資料鏈路層概述

• 資料鏈路層使用的通道主要有以下兩種型別：

1、點到點通道：這種通道使用一對一的對等通訊方式；
2、廣播通道：這種通道使用一對多的廣播通訊方式，因此過程比較複雜。廣播通道上連線的主機很多，因此必須使用專門的共用通道協定來協調這些主機的資料傳送；

• 下面分析一下兩臺主機通過網際網路進行通訊時資料鏈路層所處的地位：
  

當主機H1向主機H2傳送資料時，從協定的層次上看，資料的流動如上圖所示。主機H1、H2都有完整的五層協定棧，但路由器在轉發分組的時候使用到的協定棧只有下面的三層。資料進入路由器後要先從物理層上到網路層，在轉發表中找到下一跳的地址後，再下到物理層轉發出去。因此，資料從主機主機H1傳送到H2需要在路徑中的各結點的協定棧向上和向下流動多次，即通過了：H1的鏈路層——R1的鏈路層——R2的鏈路層——R3的鏈路層——H2的鏈路層；

這期間，四段不同的鏈路層通訊可能採用不同的資料鏈路層協定；

使用對等通道的資料鏈路層

資料鏈路和幀

• 鏈路是指從一個結點到相鄰結點的一段物理線路（有線或無線），而中間沒有任何其他的交換結點，再進行資料通訊時，鏈路作為路徑的組成部分；
• 資料鏈路：當需要一條線路上傳輸資料時，除了必須有一條物理線路外，還必須有一些必要的通訊協定來控制這些資料的傳輸。把實現這些協定的硬體和軟體加到鏈路上，就構成了資料鏈路。
• 現在最常用的方法是使用網路介面卡來實現這些協定，一般的介面卡（比如網路卡）都包括了資料鏈路層和物理層這兩層的功能；
• 對等通道中的資料鏈路層的協定資料單元為——幀，資料鏈路層把網路層交下來的資料構成幀傳送到鏈路上，以及把接收到的幀中的資料取出並交給網路層。在網際網路中，網路層的協定資料單元就是IP資料包（簡稱為資料包、分組、包）；

• 上圖中對等通道的資料鏈路層在進行通訊時的主要步驟為：

1、結點A的資料鏈路層把網路層交下來的IP資料包新增首部和尾部封裝成幀；
2、結點A把封裝好的幀傳送給結點B的資料鏈路層；
3、若結點B的資料鏈路層收到的幀無差錯，則從收到的幀中提取出IP資料包交給上面的網路層，否則丟棄這個幀；

• 資料鏈路層就像一個管道，它傳輸的是幀；

三個基本問題

• 資料鏈路層的協定有許多種，但3個最基本的問題是：封裝成幀、透明傳輸、差錯控制；

封裝成幀

• 指的是在一段資料的前後分別新增首部和尾部，這樣就構成了一個幀；
• 接收端收到物理層上交的位元流之後，會根據首部和尾部的標記，從收到的位元流中識別幀的開始和結束；
• 首部和尾部的重要作用就是作為幀定界（即確定幀的界限），此外還包括了許多必要的控制資訊。
• 為了提高幀的傳輸效率，應當使幀的資料部分長度儘可能大於首部和尾部的長度。因此就有了資料部分長度上限——最大傳送單元MTU，如上圖所示；

幀定界符

• 當資料是由可列印的ASCII碼組成的文字檔案時，幀定界可以使用特殊的幀定界符。
• 控制字元SOH放在幀的最前面，表示幀的首部開始，另一個控制字元EOT表示幀的結束；
• 注意：這裡的SOH和EOT不是時控制字元的名字，它們的十六進位制編碼為：01和04，並不是S,O,T（或E,O,T）三個字元；

• 假定傳送端在尚未傳送完一個幀時突然出現故障，中斷了傳送，但隨後又恢復正常，於是從頭開始再發。由於使用了幀定界符，接收端就知道前面收到的資料是個不完整的幀（只有首部開始符SOH而沒有傳輸結束符EOT），必須丟棄；

