计算机网络第三章——数据链路层（下）

提示：任何命运无论多么复杂，都只是反映在一瞬间

局域网

局域网也有无线局域网，
局域网的特性主要由三个要素决定:拓扑结构、传输介质，介质访问控制方式，最重要的是介质访问控制方式，它决定着局域网的技术特性

我们日常生活中局域网主要是使用总线型这种结构，若是中间的集线器坏了，主机都是不能进行通信的，在树型拓扑中若是根节点出现问题了，其他主机也是不能进行通信的，树型拓扑和环形拓扑当拓扑构建好了，其中的数据传输的方向也就确定好了，

或者说无线局域网也可以说它是在空气中进行传播的，

介质访问控制包括动态划分信道，动态分配信道，以及静态划分信道，
CSMA/CD。先听再说，边听边说，也会用于树型网络，但是树型网络基本上不会考到的，
令牌总线结合了令牌和总线的特点，
这个令牌环就是之前说过的令牌环网，令牌环网逻辑上的拓扑结构是环形的，但是物理上的物理结构是星型的，这个物理拓扑结构和逻辑拓扑结构它们两个要求并不一定是一样的，这个物理就是实际这个线是如何连的，逻辑结构是在构造的物理拓扑结构之上，我们想象这个设备在各种设备或信道上是如何传输的， 因此逻辑拓扑和物理拓扑不一定是一样的，物理拓扑主要是受现实的制约，逻辑拓扑主要是受通信思想的一个制约，具体的某一种网络逻辑上是如何的，物理上是如何的需要大家留意。

这几种的分离主要是靠介质访问控制的方法来进行分的，
令牌环网中若是其中有某一个结点发生了错误，那么整个环就无法进行通信了，所以这种令牌环网基本上是用不到了，
我们在进行数据通信的时候，我们将数据分成一个个小的单元，这个单元是可变还是不可变的,在ATM网中，这个长度固定的，但是上面的其他三种网络中，这种交换信息的单元长度是可变的，
无线局域网的通信介质是空气或者说是在电磁波上传输，并且注意无线局域网并不是WiFi，wifi只是无线局域网的一个应用，WiFi的作用范围比无线局域网要小，

逻辑链路控制( LLC)子层：向网络层提供无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送4种不同的连接服务类型
媒体接入控制( MAC )子层：向上层屏蔽对物理层访问的各种差异，提供对物理层的 统一访问接口，主要功能包括:组和拆卸、比特传输差错检测、透明传输，MAC主要就是和帧相关的操作。但是给帧加序号是属于LLC子层的功能。

以太网

总线就是逻辑上是总线型的拓扑结构，局域网的规范也可以叫做局域网的技术，所以只要说这个局域网采用的是CSMA/CD,就可以说它使用的是一个以太网，这两个规约的主要区别是在帧的格式上会有两个字节的微小的不同，只要满足DIX和IEEE的标准局域网都可以叫做以太网，

无连接就是发送方和接收方事先不需要建立连接，
无差错接收就是指若是你给我发的是1010，那么我接收也是按照1010接收，若是我发现通过一个差错检测，类如奇偶校验呀，或者CRC冗余检验，通过这些检验方法发现你的这个帧出错了，那么这个帧就直接丢弃，但是这并不是可靠传输，若是帧失序，帧出错，帧重复这些都是可靠传输要解决的问题，这些可靠传输都是由高层完成的，而这种无差别的接收是由这个以太网来实现的，所以说这个以太网主要负责的就是物理层和链路层这两个层次，

星型就是当前以太网的主要使用的物理拓扑，集线器是物理层的一个傻瓜设备，可以对bit序列进行转发，集线器的内部就是有很多的线，假如说这个主机要发送一个信息，通过这个线接入到集线器之后，也就相当于将这个主机发送的信息广播出去，所以物理上构成了一个星型拓扑，但是逻辑上和传统以太网都是一个总线型结构，传统的以太网物理上逻辑上都是总线型的，使用集线器因为是更方便检查错误，

这个bese代表的意思就是基带传输，基带信号，T就是表示双绞线，通常都是无屏蔽双绞线，这个10表示的就是传输速率，这个100米看起来很短但是若是通过集线器可以大大的扩大范围，
曼彻斯特就是一个码元会有两个信号的变化，

网卡
局域网中连接计算机和传输介质的接口
功能：实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，实现帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码及数据缓存功能
介质访问控制(MAC)地址
网卡在出厂时都有一个唯一的代码，用于控制主机在网络上的数据通信
这个MAC地址就是在数据链路层标志每一个主机，标志每一个设备的一个独一标识符，

