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之前曾經(jīng)寫過(guò)一些計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)點(diǎn)，還有對(duì)物理層進(jìn)行了介紹，這篇文章主要是對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行講解，數(shù)據(jù)鏈路層的知識(shí)點(diǎn)不管是面試還是你期末考試，就開(kāi)始變得比較多了。如果你之前學(xué)過(guò)正好回顧一下。

一、數(shù)據(jù)鏈路層基礎(chǔ)知識(shí)

1、概念

相信我們已經(jīng)知道物理層考慮的是怎樣在傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，而不是指具體的傳輸媒體。它盡可能屏蔽傳輸媒體和通信手段的差異，使數(shù)據(jù)鏈路層感覺(jué)不到這些差異。就好比我們使用的是雙絞線又或者是其他的物理設(shè)備，這些都不重要，物理層站的比較高，他定義了一些規(guī)則，雙絞線這些物理設(shè)備按照這些規(guī)則實(shí)現(xiàn)就好了。

但是我們又該如何理解數(shù)據(jù)鏈路層的作用呢？鏈路層協(xié)議就是為同一鏈路的主機(jī)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡(luò)層傳下來(lái)的分組封裝成幀。

 

 

這里面出現(xiàn)了兩個(gè)概念：

（1）鏈路(link)是一條無(wú)源的點(diǎn)到點(diǎn)的物理線路段，中間沒(méi)有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)。一條鏈路只是一條通路的一個(gè)組成部分。

（2）數(shù)據(jù)鏈路(data link) 除了物理線路外，還必須有通信協(xié)議來(lái)控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。若把實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路。

2、分類

數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道主要有以下兩種類型：

（1）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道。這種信道使用一對(duì)一的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式。

（2）廣播信道。這種信道使用一對(duì)多的廣播通信方式，因此過(guò)程比較復(fù)雜。廣播信道上連接的主機(jī)很多，因此必須使用專用的共享信道協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)這些主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)

3、解決三個(gè)基本問(wèn)題

（1）封裝成幀

封裝成幀(framing)就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部，然后就構(gòu)成了一個(gè)幀。確定幀的界限。

 

 

（2）透明傳輸

封裝好了之后就開(kāi)始傳輸，透明傳輸是遇到的第一個(gè)問(wèn)題。

 

 

這時(shí)候怎么辦呢？總得有解決辦法吧，

解決辦法：字符填充

字節(jié)填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符。如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，那么應(yīng)在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接收端收到連續(xù)的兩個(gè)轉(zhuǎn)義字符時(shí)，就刪除其中前面的一個(gè)。

 

 

這就是解決辦法，當(dāng)然只是出現(xiàn)了一個(gè)錯(cuò)誤，如果出現(xiàn)了下面的錯(cuò)誤呢？

（3）差錯(cuò)檢測(cè)

在傳輸過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生比特差錯(cuò)：1 可能會(huì)變成 0 而 0 也可能變成 1。在一段時(shí)間內(nèi)，傳輸錯(cuò)誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率稱為誤碼率 BER 。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，必須采用各種差錯(cuò)檢測(cè)措施。

解決辦法，就是那個(gè)赫赫有名的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。因?yàn)槲以诤芏鄠€(gè)地方都學(xué)習(xí)了他，不只是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。怎么去計(jì)算，我在這里就不說(shuō)了，但是需要注意一點(diǎn)循環(huán)冗余檢驗(yàn) CRC只是實(shí)現(xiàn)了差錯(cuò)檢驗(yàn)，并不糾正錯(cuò)誤。

下面我們根據(jù)兩種信道類型分開(kāi)來(lái)講講。

二、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信

現(xiàn)在全世界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議 PPP。PPP 協(xié)議有三個(gè)組成部分

（1）一個(gè)將 IP 數(shù)據(jù)報(bào)封裝到串行鏈路的方法。

（2）鏈路控制協(xié)議 LCP (Link Control Protocol)。

（3）網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議 NCP (Network Control Protocol)。

 

 

由于 TCP/IP 體系經(jīng)常使用的局域網(wǎng)是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 標(biāo)準(zhǔn)中的幾種局域網(wǎng)，因此現(xiàn)在 802 委員會(huì)制定的邏輯鏈路控制子層 LLC（即 802.2 標(biāo)準(zhǔn)）的作用已經(jīng)不大了。一般不考慮 LLC 子層