透明傳輸

• 當傳輸的幀是用文字檔案組成的幀時，其資料部分顯然不會出現像SOH或EOT這樣的幀定界控制字元，因此這樣的傳輸稱為透明傳輸；

透明的意思是：某一個實際存在的事物看起來卻好像不存在一樣；
在資料鏈路層中透明傳送資料，表示無論什麼樣的位元組合的資料，對於傳送的資料來說，它們看不見資料鏈路層又什麼妨礙資料傳輸的東西，因此資料鏈路層對於這些資料來說是透明的；

• 但當資料部分是非ASCII碼的文字檔案（如二進位制程式碼的計算機程式或圖象），資料中的某個位元組的二進位制程式碼恰好和SOH或EOT這樣的控制字元一樣，資料鏈路層就會錯誤地「找到幀的邊界」，把部分幀手下（誤認為這是完整的），而丟棄剩下的資料；

• 為了解決透明傳輸問題，就必須使資料中可能出現的控制字元「SOH」和「EOT」在接收端不被解釋為控制字元。

位元組填充：

具體的方法是：在「SOH」和「EOT」前面插入一個跳脫字元「ESC」（其16進位製為1B），而在接收端的資料鏈路層把資料送往網路層之前刪除這個插入的跳脫字元。
如果跳脫字元也出現在資料當中，任然是在跳脫字元的前面插入一個跳脫字元。

差錯控制

• 位元在傳輸過程中可能產生差錯，1可能變為0，0可能變為1，這就叫做位元差錯；
• 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），誤位元速率與訊雜比有很大的關係，如果設法提高訊雜比，就可以使誤位元速率減小；
• 實際的通訊鏈路並非是理想的，他不可能使誤位元速率下降為0，因此資料鏈路層廣泛使用迴圈冗餘檢驗CRC的檢錯技術，原理為：

1、在待傳送的資料M後面新增供差錯檢驗用的n位冗餘碼，然後構成一個幀傳送出去；
2、這個冗餘碼可以用以下方法獲得：在M後面新增n個0，得到的這個數出意收發雙方事先商定的長度為(n+1)位的除數P，得出商位Q餘數為R，這個R就作為冗餘碼拼接在M後面傳送出去；

3、在接收端把接收到的資料以幀為單位進行檢驗，收到的每一個幀都除以同樣的除數P，檢查得到的餘數R，如果傳輸過程無差錯，餘數R肯定為0，如果出現誤碼，R就可能不為0了；

• 也就是說，凡是接收端資料鏈路層收到的幀，我們都能以非常接近於1的概率認為這些幀在傳輸過程中沒有產生差錯。接收端丟棄的幀雖然曾經收到了，但是最終還是因為有差錯被丟棄，即沒有被接受。
• 傳輸差錯可以分為兩大類：一類是前面說的位元差錯，一類是比較複雜的：收到的幀並沒有出現位元差錯，但卻出現了幀丟失、幀重複、幀失序；
• 也就是說，無位元差錯和無傳輸差錯並不是同樣的概念，在資料鏈路層使用CRC檢驗，能夠實現無位元差錯的傳輸，但這還不是最可靠的傳輸；
• 對於通訊線路良好的有線傳輸鏈路，資料鏈路層協定不適用確認和重傳機制，對於通訊品質較差的無線傳輸鏈路，則使用確認和重傳機制。

對等協定PPP

• 網際網路使用者通常都需要接到某個ISP才能接入到網際網路，PPP協定就是使用者計算機和ISP進行通訊時所使用的資料鏈路層協定；

PPP協定的特點

• PPP協定應滿足的需求：（瞭解）

簡單、封裝成幀、透明性、多種網路層協定、多種型別鏈路、差錯檢驗、檢測連線狀態、最大傳輸單元、網路層地址協商、資料壓縮協商；

• PPP協定的組成：

1、一個將IP資料包封裝到穿行鏈路的方法；
2、一個用來建立、設定和測試資料鏈路連線的鏈路控制協定（LCP）；
3、一套網路控制協定NCP；

PPP協定的幀格式

• 標誌欄位表示一個幀的開始和結束，因此標誌欄位就是PPP幀的定界符。連續兩幀之間只需要用一個標誌欄位。如果出現連續；兩個標誌欄位，就表示這是一個空幀，應當丟棄；

