Chapter3 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層解決下一步怎么走的問題

• 向網(wǎng)絡(luò)層提供一個(gè)定義良好的服務(wù)接口
• 處理傳輸錯(cuò)誤
• 從網(wǎng)絡(luò)層獲取分組，并且將分組封裝到幀中以便傳輸。每一個(gè)幀包含一個(gè)幀頭，一個(gè)靜載荷（用于存放分組），以及一個(gè)幀尾。

數(shù)據(jù)鏈路層提供一下三種服務(wù)

• 無確認(rèn)的無連接服務(wù)
• 有確認(rèn)的無連接服務(wù)
• 有確認(rèn)的面向連接的服務(wù)

數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道有一下兩種類型

1. 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道。使用一對(duì)一的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式
2. 廣播信道。使用一對(duì)多的廣播通信方式，過程較復(fù)雜。

使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層

鏈路：一條無源的點(diǎn)到點(diǎn)的物理線路段，中間沒有任何其他的交換節(jié)點(diǎn)。
數(shù)據(jù)鏈路：除了物理線路外，還加了協(xié)議來控制數(shù)據(jù)的傳輸。把協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路。（鏈接 + 通信協(xié)議，物理層 + 數(shù)據(jù)鏈路層）

1. 封裝成幀
   在數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部。
   

   首部和尾部的一個(gè)重要作用就是進(jìn)行幀定界。

2. 透明傳輸
   
   

   問題的解決方法：

• 發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符“SOH”“EOT”，在它們的前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符“ESC”。
• 字節(jié)填充（byte stuffing）接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符。
• 如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)在數(shù)據(jù)當(dāng)中，在轉(zhuǎn)義字符之前也插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符，當(dāng)接收端收到兩個(gè)轉(zhuǎn)義字符的時(shí)候就刪除其中的一個(gè)。

3. 差錯(cuò)檢測(cè)
   存在的問題：在傳輸過程中可能會(huì)產(chǎn)生比特差錯(cuò) 0-> 1 、1-> 0。
   解決方法：CRC 循環(huán)冗余檢驗(yàn)
   FCS: 為了進(jìn)行檢錯(cuò)而添加的冗余碼，叫做幀檢測(cè)序列。
   CRC是一種常用的檢錯(cuò)方法，F(xiàn)CS是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼。FCS可以用CRC這種方法得出，但CRC并不是獲得FCS的唯一方法。
   在接收端，對(duì)每一幀進(jìn)行檢驗(yàn)，若得出的余數(shù)R = 0.則幀沒有差錯(cuò)，反之有差錯(cuò)。
   CRC差錯(cuò)檢測(cè)技術(shù)只能做到無差錯(cuò)接收。但并不是可靠傳輸。
   要做到可靠傳輸需要加上確認(rèn)重傳機(jī)制。
   雖然無比特差錯(cuò)，但是可能會(huì)出現(xiàn)幀丟失，幀重復(fù)或者幀失序。
   

無效的MAC幀格式

• 幀的長度不是整數(shù)個(gè)字節(jié)
• 用收到的幀檢驗(yàn)序列FCS查出有差錯(cuò)
• 數(shù)據(jù)字段長度不在 46-1500之間
• 有效MAC幀長度不在 64-1518字節(jié)之間

數(shù)據(jù)鏈路層的三個(gè)基本問題

1. 封裝成幀
2. 透明傳輸
3. 差錯(cuò)控制

PPP協(xié)議

零比特填充 ——同步傳輸

在發(fā)送端只要發(fā)現(xiàn)有5個(gè)連續(xù)的1，則在其后填入一個(gè)0,。
接收端對(duì)幀中的比特流進(jìn)行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn)5個(gè)連續(xù)的1是，就把5個(gè)連續(xù)1時(shí)，就把其后的一個(gè)0刪除。

以太網(wǎng)

1. 通信措施
   采用無連接的工作方式，不必建立鏈接就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)。
   發(fā)送的數(shù)據(jù)都使用曼徹斯特編碼。
2. 提供的服務(wù)
   盡最大努力的交付。
   目的站收到有差錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀就丟棄。差錯(cuò)的糾正由高層來決定。
   若高層發(fā)現(xiàn)了丟失數(shù)據(jù)則進(jìn)行重傳。以太網(wǎng)不知道這是重傳的幀，把它當(dāng)做新傳來的幀來發(fā)送。

CSMA/CD協(xié)議

CSMA/CD:載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/碰撞檢測(cè)
（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）

多點(diǎn)接入：許多計(jì)算機(jī)以多點(diǎn)接入的方式連接在一根總線上。
載波監(jiān)聽：每一個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先檢測(cè)一下總線上是否有其他計(jì)算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，暫時(shí)不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)生碰撞。
碰撞檢測(cè)：

重要特征

• 使用CSMA/CD協(xié)議的以太網(wǎng)不能進(jìn)行全雙工通信，只能進(jìn)行半雙工通信。
• 每個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)后的一小段時(shí)間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性。
• 這種發(fā)送的不確定性使整個(gè)以太網(wǎng)的平均通信量遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。

爭(zhēng)用期

最短有效幀長
64字節(jié)，凡長度小于64字節(jié)的幀都是由于沖突而異常終止的無效幀。

強(qiáng)化碰撞

數(shù)據(jù)一旦發(fā)生碰撞則：

• 立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)

• 再繼續(xù)發(fā)送若干比特認(rèn)為干擾信號(hào)（jamming signal），以便讓所有用戶知道現(xiàn)在已發(fā)生碰撞。
  
  

  注意信道的占用時(shí)間為三段時(shí)間之和。

幀間最小間隔
9.6us，相當(dāng)于96bit時(shí)間。為了剛剛收到數(shù)據(jù)幀的站的緩存能夠來得及清理，做好迎接下一幀的準(zhǔn)備。

