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计算机网络3: 数据链路层

2020.03.24

两种类型信道:

  • 点对点信道:PPP协议
  • 广播信道:CSMA/CD协议
    三个基本问题:
  • 封装成帧
  • 透明传输
  • 差错校验

主机1和主机2之间通信

主机1和主机2都是五层协议栈,路由器是三层协议栈

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当我们讨论数据链路层时,可以水平的只看数据链路层

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点对点信道

链路:节点与相邻节点之间的路,又叫物理链路
数据链路:链路+通信协议,又叫逻辑链路

数据链路层把网络层交下来的数据封装成帧发送到链路上,以及从帧中提取数据交到网络层

  • 网络层协议数据单元:IP数据报
    路由器之间(节点之间)的通信:

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数据链路层之间的传输:
1 把物理层的IP数据报添加首部和尾部封装成帧
2 把帧发送给下一个节点
3 如果节点收到的帧无差错,去掉帧的首部和尾部,否则丢弃

三个基本问题

封装成帧

帧:IP数据报加上首部和尾部
首部尾部作用:帧定界
最大传送单元:帧的数据部分的长度上线

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帧开始符:SOH(Start of Head)
帧结束符:EOT (End of Transmission)
开始符合结束符都是键盘打不出来的符号
收到的帧如果只有SOH或者只有EOT,那么这个帧不完整,就会丢弃

透明传输

如果数据中含有帧开始符或者帧结束符,那么久不清楚帧的实际的开始位置或者实际的结束位置了,就会出现错误

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但是帧的开始符和结束符是键盘敲不出来的符号,所以你通过键盘输入任何的组合都能安全的传输,所以称作透明传输
但是如果是非ASC||码的文件或者图像时,就有可能出现SOH和EOT,就会出现帧的定界错误,叫不透明传输
解决办法:
字符填充(字节填充):在数据中出现SOH和EOT的地方之前加上ESC,然后在收到帧的时候把ESC去掉
如图:

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差错检测

比特差错:比特在传输过程中可能出现差错,比如0变成1或者1变成0
误码率BER:错误的比特与全部比特的比值
信噪比:信号噪声比,减小误码率
差错检测方法:循环冗余检验CRC

点对点协议PPP

PPP协议:用户计算机到ISP之间通信使用的协议

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PPP协议组成

  • 一个将IP数据报封装成帧的方法
  • 一个链路控制协议LCP
  • 一套网络控制协议NCP
    帧格式如图:

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ppp协议状态图:

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广播信道

局域网使用的就是广播信道
局域网特点:网络为一个单位所有,且地理位置和范围有限
局域网三大类:

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共享信道方法:
静态划分信道
动态媒体接入控制:随机接入,受控接入
随机接入:用户随机发送信息,可能产生碰撞
适配器(网卡):计算机与局域网之间通信
适配器与双绞线之间是串行通信的
适配器与计算机之间是并行通信的
所以适配器的作用是串行和并行之间的转换

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CSMA/CD协议

以太网的两种通信措施:

1:无连接的工作方式

对数据帧不进行编码,也不需要对方发回确认

随机接入会产碰撞,比如一条总线上有两个人同时发出信号
处理这种情况的协议就是CSMA/CD协议,意思是载波监听多点接入/碰撞检测
2:曼切斯特编码
波下降是1,升高是0

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CSMA/CD协议要点:

  • 多点接入
  • 载波监听
  • 碰撞检测
    使用CSMA/CD协议发送数据的要点
  • 准备发送:发送帧直线需要检测信道
  • 如果信道忙,就一直检测,如果信道空闲并且在96比特时间之内空闲就发送
  • 边发送边监听

集线器的星型拓扑

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这种传播方式取代了总线方式,是局域网发展史上一个重要的里程碑


以太网的MAC层

硬件地址又叫做物理地址,MAC地址
MAC地址格式:6字节(48位)
标识系统:一个核心的问题

名字指出我要寻找的那个资源,地址指出那个资源在哪,路由指出我怎么去那个地址

局域网的地址其实就是适配器(网卡)的地址,适配器换了,地址变了,适配器没换,地址不变
适配器的一种工作模式,只要有帧就接受下来,不管这个帧是发送给谁的,其实是一种监听模式
以太网IEEE802.3标准的帧格式

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MAC帧格式:五个字段组成,分别是:目的地址,源地址,类型字段,数据字段,帧检验序列

扩展以太网

物理层

多个集线器扩展以太网

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好处:

  • 不同集线器之间可以通信
  • 整个局域网的范围更大

缺点:

  • 碰撞域:每个集线器一个碰撞域,组成了多个碰撞域,一个集线器发送信息,其他集线器发送信息就会碰撞
  • 如果不同的系使用不同的以太网协议,那么就不能用集线器将他们连在一起

数据链路层扩展以太网

网桥-交换机

以太交换机:实际就是多接口的网桥
特点:

  • 独占传输媒体,无碰撞传输数据
  • 全双工方式
  • 具有缓存机制,可以在输出端口繁忙时把到来的帧暂存
  • 即插即用,地址表采用自学习算法
  • 多种速率接口,满足用户需求
  • 可以直通转发,不进行缓存处理直接转发,速度快
    自学习功能:

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记录发送帧的地址,而且会广播给附近的交换机

交换机:查表转发的交换方式

  • 能找到目的地,点对点
  • 不能找到目的地,广播转发

全双工(相当于点对点方式,不需要CSMA/CD)

独占带宽:加入接口是100Mb/s,发送和接收可以都是100Mb/s

广播域:整个网络
碰撞域:一个接口

高速以太网

吉比特以太网特点

  • 允许1Gbit/s以下使用半双工和全双工两种工作方式
  • 使用IEEE802.3协议
  • 半双工使用CSMA/CD协议,全双工不使用CSMA/CD协议
  • 向后兼容
  • 帧间隔:96bit

两种成熟的技术

  • 现有以太网
  • 光纤

虚拟局域网

逻辑上,按照某种需求对资源重新进行划分
当交换机找不到目的地址,广播,可能造成广播风暴
解决办法:一个广播域内,计算机数量不能太多
vlan:隔离广播技术

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广播只能在vlan中传播,比如a1,a2发送信息并广播,只有a3,a4能收到广播
特点:

  • 每个vlan 是一个广播域
  • 同一个vlan可以通信,不同vlan在数据链路层是隔离的

虚拟局域网中的帧格式

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基于接口划分vlan特点:

  • 最简单也是最常用的方法
  • 属于在第一层划分虚拟局域网的方法
  • 缺点:不允许用户移动

基于计算机网卡的MAC地址方法特点:

  • 根据用户的网卡的MAC地址划分vlan
  • 属于在第二次划分虚拟局域网

基于IP子网地址划分方法特点:

  • 根据IP子网类型划分vlan
  • 属于第三层划分虚拟局域网

思科交换机的四种工作模式:

  • 用户模式:enable
  • 特权模式:show
  • 全局配置模式(config):config t,interface
  • 接口配置模式:

交换机vlan两种工作模式:

  • access:只能划分为一个vlan,switchport access vlan 10
  • trunk S-S:允许多个vlan报文通过,默认允许所有, switchport mode trunk