• 當資訊欄位出現和標誌欄位一樣的位元組合時，就必須採取一些措施：

當PPP協定使用非同步傳輸時，可以使用位元組填充；由於在傳送端進行了位元組填充，因此在鏈路上傳送的資訊位元組數就超過了原來的資訊位元組數。但接收端收到資料後再進行與傳送端位元組填充相反的變化，就可以正確恢復出原來的資訊；

• 零位元填充：

PPP協定使用同步傳輸的時候，可使用零位元傳輸，在傳送端，掃描整個資訊欄位，如果發現有5個連續的1，就立即填入一個0；接收端在收到一個幀的時候，先找到標誌欄位F以確定一個幀的邊界，接著再使用硬體對其中的位元流進行掃描，每當發現5個連續的1時，就把這5個連續1後面的一個0刪除，以還原原來的資訊位元流；

使用廣播通道的資料鏈路層

區域網的資料鏈路層

• 區域網特點：網路為一個單位所擁有，且地理位置和站點數目均有限；
• 區域網的優點：

1、具有廣播功能；
2、便於系統的擴充套件和逐漸演變；
3、提高了系統的可靠性、可用性、生存性；

• 按照網路拓撲進行分類，區域網分為：

• 區域網可以使用多種傳輸媒體：雙絞線（主流傳輸媒體）、光纖（資料率很高）；

• 共用通道要著重考慮的一個我呢提是如何使眾多使用者能夠合理而方便的共用通訊媒體資源，這在技術上有兩種方法：

1、靜態劃分通道：分頻多工、分時多工、波長分波多工、碼分複用；
2、動態媒體接入控制：

• 隨機接入：主要被乙太網採用，所有的使用者可隨機地傳送資訊，如果恰好有兩個或更多的使用者在同一時刻傳送訊息，那麼在共用媒體上就要產生碰撞，使得這些使用者的傳送都失敗；
• 受控接入：使用者不能隨即地傳送資訊而必須服從一定的控制，比如輪詢；

乙太網

• 乙太網是一種基頻匯流排區域網，早期的乙太網：

上圖中傳送資料的方式其實是廣播通訊方式；

介面卡的作用

• 計算機與外界區域網的連線是通過通訊介面卡進行的，現在的計算機主機板上都已經嵌入介面卡（主機箱內插入的一塊網路介面板），不再使用單獨的網路卡了；
• 在這種介面卡上面裝有處理器和記憶體（包括RAM、ROM），介面卡和區域網之間的通訊是通過電纜或雙絞線以序列傳輸方式進行的，而介面卡與計算機之間的通訊則是通過計算機主機板上的I/O匯流排以並行傳輸方式進行的。
• 因此，介面卡一個最重要的功能就是要進行資料序列傳輸和並行傳輸的轉換；
• 由於網路上的資料率和計算機匯流排上的資料率並不相同，因此在介面卡中必須裝有對資料進行快取的儲存晶片。
• 在主機板上插入介面卡的時候，還必須把管理該介面卡的裝置驅動程式安裝在計算機的作業系統上，這個驅動程式就會告訴介面卡，應當從記憶體的什麼位置上把多長的資料塊傳送得到區域網，或者應當在儲存區的什麼位置把區域網傳送過來的資料塊儲存下來。
• 介面卡還要能實現乙太網協定；
• 介面卡所實現的功能包含了資料鏈路層和物理層；
• 介面卡在接收和傳送各種幀時，不使用計算機的CPU。這時計算機中的CPU可以處理其他任務。當介面卡收到有差錯的幀時，就把這個幀丟棄而不必通知計算機。當介面卡收到正確的幀時，它就使用中斷來通知計算機，並交付協定棧中的網路層。當計算機要傳送IP資料包時，就由協定棧把IP資料包向下交給介面卡，組裝成幀之後傳送到區域網。