CSMA/CD整體過程

1. 適配器從網(wǎng)絡(luò)層獲得一個(gè)分組，加上以太網(wǎng)的首部和尾部，組成以太網(wǎng)幀，放入適配器的緩存中，準(zhǔn)備發(fā)送。
2. 若適配器檢測(cè)到信道空閑（在96bit時(shí)間內(nèi)沒有檢測(cè)到信道上有信號(hào)），就發(fā)送這個(gè)幀。若檢測(cè)到信道忙，則繼續(xù)檢測(cè)并等待信道轉(zhuǎn)為空閑，然后發(fā)送這個(gè)幀。
3. 在發(fā)送過程中繼續(xù)檢測(cè)信道，若一直未檢測(cè)到碰撞，就順利傳送完幀。若檢測(cè)到碰撞，則終止數(shù)據(jù)的發(fā)送，并且發(fā)送人為干擾信號(hào)。
4. 在終止發(fā)送后采用指數(shù)退避算法，等待r倍512bit時(shí)間后，返回步驟2.

以太網(wǎng)的MAC層

MAC層的硬件地址

硬件地址又稱物理地址或者M(jìn)AC地址。它是固化在適配器ROM中的地址，與地理地址無關(guān)。若適配器故障，硬件地址改變；地理位置發(fā)生改變，硬件地址不變。
MAC地址是48bit的

MAC幀的格式

數(shù)據(jù)字段長度為46——1500字節(jié)，當(dāng)數(shù)據(jù)字段的長度小于46字節(jié)的時(shí)候，應(yīng)在數(shù)據(jù)字段的后面加入整數(shù)字節(jié)的填充字段，以保證MAC幀長度不小于64字節(jié)。

既然是不可靠的傳輸，為什么要進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)
為了不將已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了有差錯(cuò)的幀收下來，因?yàn)檫@樣的幀是沒有用處的。在接收端進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)可以很接近于1的概率認(rèn)為，凡是上交主機(jī)的幀都是沒有傳輸差錯(cuò)的。

為了達(dá)到比特同步，在傳輸媒體上實(shí)際傳送的要比MAC幀還多8個(gè)字節(jié)

無效的MAC幀形式

• 幀的長度不是整數(shù)個(gè)字節(jié)
• 用收到的幀檢驗(yàn)序列FCS查出有差錯(cuò)
• 數(shù)據(jù)字段長度不在46-1500之間 有效MAC幀長度不在64-1518之間

拓展的以太網(wǎng)

在物理層拓展以太網(wǎng)

要求：以太網(wǎng)上的主機(jī)距離不能太遠(yuǎn)，200m，否則信號(hào)經(jīng)過銅線將會(huì)衰落使得CSMA/CD協(xié)議失效。
方法：主機(jī)使用光纖和一對(duì)光纖調(diào)制解調(diào)器連接到集線器
結(jié)果：光纖時(shí)延小，帶寬高，使得主機(jī)和幾公里外的集線器相連。

使用的器件是集線器。使原來屬于不同碰撞域的局域網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行跨碰撞域的通信。擴(kuò)大了局域網(wǎng)覆蓋的地理范圍。

在數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展以太網(wǎng)

使用的器件是網(wǎng)橋。網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，根據(jù)MAC地址對(duì)收到的幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和過濾。收到幀之后，并非向所有接口轉(zhuǎn)發(fā)，而是檢查目的MAC地址，再確定發(fā)到哪個(gè)接口或者丟棄。
作用：過濾了通信量，擴(kuò)大了物理范圍，提高了可靠性，可互聯(lián)不同物理層，不同MAC子層和不同速率的局域網(wǎng)。

透明網(wǎng)橋：
透明是指局域網(wǎng)上的站點(diǎn)并不知道所發(fā)送的幀將經(jīng)過哪幾個(gè)網(wǎng)橋，因?yàn)榫W(wǎng)橋?qū)τ诟鱾€(gè)站來說是不可見的。
網(wǎng)橋自學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)幀的步驟
網(wǎng)橋收到一幀后先進(jìn)行自學(xué)習(xí)。查找轉(zhuǎn)發(fā)表中與收到幀的源地址有無相匹配的項(xiàng)目。若沒有，就在轉(zhuǎn)發(fā)表中增加一個(gè)項(xiàng)目（源地址，進(jìn)入的接口和時(shí)間）。若有，則把原有的項(xiàng)目進(jìn)行更新。
轉(zhuǎn)發(fā)幀。查找轉(zhuǎn)發(fā)表中與收到幀的目的地址有無相匹配的項(xiàng)目。

• 若沒有，則通過所有其他接口（除進(jìn)入網(wǎng)橋的接口外）進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
• 若有，則按轉(zhuǎn)發(fā)表給出的接口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
• 若轉(zhuǎn)發(fā)表中給出的接口就是該幀進(jìn)入網(wǎng)橋的接口，則丟棄此幀。

網(wǎng)橋和集線器的區(qū)別

• 集線器在轉(zhuǎn)發(fā)幀時(shí)，不對(duì)傳輸媒體進(jìn)行檢測(cè)。
• 網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)幀之前必須執(zhí)行CSMA/CD算法。若在發(fā)送過程中出現(xiàn)碰撞，就必須停止發(fā)送和進(jìn)行退避。

交換機(jī)是一種多接口的網(wǎng)橋。能夠同時(shí)連通許多對(duì)接口。一般具有多種速率的接口。為減少一個(gè)總線網(wǎng)的主機(jī)數(shù)量提供了條件，減少了網(wǎng)橋的廣播風(fēng)暴。