在使用以太网交换机。
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转发和过滤。
当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或把它丢弃。
以太网交换机(存储转发方式,双工）
1990 年问世的交换式集线器 (switching hub) 可明显地提高以太网的性能。
- 交换式集线器常称为以太网交换机 (switch) 或第二层交换机 (L2 switch)，强调这种交换机工作在数据链路层。以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥。
- 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。
- 交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
- 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。
- 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。
以太网交换机的交换方式
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。
在某些情况下，仍需要采用基于软件的存储转发方式进行交换，例如，当需要进行线路速率匹配、协议转换或差错检测时
IEEE 802.1D 标准制定了一个生成树协议 STP (Spanning Tree Protocol)。
其要点是：不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象。
3.5 高速以太网
速率达到或超过 100 Mbit/s 的以太网称为高速以太网。
100BASE-T 在双绞线上传送 100 Mbit/s 基带信号的星形拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。
100BASE-T 以太网又称为快速以太网 (Fast Ethernet)。在全双工方式下工作时，不使用 CSMA/CD 协议。
MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。
吉比特以太网：允许在 1 Gbit/s 下以全双工和半双工两种方式工作。在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议，全双工方式不使用 CSMA/CD 协议。
10 吉比特以太网和更快的以太网：不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。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