CSMA/CD協定

• 前面說，最早的乙太網是將許多計算機都連線在一根匯流排上；匯流排的特點是，當一臺計算機傳送資料時，匯流排上的所有計算機都能檢測到這個資料，這就是廣播的通訊方式；
• 為了在匯流排上實現一對一的通訊，可以使每一臺計算機的介面卡都擁有一個與其他介面卡不同的地址。在傳送資料框時，在幀的首部寫明接收站的地址。僅當資料框中的目的地址與介面卡ROM中存放的硬體地址一致時，該介面卡才能接收到這個資料。介面卡對不是傳送給自己的資料框就丟棄。這樣，具有廣播特性的匯流排上就實現了一對一的通訊；
• 為了通訊的簡便，乙太網採取了以下兩種措施：

1、採用較為靈活的無連線的工作方式：

即不必先建立連線就可以直接傳送資料。介面卡對傳送的資料框不進行編號，也不必要求對方發回確認；乙太網的服務是不可靠交付。對有差錯的幀是否需要重傳則由高層來決定。

匯流排上的計算機在同一時間只能允許一臺計算機傳送資料，否則各個計算機之間就會互相干擾。乙太網採用了一種協定CSMA/CD，載波監聽多點接入/碰撞檢測，即如減少衝突概率的發生；

2、乙太網上的所有資料都採用曼徹斯特編碼的訊號：

CSMA/CD協定的要點：

多點接入：許多計算機以多點接入的方式連線在一根匯流排上；

載波監聽：在傳送前和傳送中，每個站都必須不停的檢測通道，為了獲得傳送權、減少衝突；

碰撞檢測：「邊傳送邊監聽」，即介面卡在傳送資料邊檢測通道上的訊號電壓得變化情況，以便判斷自己在傳送資料時其他站是否也在傳送資料。當幾個站同時在匯流排上傳送資料時，匯流排上的訊號電壓變化幅度會增大。當介面卡檢測到的訊號電壓變化幅度超過一定的門限值時，就認為匯流排上至少有兩個站在同時傳送資料，表明產生了碰撞。這時候介面卡應當立即停止工作，免得進行無效得傳送；

• 設圖中的區域網兩端的站A和B相距1km，在A——B傳送資料一段時間後，B在A傳送的資料到達B之前傳送自己的幀（這時候的B的載波偵聽不到A傳送過來的資訊），則必然會在某個時間與A傳送的幀產生碰撞。碰撞的結果就是兩個幀都變得無用。

• 一般將匯流排上的單程端到端傳播時延記為t，也就是A傳送資料之後，最多要經過兩倍的匯流排端到端的傳播時延（2t）才能知道自己傳送的資料和其他站傳送的資料有沒有傳送碰撞；
• 在使用CSMA/CD協定時，一個站不可能同時進行傳送和接收，因此使用該協定的乙太網只能進行雙向交替通訊（半雙工通訊）；
• 每一個站在自己傳送資料之後的一小段時間內，存在著遭遇碰撞的可能性，這一特點稱為傳送的不確定性；

爭用期：

乙太網的端到端往返時間2t稱為爭用期，它是一個很重要的引數，即只有經過這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次傳送不會發生碰撞；

協定規定了基本退避時間為爭用期2t，具體的爭用時間為51.2微秒，對於10Mbit/s乙太網，在爭用期內可傳送512bit，即64位元組，也就是說爭用期是512位元時間，凡是長度小於64位元組的幀都是由於衝突而異常終止的無效幀。

使用集線器的星型拓撲

• 乙太網採用星型拓撲，在星型的中心增加了一種可靠性非常高的裝置，叫做集線器（現已被交換機取代）

• 10BASE-T雙絞線乙太網的出現，是區域網發展史上的一個重要的里程碑，它的通訊距離較短，每個站到集線器的距離不超過100m；
• 集線器的一些特點為：

1、使用集線器的乙太網在邏輯上仍然是一個匯流排網，個站共用邏輯上的匯流排，使用的還是CSMA/CD協定，網路中的各站必須競爭對傳輸媒體的控制，並且在同一時刻至多隻允許一個站傳送資料；
2、一個集線器很像一個多介面的轉發器；
3、集線器工作在物理層，它的每個介面只是簡單的轉發位元——收到1就發1，收到0就發0，不進行碰撞檢測；

