Data Link Layer

Outline: * 使用点对点信道的数据链路层 * 点对点协议PPP * 使用广播信道的数据链路层 * 扩展的以太网 * 高速以太网

数据链路层使用的信道主要有两种类型：

1. 点对点信道
2. 广播信道： 一对多， 需要共享信道协议来协调数据发送

本章我们研究的是在同一个局域网中， 分组怎样从一台主机传送到另一台主机， 但并不经过路由器转发。 从整个互联网角度看， 局域网仍属于数据链路层的范围。

使用点对点信道的数据链路层

数据链路和帧

• 链路: 从一个结点到相邻结点的物理线路(有线或无线), 而中间没有其他的交换结点. 链路只是一条路径的组成部分
• 数据链路: 链路 + 必要的通信协议, 现在常用方法是用网络适配器(既有硬件也有软件)来实现这些协议
• 帧: 网络层协议的数据单元是IP数据报(或简称数据报, 分组 或 包). 点对点信道的数据链路层在进行通信时的主要步骤如下:
  1. 结点A数据链路层把网络层交下来的packet添加首部和尾部封装成帧
  2. 结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层
  3. 若结点B的数据链路层收到的帧无差错, 则从收到的帧中提取出packet交给上层的网络层; 否则丢弃这个帧

三个基本问题

封装成帧

• 分组交换: 所有在互联网上传送的数据都以IP数据报(packet) 为传送单位. packet到数据链路层就成为帧的数据部分, 加上首部和尾部就成为完整的帧
• 首部和尾部的一个重要作用是帧定界, 此外, 首部和尾部还包含许多必要的控制信息
• 每一种链路层协议都规定了所能传输的帧的数据部分长度上限 --- 最大传送单元MTU( Maximum Transfer Unit )

透明传输

• 字节填充

差错检测

• CRC

点对点协议PPP

• Point-to-Point Protocol， 是用户计算机和ISP通信时所使用的数据链路层协议

PPP协议应满足的需求

1. 简单
2. 封装成帧.
   • PPP协议必须规定特殊的字符作为帧定界符
3. 透明性
4. 多种网络协议
   • PPP必须能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议的运行
5. 多种类型链路
   • PPP必须能在多种类型的链路上运行. 例如串行和并行, 同步和异步, 高速和低速, 电和光
6. 差错检测( error detection )
   • 立即丢弃有差错的帧
7. 检测连接状态
   • 必须具有一种机制能够及时自动检测链路是否处于正常工作状态
8. 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. 这是为了促进各种书籍线之间的互操作性. 如果高层协议发送的分组过长并超过MTU的数值, PPP就要丢弃这样的帧. MTU是数据链路层的帧可以载荷的数据部分的最大长度, 而不是帧的总长度
9. 网络层地址协商
10. 数据压缩协商

使用广播信道的数据链路层

局域网的数据链路层

• 局域网最主要的特点: 网络为一个单位所拥有, 且地理范围和站点数目均有限
• 局域网的优点:
  1. 具有广播功能. 从一个站点可很方便地访问全网. 局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源
  2. 便于习用的扩展和逐渐演变, 各设备的位置可灵活调整和改变
  3. 提高了系统的可靠性( reliability ) , 可用性( availability ) 和生存性( survivability )
• 局域网的分类( 按拓扑 ):
  • 星型网
  • 总线网
  • 环形网
• 共享信道要考虑的一个问题是如何使众多用户能合理且方便地共享媒体资源, 这在技术上有两种方法:
  1. 静态划分信道 . 如第二张的频分复用, 时分复用, 波分服用等. 用户只要分配到了信道就不会与其它用户发生冲突. 但这种方式代价较高, 不适合局域网
  2. 动态媒体接入控制, 又称为多点接入( multiple access ) , 分两类
     • 随机接入: 用户可以随机地发送信息. 但如果两个或更多的用户在同一时刻发送信息, 那么在共享媒体上就要产生碰撞(即发生了冲突), 因此必须有解决碰撞的协议. 以太网属于随机接入
     • 受控接入 用户不能随机地发送消息而必须接受一定的控制

适配器的作用

• 适配器和局域网之间的通信通过电缆或者双绞线以串行传输方式进行
• 适配器和计算机之间的通信通过计算机主板上的IO总线以并行传输方式进行
• 适配器的一个重要功能是进行数据串行传输和并行传输的转换
• 计算机的硬件地址就在适配器的ROM中, 而计算机的软件地址---IP地址, 则在计算机的存储器中
• 适配器在接受和发送各种帧时, 不使用计算机的CPU. 当适配器收到有差错的帧时, 就把这个帧直接丢弃而不必通知计算机. 当收到正确的帧时, 它就使用中断来通知计算机, 并交付协议栈中的网络层.
• 当计算机要发送IP数据报时, 就由协议栈把IP数据报向下交给适配器, 组装成帧后发送到局域网

