資料鏈路層的功能

資料鏈路層在物理層提供服務的基礎上向網路層提供服務，主要作用是加強物理層傳輸原始位元流的功能，將物理層中可能出錯的物理連線改造成邏輯上無差錯的資料鏈路。讓網路層看來，是一條無差錯的鏈路。

為網路層提供服務

1）無確認的無連線服務：源機器傳送資料幀時，不建立連線，目的機器收到後也不發回確認，對於丟失的幀不負責重發，交給上層處理。適合實時通訊和誤位元速率較低的通訊。如乙太網。

2）有確認的無連線服務：依舊是不建立連線，但是目的機器收回時，發回確認，在規定時間內目的機器沒有收到確認，就重傳，提高可靠性。適用於誤位元速率較高的通訊，比如無線通訊。

3）有確認面向連線服務：幀傳輸經過三個階段：建立資料鏈路、傳輸幀、釋放資料鏈路。目的機器每收到一幀就發回確認，可靠性、實時性高。

鏈路管理

鏈路的管理主要對於面向連線服務的管理。

1、兩結點要通訊前，先確定對方已處於就緒狀態

2、交換必要資訊進行幀序號初始化

3、建立連線

4、傳輸過程中維持連線

5、傳輸結束時釋放連線

幀定界：在資料鏈路層中，要將網路層的分組封裝成幀，以幀的格式傳送。將分組前後加上首部尾部就變成了幀，首部尾部中的控制資訊可以確定幀的界限。此所謂幀定界。

幀同步：指接收方在收到幀時，應該能根據幀的首部和尾部的特點，從二進位制位元流中確定幀的起始和終止。（在HDLC通訊規程中，標識位F 01111110來標識幀的開始和結束 ）

透明傳輸：透明傳輸是針對幀同步中出現的問題， 透明傳輸就是指不管傳輸的是什麼資料，都不會因為與幀同步中的標識位相同而提前結束傳輸。

流量控制

由於存在收發雙方的速度不一致的情況，流量控制就是用來解決速度不一致的問題，實際上就是限制傳送方的資料流量，使傳送方的資料不會超車。傳送方在傳送過程中應該能夠接收到某種反饋來感知接收方的速度，然後來調整自己的速度。

【注意】流量控制在很多層都有，只是作用物件不一樣，資料鏈路層中的流量控制針對的是相鄰兩結點之間的資料鏈路上面的流量。

差錯控制

由於通道中有噪聲，以及各種現實因素的干擾，所以幀在傳輸過程中會有錯誤發生。錯誤通常分為兩種：位錯和幀錯

  位錯是指某一位出現了錯誤，可以用迴圈冗餘校驗CRC方式發現位錯，通過自動重傳請求ARQ方式重傳出錯的幀。

  幀錯是指幀的丟失、重複、失序的錯誤。在資料鏈路層引入計數器和編號機制，就可以避免幀錯。

組幀

資料鏈路層之所以不像物理層那樣用位元直接做單位，而是使用幀，是基於分段的思想，為了實現差錯控制時不用把所有資料重新發一遍，並且分段檢錯更容易一些。所以用幀作為資料單位。所以傳送方應該將網路層的分組組成幀。組幀主要解決幀定界、幀同步、透明傳輸的問題。

1）字元計數法

在幀頭部使用一個計數字段來標明幀內的字元數，從而就可以確定結束的位置了。（字元數中包含計數字段本身的一個位元組）

特點：這種方法的問題在於對錯誤非常敏感，一旦頭部的計數字段出了問題，收發雙發將失去同步，後面的資料應該全部錯誤。

2）字元填充的首尾定界符法

使用特殊的字元來標識一幀的開始和結束，為了實現透明傳輸，資料鏈路層應該首先對網路層的資料進行處理，把資訊位中出現的特殊字元前面加一個轉義字元DLE，然後再組幀傳輸。接收方收到幀後，遇到轉義字元就知道如何還原了。

3）位元填充的首尾標誌法

位元填充法允許資料幀包含任意個數的位元，也允許每個字元的編碼包含任意個位元數。它使用一個特殊的位元串來表示幀的開始和結束。即01111110來表示。為了不讓資訊位中錯誤識別成特殊位，要把資訊位進行填充處理，每遇到連續的5個1就在後面填充一個0，接收方再逆操作。