乙太網的通道利用率

• 假定一個10Mbit/s乙太網同時有10個站在工作，那麼每一個站所能傳送資料的平均速率似乎應當是總資料率的1/10.其實由於多個站在乙太網上工作可能會發生碰撞，通道資源可能被浪費，因此，一外網的通道利用率並不能達到100%；
• 乙太網中，定義了引數α，他是乙太網單程端到端延時t與幀傳送時間T0之比：

如果α引數越小，表示通道資源被浪費的時間非常少，通道利用率很高。這也就是說，當資料率一定時，乙太網的連線的長度受到限制（否則t會太大），同時乙太網的幀不能太短（否則T0回會太小）；

• 現在考慮一種理想情況下，就是乙太網傳送的資料不會產生碰撞，也就是不存在爭用期，此時不需要使用CSDM/CD，並且能夠非常有效的利用網路的傳輸資源，即匯流排一旦有空閒就會有某一個站立即傳送資料，這樣就有了極限通道利用率Smax:

上式的意義是隻有當引數α遠遠小於1的時候，通道的利用率才會越大；

乙太網的MAC層

MAC層的硬體地址

• 在區域網中，硬體地址又稱為MAC地址；
• MAC地址是一種48位元的二進位制地址值，前24位元代表廠家，後24是廠家自己指定，是全球唯一的識別符號，固化在介面卡的ROM中的地址；
• 介面卡具有過濾功能：從網路上每收到一個MAC幀就先用硬體檢查MAC幀中的目的地址，如果是發往本站的幀就收下，然後再進行其他處理，否則就將此幀丟棄，不進行處理；
• 收到的幀一般分為3種：

1、單播幀：一對一
2、廣播幀：發給本區域網上所有站點的幀；
3、多播幀：發給本區域網上一部分站點的幀；

MAC幀的格式

• 常用的乙太網MAC幀格式有兩種標準：一種是DIX Ethernet V2標準（即就是乙太網V2標準），另一種是IEEE的802.3標準，這裡介紹V2標準的MAC幀格式，上圖假定網路層使用的是IP協定。
• 各個部分介紹：

目的地址：6個位元組
源地址：6個位元組
型別欄位：2個位元組，用來標誌上一層使用的是什麼協定，以便把收到的MAC幀的資料交給上一層的這個協定；
資料欄位：長度在46~1500位元組之間；（64-18位元組）
FSC：4個位元組——幀檢驗序列（使用CRC檢驗）

• 乙太網的V2的MAC幀格式種，其首部並沒有一個幀長度（或資料長度）欄位，MAC子層怎麼知道從接收到的乙太網幀中取出多少個位元組的資料交付給上一層的協定呢？曼徹斯特編碼的特點是：當傳送方把一個乙太網幀傳送完畢之後，就不再傳送其他碼元了；因此接收方很容易找到乙太網幀的結束位置；
• 還需要注意：乙太網傳輸資料是以幀位單位傳送的，各幀之間都有一定的空隙，以後那次，接收端只要找到幀的開始定界符，其後面的連續到達的位元流都屬於一個,AC幀，可見乙太網不需要使用幀結束定界符，也不需要使用位元組插入來保證透明傳輸；
• IEEE 802.3規定以下幀位無效的MAC幀：