CSMA/CD协议

• Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波侦听多路访问/冲突检测协议)
• 早期以太网是总线型的. 属于广播通信. 为了在总线上实现一对一通信, 可以使每台计算机的适配器拥有一个和其他适配器不同的地址, 当发送数据帧时, 在帧的首部写明接收站的地址.
• 仅当数据帧中的目的地址与适配器ROM中存放的硬件地址一致时, 该适配器才能接收这个数据帧, 否则就丢弃. 这样, 就在总线上实现了一对一通信
• 以太网采取以下两种措施
  • 无连接
    • 不必建立链接就可以直接发送数据
    • 适配器对发送的数据帧不进行编号, 也不要求对方发回确认
    • 尽最大努力的交付, 即不可靠的交付.
• 总线特点: 在同一时间只能允许一台计算机发送数据, 解决方法:
  • CSMA/CD协议
  • 曼彻斯特编码
• CSMA/CD的特点
  • 多点接入
  • 载波监听
    • 检测信道( 发送前和发送中都要不停检测信道 )
  • 碰撞检测

以太网的MAC层

• 局域网中, 硬件地址又称为MAC地址
• 48位的全球地址, 就是固化在适配器的ROM中的地址
• 发往本站的帧有三种:
  1. 单播( unicast )帧
  2. 广播( broadcast )帧( 一对全体 ), 即发送给本局域网上所有站点的帧( 全1地址 )
  3. 多播(multicast )帧( 一对多 ): 即发送给本局域网上部分站点的帧
• 所有的适配器都能识别前两种帧,有的能通过编程方式识别多播地址

扩展的以太网

在物理层扩展以太网

• 用集线器
• 缺点：
  • 多个系的以太网通过集线器互连起来后， 多个碰撞域会合并成一个
    • 碰撞域： 在任意时刻， 每个碰撞域中只能有一个站在发送数据
  • 如果不同的系使用不同的以太网技术（如数据率不同）， 那么就不可能用集线器把它们互连起来。 集线器基本是个多借口的转发器， 它不能把帧进行缓存

在数据链路层扩展以太网

扩展以太网一般在数据链路层进行， 用交换机

以太网交换机的特点

• 交换机就是多接口的网桥
• 每个接口都直接与单台主机或另一个以太网交换机相连, 且工作在全双工方式
• 具有并行性, 能同时连通多对接口, 且多对主机能同时通信, 相互通信的主机都是独占传输媒体, 无碰撞地传输数据
• 是一种即插即用设备, 其内部的帧交换表(地址表)是通过自学习算法建立的
• 交换机能隔离冲突域,但不能隔离广播域
  • 交换机使用硬件转发, 比使用软件转发的网桥快很多
• 交换机一般具有多种速率的接口, 因此不同数据率的两给局域网可以互连
• 部分交换机实现直通( cut through )的交换方式. 而网桥只能存储转发

以太网交换机的自学习功能

1. A向B发送一帧, 从接口1进入交换机. 交换机收到帧后, 先查找交换表, 没有找到应从哪个接口转发这个帧( 在MAC地址这一列中, 没有找到目的地址为B的项目 ). 接着, 交换机吧这个帧的源地址和接口1写入交换表中, 并向除接口1外的所有接口广播这个帧
2. C和D将丢弃这个帧, 因为目的地址不对. B会收下这个帧. 这称为过滤
3. 假定接下来B通过接口3向A发送一帧. 交换机查找交换表, 发现交换表中的MAC地址有A, 就应当把收到的帧从接口1转发出去. 并向表中写入源地址B和接口3

• 交换表中每个项目都设有一定的有效时间
• 如果存在冗余链路, 则会导致帧在某个环路中无限兜圈子, 因此IEEE制定了生成树协议STP( Spanning Tree Protocol ), 其要点是不改变网络的实际拓扑, 而在逻辑上切断某些链路, 似的从一台主机到所有其他主机的路径是五环路的树状结构, 从而消除了兜圈子现象.

从总线到星型以太网

• 目前, 采用以太网交换机的星型拓扑成为首选拓扑
• 总线以太网使用CSMA/DA协议, 以半双工方式工作. 但以太网交换机不使用共享总线, 没有碰撞问题, 因此不使用CSMA/DA协议, 而是以全双工方式工作
• 因为帧结构没有改变, 所以现在的局域网还叫以太网

虚拟局域网

• 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组, 而这些网段有某些共同的需求. ,每一个VLAN帧都有一个明确的标识符( VLAN tag, 4字节 ), 指明发送方属于哪一个VLAN

高速以太网