地址:通常使用6字节( 48bit ) 地址
类型:2字节，指出数据域中携带的数据应交给哪个协议实体处理
数据:46~1500字节，包含高层的协议消息。由于CSMA/CD算法的限制，以太网必须满足最小长度要求64字节，数据较少时必须加以填充(0-46字
节)
填充:0~46字节，当长太短时填充，使之达到64字节的最小长度
校验码(FCS):采用CRC循环余码
为了使得接收端可以实现位的同步，也就是使得发送方和接收方能够保持一个接收的同步，我们就需要MAC层和物理层的前面插入一个8B的前导码，前面7个字节就是前导码，后面是定界符，并且注意，前导码都是1010，而定界符是10101011 最后两位是11，并且注意这8B并不是MAC帧的一部分，以太网MAC帧包括那几个部分，这个目的地址有三种，第一种情况就是一个单波地址（就是一个专有的MAC地址），第二种情况就是一个广播地址，广播地址也就是全1的也就是全F的，所有的主机看到这样一个地址就会都接收下来，第三种情况就是多播地址，这个类型指明的就是网络层的一个协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的协议，注意这个数据部分是可变的，
我们在链路层的开始的时候说过一个MTU,也就是链路层最大的传输单元，这个是规定好的，至于46就是以太网中的最小帧长64B减去其他的部分， FCS就是之前讲过的循环冗余中的一个4B的帧检验序列，这里只有帧开始定界符没有帧结束定界符，原因是因为以太网使用的编码形式是曼彻斯特编码，特点就是每一个bit内都会有两个码源，因此当不发送数据的时候就是不会有变化了，因此这个发送方的网络适配器的接口上的电压也就不会发生变化，这样我们就可以很清楚的确定以太网帧结束的一个位置，然后再往前的4B就可以确定数据的结束位置了，而且每一个发送帧之间都会有一个最小间隔，也就是每一个帧不是连续发送的，与IEEE 802.3的区别：第三个字段是长度/类型当长度/类型字段值小于0x0600时，数据字段必须装入LLC子层。

全双工就是指每一个主机既可以发送又可以接收， 这个交换机可以隔离冲突域，所以交换机的每一个端口就是一个冲突域，因此一个主机在一个冲突域中就不会发生冲突了，在全双工情况下是不需要使用CSMA/CD协议的，

只可以实现一个差错的检测，但是差错的纠正就是交给传输层实现的，接下来又说了传输介质和拓扑结构的发展，传输介质从同轴电缆到现在的双绞线和集线器的一个组合，拓扑结构也由原来的逻辑物理都是总线型到现在的物理是星型，逻辑是总线，适配器就是一个网卡，只要烧制好就会有一个确定的MAC地址，一个MAC地址就是由48位构成，通常会用6个16进制数来表示，
在以太网中，如果一个结点要发送数据，那么它将以“广播”方式把数据通过作为公共传输介质的总线发送出去，连在总线上的所有结点(包括发送结点)都能“收听”到发送结点发送的数据信号，包含她自己

无线局域网

IEEE 80211是无线局域网的一系列协议标准，包括80211a和802.11b等。它们制定了 MAC 层协议，运行在多个物理层标准上

需要记住这个MAC帧中地址1，地址2，地址3，地址4的具体代表的是什么， 其中的A表示Address,
当我们行走的时候这个基站的数据库也是有更新，我们到一个区域我们的手机号就会存储于一个基站中，
这个源地址就是主机A的MAC地址，目的地址就是主机B的MAC地址，而这个RA就是这个接收端的基站，而TA就是发送端的基站，因此我们就可以把这个RA和TA理解为发送端和接收端的两个基站，

上图中所说的帧的格式就是这个表格中的第四种，不同的帧的类型对应的地址字段也是不同的，

有固定基础设施无线局域网，802.11标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集(BSS)
组成:一个基本服务集包括一个基站和若干移动站，所有的站在本BSS内都可以直接通信，但在与本BSS外的站通信时都要通过本BSS的基站
无固定基础设施无线局域网自组织网络由一些平等状态移动站相互通信组成的临时网络。各结点之间地位平等，中间结点都为转发结点，这些结点都具有路由器功能移动自组织网络把移动性扩展到无线领域中的自治系统，具有自己特定的路由选择协议，并且可以不和因特网相连

这个嘿嘿的带两个角的就是基站，可以实现一定范围的主机进行通信，也可以实现漫游，一个基站所覆盖的一个范围，基站包括这几个主机就构成了一个基本服务集BSS，所有的在本服务集中都可以进行直接的通信，若是另外有一个服务集也就需要一个分配系统，这个分配系统就是将无线和有线结合到一起，