特點：硬體上比字元填充更易於實現，效能優於字元填充。

4）違規編碼法

物理層中的位元編碼通常採用違規編碼法，例如曼徹斯特編碼方法中，將高低看作0 底高看做1 那麼高高和低低就是違規的。違規就表示沒有采用，那麼可以在幀的起始和結束的時候使用違規的編碼來區分，這樣不需要填充就能實現透明傳輸。區域網IEEE802標準就使用了這種方法。

特點：只適用於採用冗餘編碼的特殊編碼環境。現在常用的方法就是位元填充和違規編碼兩種方法。

差錯控制

  差錯的原因都是噪聲引起的，噪聲有兩類，一種是通道固有的隨機熱噪聲，是可以通過提高信噪比來避免的，但是另一種是由於外界短暫原因造成的衝擊噪聲，是無法避免的。

  通常利用編碼技術進行差錯控制,自動重傳請求ARQ和前向糾錯FEC。ARQ是發現錯誤後，自動請求重續傳輸錯誤幀，FEC不僅能發現差錯，還能確認錯的二進位制位，可以糾正。因此差錯控制可以分為檢錯編碼和糾錯編碼

1）檢錯編碼1、奇偶校驗碼2、迴圈冗餘碼CRC

2）糾錯編碼：海明碼

流量控制

流量控制主要是對傳送方的速度控制，這裡主要涉及到如何將接收方的速度資訊很好的反饋給傳送方。常見的方式有兩種：停止等待協議和滑動視窗協議

1）停止等待協議基本原理

傳送方每傳送一幀，都要等待接收方的應答訊號，之後才能發生下一幀。弱智方法，效率很低。

2）滑動視窗協議基本原理

發生方有一個傳送視窗，視窗內的幀都是可以傳送的，視窗外的幀是不能傳送的，當傳送視窗中的幀傳送完時，就停止傳送。當接收方返回一個確認幀時，傳送視窗就像前移動一個。其本質就是停止等待協議中加了一些緩衝空間。

【簡而言之】從滑動視窗的角度來看，後面的所有流量控制演算法之間的區別只是視窗大小不同罷了。

【ps】在資料鏈路層中，視窗的大小是固定的。接收視窗為1時，可以保證幀的有序傳輸。

3）可靠傳輸機制

資料鏈路層中的可靠機制主要依靠確認和超時重傳來實現。傳送方在傳送一個數據幀後，會有一個計數器，計時，在有限時間範圍內如果沒有收到確認就重新發，直到收到為止。

自動重傳請求和視窗滑動機制結合，就有三種方式：停等式ARQ、後退N幀ARQ、選擇性重發ARQ。後兩種都是視窗與重傳的結合。

單幀滑動視窗（停止等待協議）

停止等待協議本質上就是傳送視窗和接收視窗都為1的單幀滑動視窗。

在停止等待協議中，一共有三種錯誤的可能：

1）資料幀丟失：重傳就好了

2）資料幀錯誤：源站裝備計時器，接收方收到錯誤的幀時，丟棄，源站利用計時器，超時重傳。

3）確認幀錯誤：資料沒錯，但是接收方返回的確認幀錯誤了，源站重發，接收方重複後丟棄並重發確認幀。

模擬停止等待協議的收發過程：

設傳送的幀交替用0和1表示，肯定確認用ACK0和ACK1表示

傳送結點：

1、從主機取一個數據幀，送到傳送快取

2、設定傳送狀態變數V（Ｓ），並初始化為0

3、將傳送狀態變數賦值給傳送序號N（S）

4、將快取區中的資料幀發出去（快取區中的副本直到收到確認幀才刪除）

5、超時計數器開始計時。

6、等待

7、在沒有超時的時間範圍內：

若收到確認幀ASKn，若n==1-V（S），則說明收到確認，從主機取一個新的資料幀，放入快取，然後執行V(S)=1-V(S)，更新發送狀態變數，轉到第4步。若n不等於1-V（S），那就丟棄這個確認幀，說明資料幀沒有收到，轉到第6步。

8、超時後，轉到第4步。

接收結點：

1、初始化接收狀態變數，其值應等於將要接收的資料幀的序號。

2、等待

3、收到一個數據幀後，檢查有無錯誤。如果有錯誤，丟棄資料幀，轉2.否則繼續

4、若收到的資料幀序號和接收狀態變數一致，則繼續，否則丟棄此資料幀，轉到7.

