计算机网络（谢希仁第八版）第三章：数据链路层
本章最重要的內(nèi)容：
（1）數(shù)據(jù)鏈路層的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道和廣播信道的特點(diǎn)，以及這兩種信道所使用的協(xié)議（PPP協(xié)議以及CSMA/CD協(xié)議）的特點(diǎn)。
（2）數(shù)據(jù)鏈路層的三個(gè)基本問(wèn)題：封裝成幀、透明傳輸和差錯(cuò)檢測(cè)。
（3）以太網(wǎng)MAC層的硬件地址。
（4）適配器、轉(zhuǎn)發(fā)器、集線(xiàn)器、網(wǎng)橋、以太網(wǎng)交換機(jī)的作用以及使用場(chǎng)合。
（5）數(shù)據(jù)鏈路的兩層：
LLC：邏輯鏈路控制子層（Logical Link Control）與傳輸媒體無(wú)關(guān)
MAC：媒體接入控制子層（Medium Access Control）與傳輸媒體有關(guān)
（6）此層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元==>幀(Frame)。
兩臺(tái)主機(jī)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信時(shí)數(shù)據(jù)鏈路層所處的地位如下圖：
1.數(shù)據(jù)鏈路層的幾個(gè)共同問(wèn)題（使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層）
1.1.數(shù)據(jù)鏈路和幀
鏈路：物理鏈路
數(shù)據(jù)鏈路：邏輯鏈路=鏈路+通信協(xié)議
1.2.三個(gè)基本問(wèn)題
封裝成幀、透明傳輸、差錯(cuò)檢測(cè)
1．封裝成幀
幀的數(shù)據(jù)部分長(zhǎng)度上限——最大傳送單元MTU（Maximum Transfer Unit）長(zhǎng)度==>46~1500
幀定界符（SOH和EOT）
2．透明傳輸
某一個(gè)實(shí)際存在的事物看起來(lái)卻好像不存在一樣
若數(shù)據(jù)報(bào)中出現(xiàn)控制字符會(huì)被誤判，所以：
3．差錯(cuò)檢測(cè)
傳輸錯(cuò)誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率稱(chēng)為誤碼率BER（Bit ErrorRate）
循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC（Cyclic Redundancy Check）
–>產(chǎn)生–>
幀檢驗(yàn)序列FCS（Frame Check Sequence）
CRC是檢錯(cuò)方法，FCS是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼
在接收端對(duì)收到的每一幀經(jīng)過(guò)CRC檢驗(yàn)后，有以下兩種情況：
循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC差錯(cuò)檢測(cè)，只能做到對(duì)幀的無(wú)差錯(cuò)接受實(shí)現(xiàn)無(wú)比特差錯(cuò)，不能做到可靠傳輸。要做到可靠，還要解決幀丟失、幀重復(fù)或幀失序。
1）對(duì)于通信質(zhì)量良好的有線(xiàn)傳輸鏈路，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議不使用確認(rèn)和重傳機(jī)制，即不要求數(shù)據(jù)鏈路層向上提供可靠傳輸?shù)姆?wù)。如果在數(shù)據(jù)鏈路層傳輸數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)了差錯(cuò)并且需要進(jìn)行改正，那么改正差錯(cuò)的任務(wù)就由上層協(xié)議（例如，運(yùn)輸層的TCP協(xié)議）來(lái)完成。
2）對(duì)于通信質(zhì)量較差的無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議使用確認(rèn)和重傳機(jī)制，數(shù)據(jù)鏈路層向上提供可靠傳輸?shù)姆?wù)（見(jiàn)第9章）。
可靠傳輸協(xié)議將在第5章運(yùn)輸層中討論。本章介紹的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議都不是可靠傳輸?shù)膮f(xié)議。
2.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP（Point-to-Point Protocol）
2.1.PPP協(xié)議的組成
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。PPP既支持異步鏈路（無(wú)奇偶檢驗(yàn)的8比特?cái)?shù)據(jù)），也支持面向比特的同步鏈路。IP數(shù)據(jù)報(bào)在PPP幀中就是其信息部分。這個(gè)信息部分的長(zhǎng)度受最大傳送單元MTU的限制。
（2）一個(gè)用來(lái)建立、配置和測(cè)試數(shù)據(jù)鏈路連接的鏈路控制協(xié)議LCP（LinkControl Protocol）。通信的雙方可協(xié)商一些選項(xiàng)。在RFC 1661中定義了11種類(lèi)型的LCP分組。
（3）一套網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP（Network Control Protocol），其中的每一個(gè)協(xié)議支持不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，如IP、OSI的網(wǎng)絡(luò)層、DECnet，以及AppleTalk等。
2.2.PPP協(xié)議的幀格式
（1）字節(jié)填充：
（2）零比特填充：
五個(gè)連續(xù)的1后加0.