只有主机而无集线器，路由器，基站每一个主机都可以充当一个路由器的功能，既可以接收数据又可以帮忙转发数据，各结点之间的地位都是相互平等的，每一个结点都可以移动。
传统局域网的局限
1，缺乏流量隔离，即使把组流量局域化到单一个交换机中，广播流量仍会跨越整个机构网络（ARP,RIP，DHCP协议），
我们知道一个主机发送一个广播帧，这个广播域中所有的主机都能收到这个广播帧，所以这个就是流量的问题，
2，如果一个主机在不同的组间移动，必须改变物理布线，连接到新的交换机上，
广播域的隔离就需要路由器的支持，一个大的局域网中有非常多的组，我们希望给它隔离开来，我们就需要多个路由器来解决，而路由器的成本比较高，
虚拟局域网VLAN (Virtual Local Area Network)是一种将局域网内的设备划分成与物理位置无关的逻辑组的技术，这些逻辑组有某些共同的需求。每个VLAN是一个单独的广播域/不同的子网。相当于将这个交换机VLAN划分之后，它连接的这几个主机就可以处在不同的VLAN中了，每一个VLAN又是一个广播域，也就是不同的子网（不同的子网之间只能借助路由器或者这种具有路由选择和转发的交换机才可以，），我们可以自己决定将那些放到主机1 中那些放到主机2中，打破了物理上的限制，在逻辑上构成了广播域，交换机首先有一个转发表，基于MAC地址和端口的映射，并且这个交换机还有虚拟局域网的功能，它又附加了一个VLAN表，这个表是由VLAN ID和端口组成，当同一个局域网中要进行转发也就是先根据MAC地址查转发表找到对应的端口号，然后查看VLAN表响应的端口号，若是VLAN ID相同则可以进行转发，还有另外一种VLAN表是由VLAN ID 和MAC地址，这就是一种更加写死的方法了，
若是处于不同交换机下的要进行数据的通信，就会在帧上附加一个字段叫做一个标签，交换机2就会查看这个帧中的标签，然后知道要发给那个虚拟局域网了，
并且注意不同的VLAN标签是不能进行访问的（因为没有路由器和三层交换机的）
一个逻辑工作组可以说是一个子网或者一个广播域，

广域网及相关协议

广域网可以由多个局域网组合而成，也就实现了多个局域网的互联，看到上图这个白色的东西叫做结点交换机，是链路层的设备，但是它和路由器的功能很像都是用来转发分组的，但是注意这个结点交换机只能在单个的网络之中进行转发分组，而路由器（也就是网络层设备）是可以在多个网络之间进行转发分组的，广域网和局域网的一个大的区别是广域网所覆盖的网络体系结构的层次，从物理层，链路层还有网络层，但是局域网只覆盖物理层和链路层，局域网中采用的是逻辑上总线型的多点接入的技术，广域网中多采用给是点对点服务，一个发送端一个接收端，广域网中强调的是资源的共享，局域网中强调的是数据的传输，虽然说广域网的传输速率比局域网的传输速率要块（因为要实现很远距离的传输，速度不能太慢，广域网中的传输延迟比局域网中的传输延迟要高一点），

之后学习的htlc协议也是只支持全双工链路的。

异步传输指的是在传输中逐个字节，逐个字符来发送的，但是在同步线路中是按bit来进行发送的（实现透明传输使用的也是0bit插入法），差错检测就是使用的CRC循环冗余，通过在帧中添加一个FCS的字段就实现了差错的检测，如果发现了错误就给它简单的丢弃，因为PPP协议不需要实现可靠传输，

设备之间无链路，也就是还没有联上网，我们先点开宽带连接，输入账号密码，如果这个账号密码输入正确，也就相当于建立好了一个物理链路，这个时候LCP就登场也就是建立一个LCP链路，这个LCP链路再经过NPC协商形成一个NCP链路，这个时候才可以正式的访问网络上面的内容，实现一个数据的通信，

这个PPP协议帧是以字节为单位的，只要在信息部分遇到了帧定界符，我们就在它前面插入一个转义字符，或者说遇到一个转移字符在它前面也要插入一个转义字符，到接收端之后只需要将这些转义字符去掉便可，这个FCS就是为了实现一个差错的检测，我们采用CRC冗余检验算法，在后面安置了一个两个字符的帧检验序列，所以我们看到帧格式是以字节为单位的，所以传输的数据都是整数个字节，因此PPP协议是一种面向字节的协议，