5、將收到的資料幀的資料部分送交主機

6、更新V（R）

7、傳送確認幀ACKn並轉到2 n=V（R）

通道效率：也稱為通道利用率，指傳送方在一個傳送週期內，有效傳送資料的時間佔整個傳送週期的時間的比率。（傳送週期是從發出去到接收到確認幀）

通道吞吐率=通道利用率✖️傳送方的傳送速率

介質訪問控制

介質訪問控制所要完成的主要任務是為使用介質的每個結點來隔離來自同一通道其他結點傳送的訊號。用來決定廣播通道分配的協議屬於資料鏈路層中的介質訪問控制子層。

常用的介質訪問控制方法有：通道劃分介質訪問控制（靜態）、隨機訪問介質訪問控制（動態）、輪詢訪問介質訪問控制（動態）。

通道劃分介質訪問控制

通道劃分介質訪問控制將使用介質的每個裝置與來自同一通訊通道上的其他裝置的通行隔離開，把時域和頻域合理分配給網上的裝置。

通道劃分的實現方法主要是多路複用技術，以分時、分頻、分碼的角度來把一條廣播通道劃分成邏輯上的多個用於兩結點之間的子通道。實際上也把廣播通道轉變為點對點通道。

1）頻分多路複用FDM

將基帶訊號調製到不同的頻率載波上，再進行疊加的技術。將物理通道劃分成多個比單個傳輸訊號略寬的子通道。每個子通道傳輸一種訊號。子通道的寬頻的總和不能超過總頻寬。

特點：系統利用率較高，充分利用傳輸介質的頻寬。技術也比較成熟。

2）時分多路複用TDM

TDM就是將一條物理通道按時間分成若干個時間片，輪流地分配給多個訊號使用。這樣利用每個訊號在時間上的交叉，就可以一條物理通道傳輸多個訊號。

3）波分多路複用WDM

波分多路複用是光的頻分複用。在一根光纖中傳輸多種不同波長的的光訊號。波長就是光的頻率。

4）碼分多路複用CDM

CDM是依靠不同的編碼來區分各路原始訊號的一種複用方式。CDM不用分開頻域或者時域。即共享了空間也共享了時間。

分碼多重進接CDMA是碼分複用的一種方式，其原理是用一種碼錶示1，用其反碼錶示0，那麼多個站點同時傳送時，要求各個站點的碼是正交的。就把碼當作向量的話，這些碼都是互相正交。然後在同時傳播時，就線性疊加起來後，通過規格化內積（線性代數中的內容）得到原始訊號。

特點：頻譜利用率高，抗干擾能力強，保密性強，主要用於無線通訊系統，特別是移動通訊系統。

隨機訪問介質控制

在隨機訪問協議中，不使用集中控制方式傳送資訊，使用者想發信息就發信息，佔用通道全部速率。這種方式，就很有可能產生碰撞。所以需要一些規則來解決碰撞的情況，這就是隨機訪問控制協議：常用的協議ALOHA協議、CSMA協議、CSMA/CD協議、CSMA/CA協議。核心思想都是：勝利者通過爭用通道，從而獲得資訊的傳送權。此種方式下，各結點之間的通訊，既不共享時間，也不共享空間。所以隨機介質訪問控制實質上是一種將廣播通道轉化為點到點的通道。

1）ALOHA協議

 ALOHA協議分為純ALOHA和時隙ALOHA兩種。

純ALOHA的基本思想是任何一個站點需要傳送資料的時候，可以不進行不任何檢測就傳送資料。如果一段時間沒有收到確認，就等待一段隨機長度的時間重新發送資料。但是純ALOHA協議吞吐量很低，所以有了改進版時隙ALOHA，把所有各站在時間上同步起來，並將時間劃分為一段段等長的長度。規定只能在每個時隙的開始的時候才能傳送幀，從而提高吞吐量。大約是純ALOHA的一倍。

