【計算機網路】資料鏈路層總結

阿新 • • 發佈：2018-11-04

資料鏈路層

資料鏈路層概述
- 基本概念
- 資料鏈路層的三個基本問題
點對點通道的資料鏈路層
- 概述
- PPP協議的組成
- PPP幀的格式和要求
- PPP協議的工作狀態
廣播通道的資料鏈路層
- 區域網和乙太網
- 廣播通道資料鏈路層的任務
- 介面卡
- CSMA/CD協議的要點
- 乙太網應用CSMA/CD協議
- 通道利用率
- 乙太網的MAC層
- 擴充套件乙太網
- 高速乙太網以及問題

1. 資料鏈路層概述

基本概念

資料鏈路層討論的是如何把網路層的資料封裝成幀，有效的進行通訊傳輸。

鏈路是指：一個結點到另一個結點的具體的物理線路。

資料鏈路是指：在鏈路上加之實現通訊協議的軟體和硬體。

實現資料鏈路層的硬體和軟體主要是網絡卡（但介面卡工作在物理層和資料鏈路層）。

此層的協議資料單元PDU叫做幀。這是將資料報加之首部和尾部形成的。

資料鏈路層的三個基本問題

封裝成幀

指將資料報加之首部和尾部形成幀。首部和尾部是必要的，主要作用是幀定界、新增控制資訊，以及差錯控制。
透明傳輸

如果是文字檔案，可以用SOH/EOT充作幀開始、結束控制符，但資料中可能也出現SOH/EOT，這時需要加轉義字元ESC，如ESC-SOH,ESC-EOT,ESC-ESC，以達到透明傳輸。

這裡的透明指的是，資料鏈路層對傳輸的資料透明，傳輸的資料實際上感受不到資料鏈路層所做的操作。
差錯檢測

奇偶檢測、迴圈冗餘CRC等。

採用CRC，採用n+1位除數（由生成多項式得到），得到n位餘數，稱作幀檢驗序列FCS。

檢測時，將傳輸得到的資料除以同一個除數，若餘數0，則可以說無差錯。

若有差錯，直接丟棄，除此之外，不做任何操作。

故差錯檢測只是檢測了bit錯誤，並不能解決幀失序、丟失、重複等問題。

也就是說，資料鏈路層實現的是盡最大努力的交付，即不可靠的傳輸。

2. 點對點通道的資料鏈路層

概述

點對點通道主要用於使用者同ISP（驗證身份）通訊時。早期使用高階資料鏈路控制HDLC，已經淘汰，現在用的是PPP協議

，即point-to-point protocol，點對點通訊協議。

PPP協議的組成

由三個部分組成：

一個將資料報封裝成幀的方法
一個用來建立、配置和測試資料鏈路連線的鏈路控制協議LCP。

通訊雙方用以協商。
一套網路控制協議。

每一個協議支援不同的網路層協議，也就是說PPP支援不同的網路層協議。

PPP協議幀的格式和要求

PPP幀的格式如下：

格式劃分	F	A	C	網路層協議	資料報	FCS	F
具體內容	7E	FF	03	如C021（IP）	資料部分	-	7E
位元組數	1	1	1	2	<=1500	2	1

其中，F,A,C都是固定的，A是地址，C欄位實際上無用。

實現透明傳輸：

PPP協議為實現透明傳輸，採用的策略是：

非同步：位元組填充（字元填充）。

在資料部分，(7E->7D,5E)、(7D->7D,5D)、(小於0x20的，前面新增7D)
同步：零位元填充

即每遇到5個1，新增一個0。

PPP協議工作狀態

<課本P81>，重點。

3. 廣播通道的資料鏈路層

區域網和乙太網

區域網（LAN）指的是一個網路為一個單位所擁有，地理位置和站點資料有限，統稱。區域網的工作跨越了物理層和資料鏈路層。

乙太網是區域網的一種實現方式，但如今乙太網佔據了絕大多數市場，故某種意義上，乙太網就是區域網。

以外網的標準有DIX Ethernet V2和IEEE 802.3。二者差別不大，現在廣泛使用的是DIX Ethernet V2。

IEEE 802.3把乙太網的資料鏈路層劃分為：邏輯鏈路控制（LCP）和媒體接入控制（MAC），但LCP實際上並無用，現在只使用MAC層。

以外網的其他特點：

乙太網採用的是盡最大努力的交付，不可靠的交付。
乙太網採用使用CSMA/CD協議。
乙太網採用的是曼徹斯特編碼，基帶訊號傳輸。這種編碼中間躍變，由高->低為1，反之為0。

