計算機網路 -- 資料鏈路層

阿新 • • 發佈：2019-01-14

資料鏈路層的功能：

(1) 鏈路管理：鏈路的簡歷、維持和釋放
(2) 幀定界
(3) 流量控制
(4) 差錯控制
(5) 將資料和控制資訊區分開來
(6) 透明傳輸
(7) 定址：每一幀都能找到目的站

資料鏈路層的通訊通道：

點對點通道：一對一進行通訊
廣播通訊：一對多的通訊方式

重要的三個概念：

物理鏈路：兩個結點的一段物理線路，中間沒有任何的交換結點。鏈路是一條路徑的組成部分。
邏輯鏈路：物理鏈路 + 必要的通訊協議的實現硬體和軟體
幀：點對點通道的資料鏈路層的協議資料單位。

通訊的步驟：

這三個步驟，也體現了資料鏈路層的基本問題。
1、封裝成幀：將網路層交付的IP資料報新增首部和尾部。（封裝成幀）
2、傳送：將封裝好的幀進行傳送（透明傳輸）
3、接收分析：檢驗接收到的幀是否有差錯，若無，提取IP資料報，提交上層網路層，如果有錯，丟棄幀。（差錯檢測）

封裝成幀：

將上層的資料按照幀協議的最大傳輸單元（mtu） + 幀頭（有控制字元soh，十六進位制編碼為01）和幀尾（有控制字元eof，十六進位制編碼為04）（這兩者還有一個幀定界的作用）

透明傳輸：

在文字檔案傳輸的情況下，任何8位元的組合不會出現幀定界符的編碼一樣的情況；不管鍵盤輸入什麼字都可以放在幀中傳輸。問題，在非ASCII檔案中萬一在資料段出現了幀的控制字元，傳輸過程中接受資料被提前結束怎麼辦？
解決方法：字元填充（位元組填充），傳送端的資料鏈路層在資料中出現的控制字元前插入一個轉義字元esc（十六進位制為1b）。在接收端的資料鏈路層在發往網路層的時候刪除這個插入的轉義字元。

差錯檢查：

位元差錯：0變1，1變0
誤位元速率：在一段時間內，傳輸錯誤的位元佔所傳輸位元總數的比率稱為誤位元速率（ber）。
迴圈冗餘檢查（crc）：在資料鏈路層使用的檢錯技術。

現假設選擇的CRC生成多項式為G（X） = X4 + X3 + 1，要求出二進位制序列10110011的CRC校驗碼。下面是具體的計算過程：
（1）首先把生成多項式轉換成二進位制數，由G（X） = X4 + X3 + 1可以知道（，它一共是5位（總位數等於最高位的冪次加1，即4+1=5），然後根據多項式各項的含義（多項式只列出二進位制值為1的位，也就是這個二進位制的第4位、第3位、第0位的二進位制均為1，其它位均為0）很快就可得到它的二進位制位元串為11001。
（2）因為生成多項式的位數為5，根據前面的介紹，得知CRC校驗碼的位數為4（校驗碼的位數比生成多項式的位數少1）。因為原資料幀10110011，在它後面再加4個0，得到101100110000，然後把這個數以“模2除法”方式除以生成多項式，得到的餘數（即CRC碼）為0100，如圖5-10所示。注意參考前面介紹的“模2除法”運演算法則。

（3）把上步計算得到的CRC校驗0100替換原始幀101100110000後面的四個“0”，得到新幀101100110100。再把這個新幀傳送到接收端。
（4）當以上新幀到達接收端後，接收端會把這個新幀再用上面選定的除數11001以“模2除法”方式去除，驗證餘數是否為0，如果為0，則證明該幀資料在傳輸過程中沒有出現差錯，否則出現了差錯。

ppp協議

PPP（點到點協議）是為在同等單元之間傳輸資料包這樣的簡單鏈路設計的鏈路層協議。這種鏈路提供全雙工操作，並按照順序傳遞資料包。設計目的主要是用來通過撥號或專線方式建立點對點連線傳送資料，使其成為各種主機、網橋和路由器之間簡單連線的一種共通的解決方案。

功能：

鏈路控制
　　PPP為使用者發起呼叫以建立鏈路；在建立鏈路時協商引數選擇；通訊過程中隨時測試線路，當線路空閒時釋放鏈路等。PPP中完成上述工作的元件是鏈路控制協議。

LCP（Link Control Protocol，LCP）。
網路控制
　　當LCP將鏈路建立好了以後，PPP要開始根據不同使用者的需要，配置上層協議所需的環境。PPP使用網路控制協議NCP（Network Control Protocol，NCP）來為上層提供服務介面。針對上層不同的協議型別，會使用不同的NCP元件。如對於IP提供IPCP介面，對於IPX提供IPXCP介面，對於APPLETALK提供ATCP介面等。

組成部分：

1、將IP資料報封裝到序列鏈路的方法，即支援非同步鏈路，也支援面向位元的同步鏈路。
2、一個用來簡歷、配置和測試資料鏈路連線的鏈路控制協議LCP。
3、一套網路控制協議NCP。

幀格式：

PPP幀的首部為四個欄位，尾部為兩個欄位;