例：0111110101—>011111001001
3.使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層
3.1.局域網(wǎng)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
以太網(wǎng)使用無(wú)連接，不編號(hào)，不用回復(fù)確認(rèn)，盡最大努力的交付，是不可靠服務(wù)。
3.2.計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)工具----適配器（adapter）
適配器本來(lái)是在主機(jī)箱內(nèi)插入的一塊網(wǎng)絡(luò)接口板（或者是在筆記本電腦中插入一塊PCMCIA卡——個(gè)人計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器卡接口適配器）。這種接口板又稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)接口卡NIC（Network Interface Card）或簡(jiǎn)稱(chēng)為“網(wǎng)卡”。適配器上面裝有處理器和存儲(chǔ)器（包括RAM和ROM）。適配器和局域網(wǎng)之間的通信是通過(guò)電纜或雙絞線(xiàn)以串行傳輸方式進(jìn)行的，而適配器和計(jì)算機(jī)之間的通信則是通過(guò)計(jì)算機(jī)主板上的I/O總線(xiàn)以并行傳輸方式進(jìn)行的。因此，適配器的一個(gè)重要功能就是要進(jìn)行數(shù)據(jù)串行傳輸和并行傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換。
3.3.CSMA/CD協(xié)議
why use it ?：總線(xiàn)上在同一時(shí)間只能允許一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。
電磁波在1km電纜的傳播時(shí)延約為5μs，幀間最小間隔：9.6μs（用來(lái)處理緩存，為接收下一幀做準(zhǔn)備）
上圖重要時(shí)刻：
在t＝0時(shí)，A發(fā)送數(shù)據(jù)。B檢測(cè)到信道為空閑。
在t＝τ?δ時(shí)（這里τ>δ>0），A發(fā)送的數(shù)據(jù)還沒(méi)有到達(dá)B時(shí)，由于B檢測(cè)到信道是空閑的，因此B發(fā)送數(shù)據(jù)。
經(jīng)過(guò)時(shí)間δ/2后，即在t＝τ?δ/2時(shí)，A發(fā)送的數(shù)據(jù)和B發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)生了碰撞。但這時(shí)A和B都不知道發(fā)生了碰撞。
在t＝τ時(shí)，B檢測(cè)到發(fā)生了碰撞，于是停止發(fā)送數(shù)據(jù)。
在t＝2τ?δ時(shí)，A也檢測(cè)到發(fā)生了碰撞，因而也停止發(fā)送數(shù)據(jù)。
A和B發(fā)送數(shù)據(jù)均失敗，它們都要推遲一段時(shí)間再重新發(fā)送。
以太網(wǎng)的端到端往返時(shí)間2τ稱(chēng)為爭(zhēng)用期（contention period），它是一個(gè)很重要的參數(shù)。爭(zhēng)用期又稱(chēng)為碰撞窗口（collision window）。
1.對(duì)于10Mbit/s以太網(wǎng)，爭(zhēng)用期內(nèi)可發(fā)送512bit，即64字節(jié)（最短有效幀長(zhǎng)），爭(zhēng)用期2τ為51.2μs
所以，以太網(wǎng)端到端時(shí)延必須小于爭(zhēng)用期的一半即25.6μs
2.對(duì)于100Mbit/s的以太網(wǎng)，爭(zhēng)用期為5.12μs，幀間最小間隔：0.96μs
若發(fā)生碰撞：
截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)退避（truncated binary exponentialbackoff）算法來(lái)確定碰撞后重傳的時(shí)機(jī)。
從離散的整數(shù)集合［0，1，…，（2k?1）］中隨機(jī)取出一個(gè)數(shù)，記為r。重傳應(yīng)推后的時(shí)間就是r倍的爭(zhēng)用期。
當(dāng)重傳次數(shù)不超過(guò)10時(shí)，參數(shù)k等于重傳次數(shù)；但當(dāng)重傳次數(shù)超過(guò)10時(shí)，k就不再增大而一直等于10。當(dāng)重傳達(dá)16次仍不能成功時(shí)（這表明同時(shí)打算發(fā)送數(shù)據(jù)的站太多，以致連續(xù)發(fā)生沖突），則丟棄該幀，并向高層報(bào)告。
*強(qiáng)化碰撞：
當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞時(shí)，除了立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)外，還要再繼續(xù)發(fā)送32比特或48比特的人為干擾信號(hào)（jamming signal），以便讓所有用戶(hù)都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞。
對(duì)于10Mbit/s以太網(wǎng)，發(fā)送32（或48）比特只需要3.2（或4.8）μs。