廣播通道資料鏈路層的任

廣播通道主要由匯流排式網路，環形網，星形網等。

廣播通道的資料鏈路層討論的是如何在一個網路中實現一對一、一對多通訊。這裡要解決的問題是，匯流排網路上不能有兩個站點同時傳送資料，否則就稱碰撞（衝突）。

必須有解決這個問題的協議，這就是CSMA/CD協議。

但首先應瞭解其他幾個概念。

介面卡

即網絡卡，實現了資料鏈路層協議，工作於物理層和資料鏈路層。

介面卡的另一個作用是實現並行通訊和序列通訊的轉換。外網--介面卡為序列，而介面卡--主機為並行。

介面卡還配有ROM，實現快取，這樣可以實現不同速率的相容。

另外，需要注意，介面卡中的ROM中是硬體地址，即MAC地址，而在計算機的儲存器中存有IP地址，即軟體地址。

CSMA/CD協議的要點

CSMA/CD協議全稱：載波多點監聽/碰撞檢測。他解決的問題是如何在匯流排區域網上進行“有效”通訊。

CSMA/CD的要點如下：

多點接入

CSMA/CD協議適用於廣播通道，允許總線上多個站點接入。協議的核心是載波監聽和碰撞檢測。
載波監聽

由於匯流排型廣播通道上同一時刻只允許一個站點發送資料，故站點需要時時檢測通道上是否有其他站點發送資料，這就是載波監聽。檢測通道通過才能獲得傳送權。

載波監聽發生在：一個站點發送資料之前，以及傳送資料的過程中。一旦發現有其他站點發送資料，則立即停止傳送。

順便指出，通道上傳送的是基帶訊號，並沒有載波，“載波”一詞為借用。
碰撞檢測（衝突檢測）

碰撞檢測就是“邊傳送邊監聽”。介面卡邊傳送資料邊檢測通道上訊號變化情況，看是否發生了碰撞。若有兩個計算機同時傳送資料，則通道上的訊號電壓變化幅度會超過一定的門限值，則計算機（介面卡）能夠發現這種變化，後續作出進一步響應。

Question：既然每個站點發送資料前，通道已經清空，為什麼傳送過程中還要碰撞檢測（可能發生碰撞）？

Answer： 訊號傳播需要時間。1Km的電纜傳播時延為5us，記單程端到端時延為$t$，若A站點向B站點發送資料後，經過極短時間$e$（$e$小於$t$ us），資料尚未到達B，$e$時刻B依然檢測到通道為空，此時B也傳送資料，那麼在時間$t-e/2$ 時刻，發生碰撞，則A端在$2t-e$時刻檢測到碰撞發生。

另外，定義單程端到端時延的兩倍為爭用期，因為從上面分析可以看到，A最遲在$2t$時刻檢測到碰撞發生（當$e$趨向於0），在A傳送資料$2t$時間內若不發生碰撞，則之後不會發生碰撞。下面對乙太網應用CSMA/CD協議的具體規定。

乙太網應用CSMA/CD協議

乙太網應用CSMA/CD協議，實現了半雙工通訊，其具體的規定和要點如下：

乙太網傳送資料採用曼徹斯特編碼。
傳送前（中）載波監聽。
爭用期2t定義為51.2us，對於10Mbit/s的乙太網，可以算出爭用期內傳送了512bit資料，故也稱作512位元時間。在這個時間內，傳播的距離約為5km，但實際上達不到這麼多。

由於爭用期內必須傳送完512bit才能檢測是否發生了碰撞，故乙太網規定最短幀長為512bit，即64位元組，若資料不夠，則需要填充。
若檢測到發生碰撞，等到一段時間後再發送。具體的等待時間採用截斷二進位制指數退避演算法，即：

在區間$[0,1,3,...(2^k-1)]$內隨機選出一個數$r$，等待$r×2t$時間。即隨機個爭用期的時間。

具體$k$為：$重傳次數，k = Min(重傳次數，10)$。

另外，規定重傳次數達到16次，則表示想傳送資料的站點太多，丟棄該幀，向高層報告。
強化碰撞策略。一旦檢測到發生碰撞，則立即傳送32或48bit的人為干擾訊號，讓所有站點都知道發生了碰撞。
幀最小間隔為9.6us。因為乙太網的幀並沒有個幀結束定界，故最小間隔是應有的，這樣也可以保證接收站點來得及快取清理和處理。
時間計算。若傳送時延為$t0$，傳播時延為$t$，A傳送完畢到檢測到發生碰撞的時延為$tB$，強化訊號時延為$tJ$，則因為碰撞浪費的時延為$tB+tJ$，匯流排被佔用的時延為$tB+tJ+t$，因為最後1bit還要經過一個單程端到端時延。

通道利用率

說明乙太網通道利用率。

傳送一幀的時間是（若干個爭用期時間$2t$）+傳送時延$T_0$ + 單程端到端時延$t$。可見，提高通道利用率，就要減小$t$和$T0$之比。定義：$a = \frac {t} {T_0} $，希望$a$越小越好。

通道極限利用率為：假設發生碰撞，極限利用率為：

$S_{max}=\frac{T_0}{T_0+t}=\frac{1}{1+a}$ ，可見，$a$越小越好。

乙太網的MAC層

上面提到過，對於廣播通道，802.3將資料鏈路層劃分為LLC和MAC，但實際上LLC無用，只討論MAC。MAC就是媒體接入控制的意思。因而，實際上廣播通道的資料鏈路層就是指MAC層。