【總而言之】純A思想是任意傳送，碰撞等待隨機一段時間。改進版時A的思想是，把時間劃分為等長的時間間隙。只能在時間開始的時候才能傳送。有效的減少了碰撞。

2）CSMA協議

載波偵聽多路訪問協議。相比於ALOHA協議上，多加了一個載波偵聽裝置。根據偵聽的策略，CSMA又分三種方式：

1、1-堅持CSMA

內容：傳送資料要偵聽通道，閒則傳送，忙則等待，繼續監聽，直到空閒發出。

特點：如果雙方同時偵聽到閒，就會同時傳送，產生碰撞。

2、非堅持 CSMA

內容：傳送資料要偵聽通道，閒則傳送，忙則等待一個隨機的一段時間後再重新發。

特點：避免了碰撞，但是增加了平均延遲時間。

3、p-堅持 CSMA

內容：用於時分通道，傳送資料時偵聽通道，忙則等待到下一個時隙，閒則以p概率發出去，以1-p的概率推遲到下一個時隙。

特點：這是兩種方法的折中。

3）CSMA/ＣD

載波偵聽多路訪問/碰撞檢測，這是CSMA的改進方案。適用於匯流排型網路或半雙工網路。增加了碰撞檢測功能，碰撞檢測就是邊傳送邊偵聽，即檢測通道上訊號電壓變化，來判斷自己在傳送資料時其他站點是否也在傳送資料。其主要思想總結為，先聽後發，邊聽邊發，衝突停發，隨機重發。當碰撞檢測檢測到異常的電壓訊號，就停止傳輸它的幀，併發送一個48位元的擁塞訊號。在中止以後使用截斷二進位制指數退避演算法返回。

特點：載波幀聽的方法對傳播時延敏感，因為傳送站需要在傳送幀傳送完之間就收到碰撞的反饋訊號。所以為了確保傳送站在傳送資料的同時能檢測到可能存在的衝突，所以設計了一個最小幀長=匯流排傳播時延*資料傳輸速率*2 。所以用了CSMA/CD的乙太網必須規定最小幀長，並且只能用於半雙工通訊。

【補充】二進位制指數退避演算法

當發生碰撞的時候，通過這個演算法來確定接下來該如何操作決定。

1、確定基本退避時間，退避時間一般取兩倍的匯流排端到端傳播時延（兩倍是因為來回，這就是爭用期）

2、定義引數k=min[k,10],即k取值為重傳次數，但是不能超過10次。

3、從離散的整數集合【0，1，2，，，2^k-1】中隨機取一個數r，下次重傳等待時間就是r倍的基本退避時間。

4、當重傳到第16次仍然失敗，則放棄傳送。

二進位制指數退避演算法也稱為動態退避演算法。可以減少發生碰撞的概率。

4）CSMA/CA

CSMA/CD已經成功應用在使用有線連線的區域網，但在無線區域網的環境下，卻不能直接用CSMA/CD，因為在無線的環境下，很難直接使用碰撞檢測。原因有二，一個是無線環境下訊號強度的衰減，另一個是在無線通訊中，並非所有站點都能聽見對方。

為此，802.11標準定義了廣泛應用於無線區域網的CSMA/CA協議，把碰撞檢測的內容修改成了碰撞避免。

CSMA/CA使用二進位制指數退避演算法，當通道剛剛變為閒態時，任何一個站要傳送資料幀時，不僅都必須等待一個時間間隔，並且都要進行退避演算法，這樣減少了發生碰撞的概率。只有通道是空閒的時候，並且這個資料幀是要傳送的第一個時，才不使用退避演算法。