3.4.使用集線(xiàn)器的星型拓?fù)?/h4>
星形以太網(wǎng)10BASE-T
使用集線(xiàn)器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個(gè)總線(xiàn)網(wǎng)，各站共享邏輯上的總線(xiàn)，使用的還是CSMA/CD協(xié)議。
集線(xiàn)器工作在物理層。每個(gè)端口只簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)發(fā)比特，不進(jìn)行碰撞檢測(cè)。
3.5.以太網(wǎng)的信道利用率
以太網(wǎng)單程端到端時(shí)延τ與幀的發(fā)送時(shí)間T0之比：
因此，要提高以太網(wǎng)利用率參數(shù)a的值應(yīng)當(dāng)盡可能小，即當(dāng)數(shù)據(jù)率一定時(shí)，以太網(wǎng)連線(xiàn)的長(zhǎng)度受到限制（否則τ會(huì)太大），同時(shí)以太網(wǎng)幀長(zhǎng)不能太短（否則T0的值會(huì)太小，使a值太大）。
3.6.以太網(wǎng)的MAC層
在局域網(wǎng)中，硬件地址又稱(chēng)為物理地址或MAC地址。用來(lái)唯一標(biāo)識(shí)計(jì)算機(jī)，標(biāo)識(shí)系統(tǒng)（identificationsystem）
查找MAC命令：ipconfig /all
- IPv4：32位（4字節(jié)）
- MAC：48位
- IPv6：128位
IEEE規(guī)定地址字段第一字節(jié)的最低位為I/G（Individual/Group）位
- 單站地址：I/G=0
- 組地址：I/G=1，用于多播
- 廣播地址：只作為目的地址使用
MAC幀格式
DIX Ethernet V2：世界第一個(gè)局域網(wǎng)產(chǎn)品（以太網(wǎng)）規(guī)約
IEEE 802.3：第一個(gè)IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)
以太網(wǎng)V2的MAC幀格式：
當(dāng)數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度小于46字節(jié)時(shí)，MAC子層就會(huì)在數(shù)據(jù)字段的后面加入一個(gè)整數(shù)字節(jié)的填充字段，以保證以太網(wǎng)的MAC幀長(zhǎng)不小于64字節(jié)。
MAC幀的FCS字段的檢驗(yàn)范圍不包括前同步碼和幀開(kāi)始定界符。
有效的MAC幀長(zhǎng)度為64～1518字節(jié)之間。
4.拓展的以太網(wǎng)
- 物理層：集線(xiàn)器【半雙工】
- 數(shù)據(jù)鏈路層：交換機(jī)（網(wǎng)橋）【全雙工，自學(xué)習(xí)算法】
物理層集線(xiàn)器缺點(diǎn)：
一個(gè)更大的碰撞域（沖突域），使得吞吐量減少。
數(shù)據(jù)鏈路層交換機(jī)：多端口網(wǎng)橋，多速率端口，全雙工，獨(dú)立占用媒體，無(wú)碰撞傳輸數(shù)據(jù)，每個(gè)端口和連接端口的主機(jī)構(gòu)成獨(dú)立碰撞域，具有N個(gè)端口的以太網(wǎng)交換機(jī)碰撞域有N個(gè)。
傳統(tǒng)10Mbit/s共享式以太網(wǎng)，若有十個(gè)用戶(hù)，則每個(gè)用戶(hù)占有的帶寬為1Mbit/s，若用以太網(wǎng)交換機(jī)來(lái)連接這些主機(jī)，則總帶寬為個(gè)主機(jī)帶寬之和為100Mbit/s。
==從總線(xiàn)以太網(wǎng)到星形以太網(wǎng)
傳統(tǒng)的電話(huà)網(wǎng)是星形結(jié)構(gòu)，總線(xiàn)以太網(wǎng)使用CSMA/CD協(xié)議，以半雙工方式工作。但以太網(wǎng)交換機(jī)不使用共享總線(xiàn)，沒(méi)有碰撞問(wèn)題，因此不使用CSMA/CD協(xié)議，而是以全雙工方式工作。既然連以太網(wǎng)的重要協(xié)議CSMA/CD都不使用了（相關(guān)的“爭(zhēng)用期”也沒(méi)有了），為什么還叫做以太網(wǎng)呢？原因就是它的幀結(jié)構(gòu)未改變，仍然采用以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)。
====================================本書(shū)索引
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（謝希仁第八版）第一章：概述
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（謝希仁第八版）第二章：物理層
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（謝希仁第八版）第三章：數(shù)據(jù)鏈路層
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（謝希仁第八版）第四章：網(wǎng)絡(luò)層
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络（谢希仁第八版）第三章：数据链路层的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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