首部的第一個欄位和尾部的第二個欄位都是十六進位制的0x7E，標誌欄位表示一個幀的開始或者結束，標誌欄位也是PPP幀的定界符，連兩個幀之間只要一個定界符，如果連續出現兩個定界符，則表示是空串。

PPP首部的第四個欄位是2個位元組的協議欄位。當協議欄位為0x0021時，PPP幀的資訊欄位就是IP資料報；若為0Xc021，則資訊欄位是PPP鏈路控制協議LCP的資料；而0x8021表示這是網路層的控制資料。

資料完整：

位元組填充：

當資訊欄位出現和標誌欄位一樣的位元，將採用位元組填充的方式避免出現歧義。
1、資訊欄位出現的每個0x7E轉換===>為0x7D和0x5E，
2、資訊欄位出現的0x7D轉換====>為0x7D和0x5D
3、小於0x20的控制字元，新增0x7D。

零位元填充法：

每出現5個連續的1，立即填入一個0。

PPP回話的四個階段

既然要對PPP協議詳解，那麼肯定需要對PPP協議的四個階段進行了解了。一次完整的PPP回話過程包括四個階段: 鏈路建立階段、確定鏈路質量階段、網路層控制協議階段和鏈路終止階段（如圖2所示）。

PPP回話過程包括四個階段

(1) 鏈路建立階段：PPP通訊雙方用鏈路控制協議交換配置資訊，一旦配置資訊交換成功，鏈路即宣告建立。配置資訊通常都使用預設值，只有不依賴於網路控制協議的配置選項才在此時由鏈路控制協議配置。值得注意的是，在鏈路建立的過程中，任何非鏈路控制協議的包都會被沒有任何通告地丟棄。

(2) 鏈路質量確定階段：這個階段在某些文獻中也稱為鏈路認證階段。鏈路控制協議負責測試鏈路的質量是否能承載網路層的協議。在這個階段中，鏈路質量測試是PPP協議提供的一個可選項，也可不執行。同時，如果使用者選擇了驗證協議，驗證的過程將在這個階段完成。PPP支援兩種驗證協議：密碼驗證協議（PAP）和握手鑑權協議(CHAP)。

(3) 網路層控制協議階段：PPP會話雙方完成上述兩個階段的操作後，開始使用相應的網路層控制協議配置網路層的協議，如：IP、IPX等。

(4) 鏈路終止階段：鏈路控制協議用交換鏈路終止包的方法終止鏈路。引起鏈路終止的原因很多：載波丟失、認證失敗、鏈路質量失敗、空閒週期定時器期滿或管理員關閉鏈路等。

區域網的拓撲：

分類：星形網，環形網，匯流排網，樹形網

共享通道的劃分：

1、靜態劃分通道：頻分，時分，波分，碼分等，一旦分配到通道就不會與其他使用者衝突。
2、動態媒體接入控制：
隨機接入：所有使用者隨機發送資訊，會出現碰撞的現象。
受控接入：使用者服從控制，輪詢地傳送資訊。

介面卡的作用：

進行序列\並行的轉換；對資料進行緩衝；在計算機作業系統安裝驅動裝置；實現乙太網協議

CSMA/CD：

載波監聽多點接入／碰撞檢測。一個站不能同時進行傳送和接收，因此，不能進行全雙工通訊而進行雙向交替通訊(半雙工通訊)

MAC地址：

實際是介面卡地址或介面卡識別符號EUI-48,有兩個位元組的也有6個位元組的，目前使用的是6個位元組的。全球由IEEE的註冊管理機構RA(區域網全球地址法定管理機構)負責分配地址欄位的6個位元組中的前三個位元組(也叫地址塊，也叫組織唯一識別符號OUI，通常也叫公司標示符)；一般後面的三個位元組由廠家來進行分配，也叫做擴充套件標示符；一個地址塊可以有2的24次方個不同的地址，這種地址也叫做MAC-48(通用簡寫EUI-48，英文為擴充套件的唯一標識)

例題：

eg1:
一個PPP幀的資料部分（用十六進位制寫出）是7D 5E FE 27 7D 5D 7D 5D 65 7D 5E。試問真正的資料是什麼？？
解：
根據：位元組填充的法則，可以得到：
具體的做法是將資訊欄位中出現的每一個0x7E位元組轉變成2位元組序列（0x7D，0x5E）。若資訊欄位中出現一個0x7D的位元組，則將其轉變成2位元組序列（0x7D，0x5D）。若資訊欄位中出現ASCII碼的控制字元，則在該字元前面要加入一個0x7D位元組。這樣做的目的是防止這些表面上的ASCII碼控制字元被錯誤地解釋為控制字元。

真正的16進位制資料是7E FE 27 7D 7D 65 7E

eg2:
假定1KM長的CSMA/CD協議網路的資料率為1Gb/s。設訊號在網路上的傳播速率為200000KM/S。求能夠使用此協議的最短幀長？？
解：
對於 1km 電纜，單程傳播時間為1÷200000=5×，即5us，來回路程傳播時間為10us。為了能夠按照CSMA/CD工作，最小幀的發射時間不能小於10us。以1Gb/s速率工作，10us可以傳送的位元數等於：

10x10的-6次方/1x10的-9次方 = 10000，因此，最短幀是10000 位或 1250 位元組長。

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