CSMA/CA除了使用退避演算法，還使用以下三種方法：

1、預約通道：傳送方在傳送資料時，向其他站點廣播自己傳輸資料所需要的時間。避免碰撞

2、ACK幀：ACK幀其實就是接收方給傳送方發的確認幀。

3、RTS/CTS幀：是可選的碰撞避免機制，主要用於解決無線網中的隱蔽站的問題。

CSMA/CD（有線）和CSMA/CA（無線）的比較

1、有線可以檢測衝突不能避免衝突

   無線只能儘量避免衝突

2、有線使用匯流排式乙太網

   無線用於無線區域網

3、有線中通過檢測電壓變化

   無線中使用能量檢測、載波檢測、能量載波混合檢測通道空閒的三種方式

4、在結點出有無衝突，不意味著接收結點就有無衝突。

【總而言之】CD有線就是邊發邊聽，碰撞就停止。CA無線是告知其他結點別和我撞哈。

輪詢訪問介質訪問控制：令牌傳遞協議

主要用於令牌區域網中，在區域網中，有一個令牌在遊蕩，只有你拿到令牌時，你才能傳送資訊，否則只能等待。裝置的物理連線不一定是一個環，但是裝置邏輯上必須是一個環。

【總結】本質上，介質訪問控制層的功能就是實現多個站點如何共享通道的。

區域網

區域網的基本概念

區域網是在一個較小的地理範圍內，將各種計算機、外部裝置、資料庫系統等通過雙絞線、同軸電纜連線起來。組成資源和資訊共享的計算機網際網路絡。

主要特點有：

1、為一個單位所有，地理範圍和站點數量有限。

2、共享較高的總頻寬

3、較低的時延和較低的誤位元速率。

4、各站平等，沒有主從

5、廣播和組播能力。

區域網的三個要素，拓撲結構、傳輸介質、介質訪問控制方式（最重要）。

常見的拓撲結構：星形結構、環形結構、匯流排型結構、複合型結構

常見的傳輸介質：雙絞線（主流）、同軸電纜、光纖

常見的介質訪問控制：CSMA/CD（匯流排型）、令牌總系（匯流排型）、令牌環（環形）

區域網的體系結構

1、乙太網：目前使用最廣泛的區域網，邏輯拓撲是匯流排型結構，物理拓撲是星形結構。

2、令牌環：IEEE802.5，邏輯拓撲是環形結構，物理拓撲是星形

3、FDDI：光纖分佈數字介面，IEEE802.8，邏輯拓撲是環形結構，物理拓撲是雙環結構

IEEE802標準定義了局域網的資料鏈路層和物理層，將資料鏈路層拆成了兩個子層：邏輯鏈路控制LLC子層和媒體接入控制MAC子層。 MAC子層負責傳輸媒體有關的內容，向上層遮蔽物理層訪問的各種差異。提供對物理層的統一訪問介面。主要功能有組幀、拆卸幀、位元傳輸差錯檢測、透明傳輸。

LLC子層與傳輸媒體無關，向網路層提供無確認無連線、面向連線、帶確認連線、高速傳送四種不同的連線服務。

【ps】乙太網在區域網處於壟斷地位，802委員會制定的LLC子層已經失去意義。

乙太網與IEEE802.3

IEEE802.3標準是一種基帶匯流排型的區域網標準。描敘物理層和資料鏈路層的MAC子層的實現方法。

乙太網邏輯上採用匯流排型拓撲結構，乙太網中所有計算機共享一根匯流排，資訊以廣播方式傳送。使用了CSMA/CD介質控制。乙太網中採用兩項措施來簡化通訊：採用無連線的工作方式。不對傳送的資料幀編號，也不要求對方確認，乙太網提供的是不可靠的服務，差錯控制由高層完成。

1）乙太網的傳輸介質與網絡卡

乙太網常用的傳輸介質有四種：粗纜、細纜、雙絞線、光纖。乙太網中的編碼都是曼徹斯特編碼。

粗纜：10BASE5 匯流排型 最多100結點

細纜：10BASE3 匯流排型 最多30結點

非遮蔽雙絞線：10BASE-T 星形 最多結點2         ⬅️需要記憶

光纖對：10BASE-FL 點對點 2個結點

【注意】星形網中心使用的是集線器，使用集線器的乙太網在邏輯上仍然是一個匯流排網。

網絡卡（網路介面卡）

1、計算機要與外界區域網連線是通過主機箱內插入一塊網絡卡。

2、網絡卡上是有處理器和儲存器的，是工作在資料鏈路層的工作元件。

3、網絡卡是區域網連線計算機和傳輸介質的介面。

4、網絡卡可以實現與區域網傳輸介質之間的物理連線和電訊號匹配

5、網絡卡的功能還涉及幀的傳送與接收、幀的封裝和拆封、介質訪問控制、資料的編碼與解碼、資料快取等

6、全世界每個網絡卡出廠時都有唯一的程式碼，稱為介質訪問控制地址，也叫MAC地址。

7、網絡卡的MAC地址用於控制主機網路通訊，資料鏈路層裝置都用他。

8、網卡面向位元，所以網絡卡也工作在物理層。

2）乙太網的MAC幀

MAC地址：每一塊網絡卡都有一個獨一無二的地址，稱為MAC地址，也稱實體地址。MAC地址長6位元組即48位。高24位為廠商程式碼，低24位為廠商自行分配的網絡卡序列號。

乙太網MAC幀格式：

前導碼（8B）：使接收端和傳送端時鐘同步。一共8個位元組，前7個位元組是用來實現MAC幀的位元同步。第8個位元組是幀開始定界符。（因為各幀之間有間隙，所以不需要幀結束符）

目的地址（6B）：用來儲存目的地的MAC地址。

型別（2B）：指出資料域中的資料交給哪個協議實體。

資料（46-1500B）：資料部分就是高層給資料鏈路層的東西。由於CSMA/CD演算法的限制，存在最小幀長度，在乙太網中最小長度為64B，除去MAC幀其他的部分，資料部分最小長度為46B。如果長度不足46B，就加以填充。