概要:使用串行线路通信的面向字节的协议，该协议应用在直接连 接两个结点的链路上
目的:主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据
PPP协议是在SLIP协议的基础上发展而来的，它既可以在异步线路上传输，又可在同步线路上使用，不仅用于Modem链路，也用于租用的路由器到路由器的线路背景:SLIP主要完成数据报的传送，但没有寻址、数据检验、分组类型识别和数据压缩等功能，只能传送IP分组
组成部分：链路控制协议(LCP):一种扩展链路控制协议，用于建立、配置、测试和管理数据链路，网络控制协议(NCP):PPP协议允许同时采用多种网络层协议，每个不同的网络层协议要用一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接一个将IP数据报封装到串行链路的方法: IP数据报在PPP帧中就是其信息部分，这个信息部分的长度受最大传送单元(MTU)的限制，
注意：PPP提供差错检测但不提供纠错功能，只保证无差错接收通过硬件进行CRC校验)。它是不可靠的传输协议，因此也不使用序号和确认机制，它仅支持点对点的链路通信，不支持多点线路，PPP只支持全双工链路，PPP的两端可以运行不同的网络层协议，但仍然可使用同一个PPP进行通信，PPP是面向字节的当信息字段出现和标志字段一致的比特组合时，PPP用在异步线路(默认)，则采用字节填充法，PP用SONET/SDH 等同步线路，则协议规定采用硬件来完成比特填充(和HDLC的做法一样)

HDLC协议（408已删）

也是在广域网中可以使用的点对点协议，实际上很少去应用它，需要注意HDLC协议是不属于TCP/IP协议族的，而且是一个面向bit的协议，HDLC协议是可以实现透明传输的，实现透明传输的方法是0bit插入法，

主站就是起控制作用的站，从站就是起被控制作用的站，复合站就是既可以当主站有可以当从站的一个站，
这个异步响应方式就是从站可以不经过主站的同意就进行数据的传输，第二种异步平衡方式 这里指的是每一个复合站都可以进行对别的站数据传输，

就是在数值部分若是遇到5个“1”就插入一个0，接收端遇到五个1就去掉一个0
“无奸细”
控制字段规定了信息部分这个帧是一个什么类型

虽然HDLC很可靠但是有一个问题就是太浪费了
在实际应用中，主要靠TCP协议实现一个差错控制或者流量控制，而网络层和链路层基本上实现都是不可靠的尽最大的能力的传输，原因就是现在对当网络的要求比较高，可靠传输都是交给传输层，

为了使的这个PPP协议更加的简单，不需要事先可靠的传输，也就不需要实现流量的控制，不需要实现帧的确认和编号，

链路层设备

我们之前说过主机和集线器之间的距离不能超过100m,如图在集线器上连接了多个主机，我们就在物理层次上将以太网扩展一下，采用的第一种方式就是光纤的方式，因为光纤非常的长，而且光纤的损耗非常的小，所以可以采用光纤的方式来进行扩展以太网的范围，使得两个主机通信的距离可以更远，光纤调制器就是将电信号转化成光信号，第二种方式就是用集线器将很多个集线器也连接起来，每一个集线器所构成的区域就叫做冲突域，冲突域指的就是这个物理层这个设备所连的主机之内若是进行通信的话，同一时间是只能有一台主机在发送信息的，如果有两台主机在发送信息，就会发生冲突，这样构成的一个区域就是一个冲突域，然后用一个大的主干集线器将集线器连接，这样不同冲突域中的计算机就能与其他的计算机进行连接了，这样有两个好处一个是跨域通信，这个主机就能和很远的主机进行通信了，第二个就是扩大了以太网的地理范围，缺点就是通信的效率变低了，主机变多了，自然冲突的可能性也变大了，有没有一种方式既可以减少冲突又可以扩大以太网的范围，也就是如下，

两个或多个以太网通过网桥连接后，就成为一个覆盖范围更大的以太网，而原来的每个以太 网就称为一个网段，网桥工作在链路层的MAC子层，可以使以太网各网段成为隔离开的碰撞域
基本特点
具备寻址和路径选择能力，可以确定顿的传输方向
从源网络接收帧，以目的网络的介质访问控制协议向目的网络转发该帧，网桥在不同或相同类型的LAN 之间存储并转发帧，必要时还进行链路层上的协议转换，网桥对接收到的帧不做任何修改 ，或只对帧的封装格式做很少的修改，可以把原协议的信息段的内容作为另一种协议的信息部分封装在顿中，有足够大的缓冲空间
优点
能过滤通信量 扩大了物理范围 可使用不同的物理层，性能得到改善，可互联不同类型的局域网，提高了可靠性
缺点
增大了时延，只适用于用户数不多和通信量不大的网络，没有流量控制功能，不同MAC子层的网段桥接在一起需要进行帧格式转换