1、幀的長度不是整數個位元組；
2、用收到的幀檢驗序列FCS查出有差錯；
3、收到的幀的MAC客戶資料欄位的長度不再46~1500位元組之間；

• 對於檢查出的無效的MAC幀，乙太網不負責重傳丟棄的幀，由上一層的應用程式來實現和完成重傳；

擴充套件乙太網

• 乙太網上的主機之間的距離不能太遠；
• 現在，擴充套件主機和集線器之間的距離的一種簡單方法是使用光纖和一對光纖資料機；

光纖資料機的作用就是進行電訊號和光訊號的轉換，you由於光纖帶來的時延很小，並且頻寬很寬，因此使用這種方法可以很容易地使主機和幾公里以外的集線器相連線；

• 如果使用多個集線器，就可以連線成覆蓋更大範圍的多級星型結構的乙太網：

• 使用多級集線器有以下缺點：

1、在三個系得乙太網連線起來之前，每一個系的乙太網是一個獨立的碰撞域，即在任何一個時刻，在每一個碰撞域中只能有一個站在傳送資料。
2、每一個系得最大吞吐量為10Mbit/s，因此三個系的最大吞吐量為30Mbit/s，在三個系得乙太網互連起來後就把三個碰撞域變成一個碰撞域，而這時候最大的吞吐量任然為10Mbit/s；
3、如果不同得系使用不同的乙太網技術（如資料率不同），那麼就不可能用集線器將他們互連起來；

在資料鏈路層擴充套件乙太網

• 擴充套件乙太網更常用的方法是在資料鏈路層進行，最初人們使用的是網橋。網橋對收到的幀根據其MAC幀的目的地址進行轉發和過濾。當網橋收到一個幀時，並不是向所有的介面轉發此幀，而是根據此幀的目的MAC地址，查詢網橋中的地址表，然後確定將該幀轉發到哪一個介面，或者把他丟棄；
• 網橋使用儲存轉發（有學習功能），速率較低，現在使用的都是透明網橋；
• 交換式集線器常稱為乙太網交換機，強調這種交換機工作在資料鏈路層；
• 足夠多介面的網橋就是現在的交換機；

乙太網交換機的特點

• 乙太網交換機實質上就是一個多介面的網橋，它的每個介面都直接與一個單臺主機或另一個乙太網交換機相連，並且一般都工作在全雙工方式。乙太網交換機還具有並行性，即同時連通多個介面，使多對主機都能同時通訊（而網橋只負責依次分析和轉發一個幀）；
• 乙太網交換機介面有儲存轉發的功能，能在輸出埠繁忙時把都來得幀進行快取；
• 乙太網交換機內部時幀交換表，是通過自學習演演算法自動逐漸建立起來的，其轉發速率比網橋塊很多；
• 多於傳統的10Mbit/s的共用式乙太網，如果有10個使用者，則每個使用者佔有的平均頻寬只有1Mbit/s.若使用乙太網交換機來連線這些主機，由於埠的頻寬獨享，交換機的總容量為100Mbit/s；

乙太網交換機的自學習功能

下圖是乙太網交換機中的交換表：

乙太網交換機能夠隨插即用，不必進行人工設定，非常方便；

• 在兩個交換機之間兜圈子的幀：
  
  為了解決上述問題，IEEE的802.1D標準制定了一個生成樹協定STP。其要點就是不改變網路的實際拓撲，但在邏輯上則切斷某些鏈路，使得從一臺主機到所有其他主機的路徑是無環路的樹狀結構，從而消除了兜圈子現象；

• 注意：使用集線器就不會產生兜圈子問題，集線器不參與生成樹；

虛擬區域網

• 利用乙太網交換機可以很方便的實現虛擬區域網（VLAN）：它指的是一些區域網段構成的與物理位置無關的邏輯組，這些網段具有某些共同的需求。每一個VLAN的幀都有一個明確的識別符號，指明傳送這個幀的計算機屬於哪一個VLAN；

• 當計算機B1~B3同屬於虛擬區域網VLAN2，當B1向工作組內成員傳送資料時，計算機B2和B3能收到廣播的資訊，雖然它沒有和B1連在同一個乙太網交換機上；相反，此時的計算機A1，A2，C1都不能收到B1的廣播資訊；
• 兩個VLAN中的計算機即使在一個網段中，也不能ping通；
• 多個交換機下的虛擬區域網：

只用了一個幹道鏈路，就可以讓兩個虛擬區域網各自工作；

• 虛擬區域網幀格式：

高速乙太網

100BASE-T 乙太網

• 100BASE-T 乙太網是在雙絞線上傳送100Mbit/s基頻訊號的星型拓撲乙太網，使用CSMA/CD協定，又稱為快速乙太網；
• 可以在全雙工方式下工作而無衝突發生，因此，CSMA/CD協定對全雙工方式工作的快速乙太網是不起作用的；

吉位元乙太網

10吉位元乙太網和更快的乙太網