校驗碼FCS（4B）：校驗範圍從目的地址到資料段的末尾，採用32位迴圈冗餘碼。除了前導碼，都要檢查。

3）高速乙太網

速率達到或超過100Mb/s的乙太網稱為高速乙太網。

1、100BASE-T乙太網

是在雙絞線上傳送100Mb/s基帶訊號的星形拓撲結構乙太網，使用CSMA/CD協議。該乙太網即支援全雙工也支援半雙工。注意全雙工不使用CSMA/CD協議。主要是將網段中的最大電纜長度降低到100m，幀間時間間隔從原來的9.6到0.96.

2、吉位元乙太網

又稱千兆乙太網。允許在1Gb/s下使用全雙工和半雙工。使用802.3幀格式。半雙工下使用CSMA/CD。

3、10吉位元乙太網

與上述乙太網的幀格式完全相同。使用光纖作為傳輸媒體。只能工作在全雙工下。

【簡而言之】10倍的速度在增長，100兆通過降低網段長度，10gb使用光纖。

乙太網的高速發展足以說明，乙太網的可擴充套件性，靈活性，易於安裝。

IEEE802.11

  IEEE802.11是無線區域網的一系列協議標準（區別於802.3是有線的），制定了MAC層協議。不僅實現了基礎的協調訪問問題，標準還進行錯誤控制以及克服通道固有的不可靠性，適宜的定址、關聯規程以處理站的可攜帶性和移動性。允許使用者在移動時還可以通訊。

  802.11的MAC層使用的是CSMA/CA協議進行介質訪問控制。結點在傳送之前要偵聽通道，如果通道空閒，結點可以傳送幀，傳送站在傳送完一幀之後，必須等待一個短的時間間隔。檢查是否收到ACK確認幀。

無線區域網分為兩大類：第一類是有固定基礎設施；第二類是無基礎設施的

1）有固定基礎設施無限區域網

  802.11標準規定無線區域網的最小構建是基本服務集BSS。一個BSS包括一個基站和若干個移動站。所有的站在本BSS以內都可以直接通訊，如果和站外通訊，需要經過本BSS的基站。基站也稱為接入點。其作用像網橋一般。

  基本服務集既可以是孤立的，也可以通過接入點AP連線到一個主幹分配系統，然後就可以通過這個主幹分配系統連線其他的基本服務集，這樣就形成了擴充套件的服務集ESS。ESS還可以通過門橋的裝置為無線使用者提供其他標準的網路，比如有線網路。

【簡而言之】一個基站可以輻射一小片，基站為身邊的移動站服務。基站可以通過主幹分配系統連線其他的基站，這樣就可以形成一個擴充套件集，就可以輻射更大的範圍。然後整個無線網路還可以通過門橋連線其他標準的網路。

2)無固定基礎設施的無線區域網自組織網路

  自組織網路通過一些平等的移動站相互通訊組成的臨時網路。各結點之間地位平等，每個移動站都可以當作中間結點來轉發結點。屬於自治網路，沒有連線到大的因特網上。

令牌環網的基本原理

令牌環網路的每臺主機通過電纜與環接口乾線耦合器TCU相連線。

TCU主要作用是1、傳遞所有經過的幀.2、為接入站傳送和接收資料提供介面。

TCU有兩個狀態，收聽狀態和傳送狀態。資料總是從一個特定的方向，從一個TCU到下一個TCU。

令牌環網中的關鍵要素就是令牌，令牌本質上就是一個MAC控制幀，只能用來控制通道。可以確保在同一時刻，只有一個主機在使用通道。令牌順序的在環形線路上游蕩，所以既不會發生碰撞，也讓各個主機之間公平。

具體過程如下：

1、當通道空閒時，令牌在環路中游蕩。

2、當令牌傳遞到有資料要傳送的站點處時，該站點就修改令牌中的一個標誌位。然後主機把資料放在令牌中，令牌就變成一個數據幀。

3、令牌帶著資料沿著環路繼續跑，途中的主機如果看到目的地址和自己要發的一樣，就一起捎帶過去了。

4、資料幀最後會到達目的地，目的地會拿走資料。

5、直到資料幀重新回到源站點的時候，如果源站點檢查出錯，則重新傳，如果沒錯，就不再轉發這個資料幀，由源站點生成一個令牌。

令牌環網路在物理上是星形的，但邏輯上的環形的。其標準是802.5

廣域網

廣域網的基本概念

  廣域網就是覆蓋範圍非常廣的長距離網路。廣域網是因特網的核心部分，其任務是通過長距離運送主機所傳送的資料。可以說，廣域網直接服務的是區域網，而不是使用者。廣域網的鏈路又長又快，所以對於廣域網首要問題是通訊容量足夠大。

