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数据链路层

数据链路层

将比特组合成字节,再将字节组合成帧,使用链路层地址(以太网使用MAC地址)来访问介质,并进行差错检测。

以太网帧格式

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  • 以太网目的地址源地址48位
  • 以太网的帧都有最小长度要求46字节

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  • 类型 :标记上层使用的协议;
  • 数据 :长度在 46-1500 之间,如果太小则需要填充;
  • FCS :帧检验序列,使用的是 CRC 检验方法;

封装成帧

将网络层传下来的数据包(Packet)分组添加首部和尾部,用于标记帧的开始和结束。

透明传输

透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。(对特定类型用户不可见)

帧使用首部和尾部进行定界,如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容,那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符,那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符,用户察觉不到转义字符的存在。

差错检测

数据链路层广泛使用循环冗余检验(CRC)来检查比特差错。
发送方和接收放首先协商一个 r + 1 位的二进制数(生成多项式)。将要发送的数据左移 r 位后,除以协商好的二进制数。
接收方收到数据后,收到的数据除以生成多项式所得的余数为 0 则说明数据无差错。

信道分类

广播信道

一对多通信,一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到。
所有的节点都在同一个广播信道上发送数据,因此需要有专门的控制方法进行协调,避免发生冲突(也称碰撞)。
主要有两种控制方法进行协调,一个是使用信道复用技术,一是使用 CSMA/CD 协议。

点对点信道

一对一通信。
不会发生碰撞,比较简单;使用 PPP 协议进行控制。

信道复用技术

1. 频分复用

频分复用的所有主机在相同的时间占用不同的频率带宽资源。

2. 时分复用

时分复用的所有主机在不同的时间占用相同的频率带宽资源。

以上两种通信方式在通信的过程中主机会一直占用一部分信道资源。但是由于计算机数据的突发性质,通信过程没必要一直占用信道资源而不让出给其它用户使用,因此这两种方式对信道的利用率都不高。

3. 统计时分复用

对时分复用的一种改进,不固定每个用户在时分复用帧中的位置,只要有数据就集中起来组成统计时分复用帧然后发送。

4. 波分复用

光的频分复用。由于光的频率很高,因此习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波。

5. 码分复用

CSMA/CD 协议

CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。

  • 多点接入 :说明这是总线型网络,许多主机以多点的方式连接到总线上。
  • 载波监听 :每个主机都必须不停地监听信道。在发送前,如果监听到信道正在使用,就必须等待。
  • 碰撞检测 :在发送中,如果监听到信道已有其它主机正在发送数据,就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲,但是由于电磁波的传播时延的存在,还是有可能会发生碰撞。

PPP 协议

互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网,PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。

MTU

即最大传输单元, 属于链路层的传输特性,比MTU大的数据报需要“分片”。

MAC 地址

物理地址。是链路层地址,长度为 6 字节(48 位),用于唯一标识网络适配器(网卡)。
一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器,因此就有两个 MAC 地址。

ARP协议

地址解析协议(Address Resolution Protocol),基本功能为通过目标设备的IP地址,查询目标设备的MAC地址,保证通信的顺利进行。它是 IPv4 中网络层必不可少的协议,不过在IPv6中已不再适用,并被邻居发现协议(NDP)所替代。

局域网

局域网是一种典型的广播信道,主要特点是网络为一个单位所拥有,且地理范围和站点数目均有限。
主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术,目前以太网占领着有线局域网市场。
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以太网

以太网是一种星型拓扑结构局域网。

早期使用集线器进行连接,集线器是一种物理层设备, 作用于比特而不是帧,当一个比特到达接口时,集线器重新生成这个比特,并将其能量强度放大,从而扩大网络的传输距离,之后再将这个比特发送到其它所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧,那么就发生了碰撞。

目前以太网使用交换机替代了集线器,交换机是一种链路层设备,它不会发生碰撞,能根据 MAC 地址进行存储转发。

数据链路层设备:交换机

交换机具有自学习能力,学习的是交换表的内容,交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。
由于具有自学习能力,交换机是一种即插即用设备,不需要网络管理员手动配置交换表内容。

虚拟局域网

虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组,只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息。


参考资料

CS-Notes