网桥其实是交换机的前身，我们现在使用的交换机而非网桥，可以看出与集线器的一个区别就是集线器会通过除自己以外所有的端口转发出去，比如从一个端口收到了一个1010bitl流，就会从其他的所有的端口转发出去，这个网桥就是稍微有一点智商，我应不应该从这个端口转发，应该从那个口转发，如果不能转发就将他丢弃，这个就是网桥的工作原理，如上网桥就是将两个以太网用网桥连接起来了，构成了一个更大的以太网，而原来的以太网就是一个冲突域，我们也叫它为网段，
网桥是一个工作在数据链路层的一个链路层的设备，它可以把各个冲突域分隔开，若是换成一个集线器就没有过滤通信量或者说分割冲突域的功能了，而且各个冲突域内都是可以同时进行通信的，提高可靠性体现在若是某一个主机坏了，则不会影响其他冲突域的主机，

透明网桥(选择的不是最佳路由）建立转发表，采用自学习算法处理收到的帧
工作原理：如果源LAN和目的LAN相同，那么丢弃该帧，如果源LAN 和目的LAN不同，那么转发该帧，如果目的LAN未知，那么扩散该帧，
这个透明和之前所学的透明的含义很是类似，如上图就是两个网桥将三个网段连接起来了、所谓的自学习就是在传输的过程中逐步的填满这个转发表，假设A要发送一个先从网桥的转发表中找信息，若是没有就将信息填充到转发表中。

路由选择由发送数据帧的源站负责，网桥只根据数据真正的路由信息对帧进行接收和转发
源站以广播方式向目的站发送一个发现( Discovery Frame)作为探测之用，然后根据经过的结点生成最佳路径
缺陷：如果发现帧过多，会导致网络出现阻塞
路由最少就是所通过的路由器最少，找到这个路径之后，若是帧的源站和目的站是相符合一致的，就写入的帧的首部

局域网交换机又称以太网交换机，从本质上说，以太网交换机是一个多端口的网桥能经济地将网络分成小的冲突域，为每个工作站提供更高的带宽优点：对工作站是透明的，管理开销低廉，简化了网络结点的增加、移动和网络变化的操作，方便地实现虚拟局域网(VLAN)VLAN可以隔离冲突域，而且可以隔离广播域
以太网交换机就是一个多端口的网桥，正如你所见这个以太网交换机既可以连接集线器也可以直接连接于主机，独占传输媒体带宽意思就是若是以太网交换机最大10MB/s 则每一个集线器就是可以达到10MB/s，

实际生活中使用的还是存储转发的交换机，无论使用哪一种交换机都是需要找到一个转发的端口，

检测从以太端口来的数据帧的源和目的地的MAC(介质访问层）地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据帧的MAC地址不在查找表中，则将该地址加入查找表，并将数据发送给相应的目的端口，
特点：工作在全双工方式，碰撞地传输数据，转发表也是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的，使用了专用的交换结构芯片，因此交换速率较高，独占传输媒体的带宽。

交换机和刚才学习的网桥几乎是一模一样的，只要经过这个交换机的时候，就会先看这个转发表中有没有发往目的站的，若是没有就将信息写入到转发表中

冲突域和广播域

这个冲突域通常都是一个物理层设备连接的主机，

注意这个直通式交换机转发一个数据帧的时间是多少，只需要测算转发这6个字节需要多少时间，

VLAN 建立在交换技术基础上，以软件方式实现逻辑分组与管理，VLAN 中的计算机不受物理位置的限制。当计算机从一个 VLAN 转移到另一个 VLAN 时，只需简单地通过软件设定，而无需改交在网络中的物理位置。同一个 VLAN 的计算机不一定连接在相同的物理网段，它们可以连接在相同的交换机上，也可以连接在不同的局域网交换机上，只要这些交换机互连即可。
一般有三种划分 VLAN的方法。基于端口，将交换机的若干端口划为一个逻辑组，这种方法最简单、最有效，如果主机离开了原来的端口，那么就可能进入一个新的子网。基于 MAC地址，按 MAC 地址将一些主机划分为一个逻辑子网，当主机的物理位置从一个交换机移动到另一个交换机时，它仍然属于原来的子网。基于 地址，根据网络层地址或协议划分 VLAN，这样VLAN 就可以跨越路由器进行扩展，将多个局域网的主机连接在一起。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-699893.html

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