计算机网络第三章——数据链路层（考研和期末复习都适用）

目录

1、数据链路层使用的信道

2.数据链路层概述

3.数据链路层的三个重要问题：封装成帧、差错检测、可靠传输。

封装成帧

透明传输

差错检测

循环冗余检验的原理（CRC）：

冗余码的计算

冗余码的计算举例

帧检验序列 FCS

ps：

4.点对点协议 PPP（目前使用最广泛的数据链路层协议）

 PPP 协议的特点

PPP 协议应满足的需求

PPP 协议的组成

 PPP 协议的帧格式

5.使用广播信道的数据链路层

局域网的数据链路层

媒体共享技术：

以太网的两个标准

数据链路层的两个子层

适配器的作用

6.CSMA/CD 协议

1>以太网采取了两种重要的措施

2>CSMA/CD协议

3>碰撞检测

4>为什么要进行碰撞检测？

5>CSMA/CD 重要特性

6>二进制指数类型退避算法 

7>争用期的长度（必须记住）

8>最短有效帧长

9>CSMA/CD协议的要点:先听后发、边发边听、冲突停止、退避重发。

 7.使用集线器的星形拓扑

使用集线器的双绞线以太网​编辑

星形以太网 10BASE-T

10BASE-T 以太网

集线器的特点

  以太网的信道利用率

8. 以太网的 MAC 层

48 位的 MAC 地址

以太网的适配器检查 MAC 地址

MAC 帧的格式

以太网V2的 MAC 帧格式

9.扩展的以太网

在物理层扩展以太网：（1）使用光纤扩展。

 （2）使用集线器扩展：使用多个集线器可连成更大的、多级星形结构的以太网。

用集线器扩展以太网的优缺点

 在数据链路层扩展以太网

以太网交换机的特点

 从总线以太网到星形以太网

10.虚拟局域网

11.高速以太网

100BASE-T 以太网

100BASE-T 以太网的特点

吉比特以太网

以太网宽带接入的特点：

ps一些总结

1、数据链路层使用的信道

数据链路层使用的信道主要有：点对点信道、广播信道。

• 点对点信道：这种信道使用一对一的点对点通信方式。
• 广播信道：这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。

2.数据链路层概述

链路：就是从一个节点到相邻节点的一段物理线路，而中间没有任何其他的交换节点。

数据链路：是指把实现通信协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。

3.数据链路层的三个重要问题：封装成帧、差错检测、可靠传输。

• 封装成帧

封装成帧 (framing) 就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

• 透明传输

透明传输是指数据链路层对上层交付的传输数据没有任何限制，就好像数据链路层不存在一样。

面向字节的物理链路使用字节填充的方法实现透明传输。

面向比特的物理链路使用比特填充的方法实现透明传输。

• 差错检测

1. 在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。
2. 在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。
3. 误码率与信噪比有很大的关系。
4. 为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。

• 循环冗余检验的原理（CRC）：

在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。收发双方约定好一个生成多项式G，在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。

• 冗余码的计算

1. 用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。
2. 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少 1 位，即 R 是 n 位。
3. 将余数 R 作为冗余码拼接在数据 M 后面发送出去。

• 冗余码的计算举例

帧检验序列 FCS

• 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。
• 循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS 并不等同。
• CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。
• FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。
• 接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验
• (1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受 (accept)。
• (2) 若余数 R 不等于 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。
• 但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。
• 只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

ps：

1. 仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受 (accept)。
2. “无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。
3. 凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错（有差错的帧就丢弃而不接受）。
4. 要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。
5. “无比特差错”与“无传输差错”是不同的概念。
6. 在数据链路层使用 CRC 检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。
7. 数据链路层向上层提供的服务类型：

        可靠传输服务：想办法实现发送端发送什么，接收端就收到什么。

        不可靠传输服务：仅仅丢弃有错误的帧，其他什么也不做。

• 8.可靠传输服务并不仅局限于数据链路层，其他各层均可选择实现可靠传输。
• 802.11无线局域网要求数据链路层实现可靠传输，而以太网就不要求数据链路层实现可靠传输。
• 网际层的IP协议向上层提供无连接、不可靠传输服务。
• 运输层的TCP协议向其上层提供面向连接的可靠传输服务，而UDP协议向其上层提供无连接、不可靠传输服务。

4.点对点协议 PPP（目前使用最广泛的数据链路层协议）

 PPP 协议的特点

1. 对于点对点的链路，目前使用得最广泛的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。
2. 用户使用拨号电话线接入互联网时， 用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议就是 PPP 协议。
3. PPP 协议在1994年就已成为互联网的正式标准。

PPP 协议应满足的需求

• 简单 —— 这是首要的要求。
• 封装成帧 —— 必须规定特殊的字符作为帧定界符。
• 透明性 —— 必须保证数据传输的透明性。
• 多种网络层协议 —— 能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议。
• 多种类型链路 —— 能够在多种类型的链路上运行。
• 差错检测 —— 能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。
• 检测连接状态 —— 能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。
• 最大传送单元 —— 必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元 MTU 的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性。
• 网络层地址协商 —— 必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。
• 数据压缩协商 —— 必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。

PPP 协议的组成

PPP 协议有三个组成部分：

(1) 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。

(2) 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。

(3) 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

 PPP 协议的帧格式

• PPP 帧的首部和尾部分别为 4 个字段和 2 个字段。
• 标志字段 F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。
• 地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。
• 控制字段 C 通常置为 0x03。
• PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。

透明传输问题

• 当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和 HDLC 的做法一样）。
• 当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。

字符填充

• 将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列 (0x7D, 0x5E)。
• 若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列 (0x7D, 0x5D)。
• 若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。

零比特填充

• PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。
• 在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。
• 接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除。

• ps：对点对点ppp协议的一个小总结：