  廣域網不是網際網路，網際網路可以連線不同的網路型別，當廣域網連線上區域網時，就成為了網際網路。通過廣域網，一個區域網就可以與非常遠的另一個區域網通訊。

  廣域網由結點交換機和連線這些交換機的鏈路組成。結點交換機具有儲存轉發的功能。結點交換機之間是點對點連線的。（結點交換機與路由器類似，但是結點交換機在單個網路中轉發分組，路由器實在多個網路構成的網際網路中轉發分組）

  層次上，廣域網的協議主要在網路層，區域網主要在資料鏈路層。因為廣域網之間的結點交換資料所使用的控制資訊是網路層的，所以才這樣說。

  廣域網涉及網路層、資料鏈路層、物理層，而區域網只涉及資料鏈路層和物理層。

廣域網中的協議

1）PPP協議

PPP協議，也稱點對點協議。是使用序列線路通訊的面向位元組的協議。用於兩個直接連線的結點。設計目的是通過電話撥號或專線的方式建立點對點的簡單連線。連線各種主機、網橋、路由器。

PPP有三個組成部分：

1、鏈路控制協議LCP：用於建立、配置、測試、管理資料鏈路

2、網路控制協議NCP：NCP用於為不同的網路層協議之間建立和配置邏輯連結。

3、將IP資料報封裝到序列鏈路的方法：PPP幀中的資訊部分就是上層的IP資料報。

PPP幀格式：

1、標誌欄位（1B）：為7E（01111110）

2、地址欄位（1B）：規定為FF

3、控制欄位（1B）：規定為0x03

4、協議段（2B）：商定用的什麼協議。

5、資訊部分（0-1500B）

6、FCS校驗位（2B）：檢驗地址欄位、控制欄位、協議段、資訊欄位。

6、幀結尾標示（1B）：為7E（01111110）

PPP鏈路過程：當線路處於靜止狀態時，在物理層是無連線的，當線路檢測到有載波訊號時，建立物理連線，線路開始建立。LCP開始商定，商定成功後驗證雙方身份，成功後進入網路狀態，用NCP配置網路層，配置成功後，順利開啟，傳輸資料。傳輸完成後線路轉為終止狀態，載波停止後，迴歸靜止。