MAC地址

MAC地址是一個硬體地址，於網絡卡的ROM中。他是一個48bit即6個位元組的序列，現在使用的是EUI-48。一個地址是一個站的名字或者識別符號，它由註冊管理機構RA同一頒發。前三個位元組為公司識別符號，即組織唯一識別符號OUI，這是生產公司申請到的。後三個位元組為擴充套件識別符號，為公司自己制定。

IEEE規定，MAC地址的第一位元組的最低位為I/G位，標誌是I（individual）或者G（group），為I時為0，表示單個站地址，G時為1，表示組地址，用來多播。

MAC地址的第一位元組的倒數第二位為G/L位，表示全球管理(0)/本地管理(1)，若不申請全球OUI，也可以使用本地管理，即將G/L位置1。

這樣，實際上全球MAC共有$2^{44}$個。

區域網內就根據MAC地址進行傳送、接受資料，當某站點接收到幀，檢查MAC目的地址是否與本機MAC相匹配，不匹配則不接受。

傳送的幀包括：單播幀、廣播幀（全1）和多播幀。

MAC幀格式

MAC幀（+最前面插入8位元組）格式如下：

前同步碼	幀開始定界符	目的地址	源地址	型別	資料	FCS
1010..10	1010101011	目的MAC	本站MAC	網路層型別	資料報	CRC檢驗
7位元組	1位元組	6位元組	6位元組	2位元組	46-1500位元組	4位元組

上面的表格中，前8個位元組不屬於MAC幀內容，只是為了幀同步和開始定界，CRC也不檢測前8位元組是否出錯。
MAC幀的範圍是64位元組-1518位元組，資料部分是46-1500位元組。

擴充套件乙太網

擴充套件乙太網主要從下面兩方面。

物理層上擴充套件乙太網

工作在物理層的轉發器、集線器，將多個區域網連線起來，擴大碰撞域，但並不增加吞吐量。

資料鏈路層擴充套件乙太網

使用工作在資料鏈路層的乙太網交換機，擴大乙太網。交換機可以實現全雙工，並行，儲存資料幀快取，以及自學習交換表（地址表）進行轉發。這種方式增加了吞吐量。

應注意自學習交換表的方法，P100，另外，為了防止資料在物理環路上繞圈子，採用“生成樹協議STP”，將某些鏈路在邏輯上切斷，其過程類似於最小生成樹。

虛擬區域網

不同區域網內的幾個計算機可以虛擬的連線起來構成虛擬區域網VLAN，以實現某些特定目的。

VLAN就是由一些區域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組。

VLAN的幀增加了4個位元組的VLAN識別符號，標記此站點屬於哪個VLAN。

這樣可以防止廣播風暴。

器件

總結工作在物理層的：轉發器、集線器hub。

工作於資料鏈路層：交換機。

工作於物理+資料鏈路層：介面卡。

高速乙太網以及問題

傳統乙太網指的是10BASE T，意義10：10Mbit/s，BASE：基帶訊號，T：雙絞線。

之前還有：

10BASE 5：10：10Mbit/s，BASE：基帶訊號，5：500m粗纜。

10BASE 2：10：10Mbit/s，BASE：基帶訊號，2：200m細纜。

現在頻寬逐漸提高，已經有：

100BASE T：100：100Mbit/s，BASE：基帶訊號，T：雙絞線。

吉位元乙太網、10吉位元乙太網等。

100BASE T

將頻寬提高10倍，幀格式不變。引數$a=\frac{t}{T_0}$，$T_0$變為$1/10$，則$a$增加10倍，通道利用率降低。100 BASE T採用的策略是保證最短幀長不變，爭用期減少到$1/10$，即爭用期為5.12us，幀最小間隔是0.96us，（這其實是將物理線路最長長度減少到$1/10$，實際中100BASE-TX是100m）

吉位元乙太網

傳送速率1G bit/s。幀格式不變，吉位元乙太網可以工作在半雙工和全雙工下，保持$a$不變，採取：

半雙工下

仍然保持物理線路最長為100m（與100BASE-T同），最短幀長依然為512bit（64位元組），但爭用期不再是512bit時間，而是512位元組時間（擴大8倍），這樣，傳送不足512位元組的幀，需要進行填充處理，使得達到512位元組，這叫載波延伸。另外，還有分組突發功能，第一個短幀採用載波延伸，後面跟著的短幀則一個接一個傳送，形成長度達到1500位元組的資料。（這是為了保證不要每個短幀都填充，只要過了爭用期就好了。）
全雙工下

不需要載波延伸和分組突發，因為不會發生衝突。

10吉位元乙太網（10GE）

幀格式不變，只工作於全雙工，不使用CSMA/CD協議，沒有爭用期之說。

NOTE：半雙工下采用CSMA/CD，全雙工不用CSMA/CD。