1、PPP協(xié)議的幀格式

 

 

（1）標(biāo)志字段 F = 0x7E

（2）地址字段 A 只置為 0xFF。地址字段實(shí)際上并不起作用。因?yàn)辄c(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，地址是確定的。

（3）控制字段 C 通常置為 0x03。

（4）PPP 是面向字節(jié)的，所有的 PPP 幀的長(zhǎng)度都是整數(shù)字節(jié)。

（5）當(dāng)協(xié)議字段為 0x0021 時(shí)，PPP 幀的信息字段就是IP 數(shù)據(jù)報(bào)。若為 0xC021, 則信息字段是 PPP 鏈路控制數(shù)據(jù)。若為 0x8021，則表示這是網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)。

2、透明傳輸問(wèn)題

PPP幀出現(xiàn)了透明傳輸問(wèn)題之后有兩個(gè)解決辦法：

（1）字符填充

（2）零比特填充

在發(fā)送端，只要發(fā)現(xiàn)有 5 個(gè)連續(xù) 1，則立即填入一個(gè) 0。接收端對(duì)幀中的比特流進(jìn)行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn) 5 個(gè)連續(xù)1時(shí)，就把這 5 個(gè)連續(xù) 1 后的一個(gè) 0 刪除，

 

 

這是一個(gè)常見(jiàn)的面試題。

3、不提供使用序號(hào)和確認(rèn)的可靠傳輸

PPP 協(xié)議之所以不使用序號(hào)和確認(rèn)機(jī)制是出于以下的考慮：

（1）在數(shù)據(jù)鏈路層出現(xiàn)差錯(cuò)的概率不大時(shí)，使用比較簡(jiǎn)單的 PPP 協(xié)議較為合理。

（2）在因特網(wǎng)環(huán)境下，PPP 的信息字段放入的數(shù)據(jù)是 IP 數(shù)據(jù)報(bào)。數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸并不能夠保證網(wǎng)絡(luò)層的傳輸也是可靠的。

（3）幀檢驗(yàn)序列 FCS 字段可保證無(wú)差錯(cuò)接受。

PPP協(xié)議的主要內(nèi)容就這么多。

三、廣播信道

1、局域網(wǎng)

局域網(wǎng)是一種典型的廣播信道，主要特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)單位所擁有，且地理范圍和站點(diǎn)數(shù)目均有限。主要有以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、FDDI 和 ATM 等局域網(wǎng)技術(shù)，目前以太網(wǎng)占領(lǐng)著有線局域網(wǎng)市場(chǎng)。下面說(shuō)的局域網(wǎng)都是以太網(wǎng)。

以太網(wǎng)提供的服務(wù)是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。當(dāng)目的站收到有差錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀時(shí)就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯(cuò)的糾正由高層來(lái)決定。如果高層發(fā)現(xiàn)丟失了一些數(shù)據(jù)而進(jìn)行重傳，但以太網(wǎng)并不知道這是一個(gè)重傳的幀，而是當(dāng)作一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀來(lái)發(fā)送。

2、適配器的作用

網(wǎng)絡(luò)接口板又稱為通信適配器(adapter)或網(wǎng)絡(luò)接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“網(wǎng)卡”。

 

 

3、載波監(jiān)聽(tīng)多點(diǎn)接入/碰撞檢測(cè) CSMA/CD

（1）“多點(diǎn)接入”表示許多計(jì)算機(jī)以多點(diǎn)接入的方式連接在一根總線上。

（2）“載波監(jiān)聽(tīng)”是指每一個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測(cè)一下總線上是否有其他計(jì)算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，則暫時(shí)不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)生碰撞。

（3）“碰撞檢測(cè)”就是計(jì)算機(jī)邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測(cè)信道上的信號(hào)電壓大小。在發(fā)生碰撞時(shí)，總線上傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生了嚴(yán)重的失真，無(wú)法從中恢復(fù)出有用的信息來(lái)。

出現(xiàn)碰撞的原因有很多。比如傳播時(shí)延對(duì)載波監(jiān)聽(tīng)的影響

 

 

因此使用 CSMA/CD 協(xié)議的以太網(wǎng)不能進(jìn)行全雙工通信而只能進(jìn)行雙向交替通信。這種發(fā)送的不確定性使整個(gè)以太網(wǎng)的平均通信量遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。