【簡而言之】PPP鏈路主要先通過LCP建立配置好後進入網路，接著用NCP配置好網路層後，就可以使用了。

【注意】1、PPP提供差錯檢查，不支援糾錯，所以依舊是不可靠的。

        2、PPP僅僅支援點對點

        3、PPP只支援全雙工

        4、PPP能相容不同的網路層

        5、PPP面向位元組，這點與HDLC協議不同。

2）HDLC協議

高階資料鏈路控制協議是面向位元的資料鏈路層協議。

該協議不依賴任何一種字元編碼集；

資料報文可以進行透明傳輸，用於實現透明傳輸的0位元插入法由硬體實現；

全雙工通訊，傳輸速率較高；

所有幀採用CRC檢驗，對資訊幀編號，是可靠性傳輸；

傳輸控制功能與處理功能分離；

HDLC可用於鏈路的兩種基本配置：非平衡配置和平衡配置。非平衡配置特點是一個主站控制整個鏈路的工作；平衡配置的特點是鏈路兩端的兩個站都是複合站，複合站雙方平等。

1、站

HDLC有三種站，主站、從站、複合站。主站負責鏈路控制，發命令幀，從站負責受命於主站，發出響應幀。複合站就是主站和從站的合體。既可以發命令幀也可以發響應幀。

2、資料操作方式

HDLC有三種資料操作方式

1」正常響應方式：主站向從站傳資料，從站進行響應傳輸，從站不可以擅自傳輸。

2」非同步平衡方式：平衡方式

3」非同步響應方式：在這種方式下，從站在沒有接到主站的允許下就可以進行傳輸。

3、HDLC幀結構（面向位元）：

1」標誌F（8bit）：7E 不解釋

2」地址A（8bit）：非平衡中是從站地址。平衡中是應答站地址。

3』控制欄位C（8bit）：最複雜的欄位。根據前兩位的不同，可將HDLC幀劃分為3種：

1x資訊幀（傳輸資料）、10監督幀（差錯控制流量控制）、11無編號幀（用於建立鏈路拆除鏈路）

4」資訊部分

5」幀檢驗序列（16bit）

6」結尾標誌F（8bit）：7E

HDLC與PPP的一些不同：

1、PPP面向位元組；HDLC面向位元

2、PPP幀比HDLC多了個協議欄位。

3、PPP不可靠；HDLC可靠。

資料鏈路層裝置（網橋和交換機）

1）網橋

網橋工作在MAC子層之中，負責連線乙太網，這裡的乙太網稱為網段；

網橋可以隔離碰撞，這點與集線器很不同；

網橋處理的物件是幀。（中繼器和放大器物件是訊號，所以工作在物理層）

網橋具備定址和路徑選擇的能力，以確定幀傳輸的方向。

網橋具有儲存轉發的功能，可以進行協議轉換。

網橋可以通過執行幀翻譯來互聯不同型別的區域網

網橋的優點：1、過濾通訊量.2、擴大了物理範圍。3、可使用不同的物理層。4、可以互聯不同型別的區域網。5、提高了可靠性。6、效能得到改善。

網橋的缺點：1、增加了時延。2、MAC子層沒有流量控制功能。3、不同的MAC子層的網段橋接在一起，幀格式需要轉換。4、網橋只適合使用者數不多的和通訊量不大的區域網。

1）透明網橋

透明網橋使用簡單粗暴的方式，接收它連線的所有網段發來的每一幀，到達幀的路由選擇過程取決於源網段和目的網段。透明網橋在幀來時，執行三種不同的操作：

1、如果目的地址和原地址相同，就丟棄

2、如果轉發表中有路徑，就按照路徑轉發

3、如果轉發表中沒有路徑，就廣播出去。

透明網橋的轉發表是自學習生成的，即不是人工配置的，是經過長時間的使用，逐漸建立的。學習過程是這樣的，網橋每接收一幀，就記錄下來源地址和進入的埠，作為轉發表中的一條。網橋認為可以通過這個原地址和埠發過來，就一定可以原路發回去。這樣的積累，建立起了轉發表。為了不讓幀在兜圈子，網橋建立的轉發表使用的是最小生成樹演算法，使整個擴充套件區域網是一種樹形結構，不會成環。

2）源路由網橋

在源路由網橋中，路由選擇由傳送資料幀的源站點負責。網橋只負責根據真正的路由資訊對幀進行接收和轉發。源站通過廣播發現幀，所有的網橋都要轉發發現幀。目的站接收一次就應答一次。每個應答的幀原路返回。源站點從這麼多應答幀中，選擇出最佳路由。

由於傳送幀可能會指數級增長，可能會讓網路嚴重擁塞

3）兩種網橋的比較

源路由是最佳路由，透明一般不是。源路由可以負載均衡，透明不行。

區域網交換機及其工作原理

1）區域網交換機

橋接器的主要限制是，任一時刻通常只能執行一個幀的轉發，所以出現了局域網交換機，也叫乙太網交換機。本質上，乙太網交換機就是一個多埠的網橋。工作在資料鏈路層。

交換機可以經濟的將網路分成小的衝突域，為每個工作站提供更高的頻寬

交換機對工作站是透明的，這樣管理廉價

利用以臺灣交換機還可以實現虛擬區域網，不僅隔離衝突域，還能隔離廣播域

2）原理

檢測從以太埠來的資料幀的源和目的地址的MAC地址，然後根據系統內部的動態查詢表比較。若資料幀的MAC地址不在查詢表，就把他加入查詢表，然後發到相應的目的埠。

3）特點

乙太網交換機直接與主機相連，網橋是連線到網段。

交換機工作在全雙工下

交換機可以同時連通多對埠，使每一對相互通訊的主機可以獨佔通訊媒體，沒有碰撞。

交換機即插即用，方便。

交換機使用了專用的交換結構的晶片，其交換速率很快

交換機獨佔傳輸媒體頻寬

4）分類

直通式交換機：比較傻瓜，缺乏安全性和智慧型，不支援不同速率的埠的交換

儲存轉發式：比較智慧，可以檢測錯誤，可靠性高，支援不同速率埠交換。但是時延比較大。