最先發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后至多經(jīng)過(guò)時(shí)間 2t（兩倍的端到端往返時(shí)延）就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。以太網(wǎng)的端到端往返時(shí)延 2t稱為爭(zhēng)用期，或碰撞窗口。經(jīng)過(guò)爭(zhēng)用期這段時(shí)間還沒(méi)有檢測(cè)到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會(huì)發(fā)生碰撞。因此出現(xiàn)了二進(jìn)制指數(shù)類型退避算法，盡可能的避免碰撞。

4、集線器

以太網(wǎng)采用星形拓?fù)?，在星形的中心則增加了一種可靠性非常高的設(shè)備，叫做集線器，注意的是集線器其實(shí)是工作在物理層，千萬(wàn)不要看到這里介紹到了，就誤以為工作在數(shù)據(jù)鏈路層。

目前以太網(wǎng)使用交換機(jī)替代了集線器，交換機(jī)是一種鏈路層設(shè)備，它不會(huì)發(fā)生碰撞，能根據(jù) MAC 地址進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。

5、以太網(wǎng)的 MAC 層

在局域網(wǎng)中，硬件地址又稱為物理地址，或 MAC 地址。一個(gè)地址塊可以生成224個(gè)不同的地址。這種 48 位地址稱為 MAC-48，它的通用名稱是EUI-48。

適配器從網(wǎng)絡(luò)上每收到一個(gè) MAC 幀就首先用硬件檢查 MAC 幀中的 MAC 地址.如果是發(fā)往本站的幀則收下，然后再進(jìn)行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進(jìn)行其他的處理。

 

 

6、 擴(kuò)展局域網(wǎng)

（1）物理層擴(kuò)展局域網(wǎng)：用集線器擴(kuò)展局域網(wǎng)

（2）數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展局域網(wǎng)：

在數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展局域網(wǎng)是使用網(wǎng)橋。網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，它根據(jù) MAC 幀的目的地址對(duì)收到的幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)橋具有過(guò)濾幀的功能。當(dāng)網(wǎng)橋收到一個(gè)幀時(shí)，并不是向所有的接口轉(zhuǎn)發(fā)此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然后再確定將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個(gè)接口

 

 

網(wǎng)橋只適合于用戶數(shù)不太多(不超過(guò)幾百個(gè))和通信量不太大的局域網(wǎng)，否則有時(shí)還會(huì)因傳播過(guò)多的廣播信息而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞。這就是所謂的廣播風(fēng)暴。

集線器在轉(zhuǎn)發(fā)幀時(shí)，不對(duì)傳輸媒體進(jìn)行檢測(cè)。網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)幀之前必須執(zhí)行 CSMA/CD 算法。若在發(fā)送過(guò)程中出現(xiàn)碰撞，就必須停止發(fā)送和進(jìn)行退避。

7、虛擬局域網(wǎng) VLAN

虛擬局域網(wǎng) VLAN 是由一些局域網(wǎng)網(wǎng)段構(gòu)成的與物理位置無(wú)關(guān)的邏輯組。這些網(wǎng)段具有某些共同的需求。每一個(gè) VLAN 的幀都有一個(gè)明確的標(biāo)識(shí)符，指明發(fā)送這個(gè)幀的工作站是屬于哪一個(gè) VLAN。虛擬局域網(wǎng)其實(shí)只是局域網(wǎng)給用戶提供的一種服務(wù)，而并不是一種新型局域網(wǎng)。

下圖中 (A1, A2, A3, A4) 屬于一個(gè)虛擬局域網(wǎng)，A1 發(fā)送的廣播會(huì)被 A2、A3、A4 收到，而其它站點(diǎn)收不到。

 

 

虛擬局域網(wǎng)使用的以太網(wǎng)幀格式

 

 

速率達(dá)到或超過(guò) 100 Mb/s 的以太網(wǎng)稱為高速以太網(wǎng)。以太網(wǎng)已成功地把速率提高到 1 ~ 10 Gb/s ，所覆蓋的地理范圍也擴(kuò)展到了城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，因此現(xiàn)在人們正在嘗試使用以太網(wǎng)進(jìn)行寬帶接入。

OK，這就是數(shù)據(jù)鏈路層基本的面試知識(shí)點(diǎn)。