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计算机网络数据链路层

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数据链路层

概念

  1. 链路：从一个结点到相邻结点的一段物理线路（有线或无线），而中间没有其他任何的交换结点。
  2. 数据链路： 在一条线路上传送数据时，除了要有物理线路，还要有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输，若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。最常用的办法是使用网络适配器实现这些协议。
  3. 帧：点对点信道的数据链路层的协议数据单元，就是对网络层下发的IP数据报的添加首部和尾部封装成帧。
  4. MTU（Maximum Transfer Unit，最大传送单元）：将IP数据报封装成帧，利用帧首部和尾部进行帧定界。为了提高传输效率，应当使得数据部分长度尽量大于首部和尾部的长度和，但是每种数据链路层协议都规定了所传送帧的数据部分长度上限，即最大传送单元。
  5. 误码率BER(Bit Error Rate）：现实的通信链路都不会太理想，传输过程中可能存在比特差错，比如0变成1，1变成0。误码率指的是在一段时间内，传输错误的比特占传输比特总数的比率。
  6. PPP（Point to Point Protocol）：对于点对点链路，简单的点对点协议PPP是目前使用最广泛的数据链路层协议。
  7. CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect）：带碰撞检测的载波监听多路访问协议。
  8. FCS：帧检验序列，用于检测帧在传输过程中是否出错，可用CRC算法生成。
  9. 曼彻斯特编码：以太网发送的数据采用曼彻斯特编码，在每个码元中间会出现一次电压转换，接收端可以利用这种电压的转换将位同步信号提取出来。通过曼彻斯特编码，在以太网帧中不需要指定帧长度，因为当不出现电压跳变时，向前查4个字节的FCS就可以找到数据字段的结束位置。
  10. 争用期：在使用CSMA/CD协议的广播信道中，要实现碰撞检测，当端到端传播时延为τ时，那至多2τ时间就可以检测到是否发生碰撞，当经过这么长时间还未检测到碰撞就可以肯定这次发送不会产生碰撞。
  11. 集线器Hub：工作在物理层，用于组以太网。集线器组的以太网逻辑上依然是总线型网络，还是用CSMA/CD协议。
  12. MAC（Media Access Control）媒体接入控制：局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址。
  13. 网桥：工作在数据链路层，根据MAC帧的目的地址转发收到的帧，适用于用户数不多的通信量不太大的网络，否则发送的广播包太多，就会产生广播风暴。
  14. 交换机：足够多接口的网桥就成为了今天的交换机，各个接口直接接计算机，具有存储转发功能，使抓包工具无效，更安全，更高效（无冲突，排队等待），可设置全双工工作方式。
  15. 单播：收到的帧的MAC地址与本站的MAC地址相同。
  16. 组播：发送给本局域网一部分站点的帧。
  17. 广播：发送给本局域网所有站点的帧（全1地址）。
  18. VLAN（Virtual Local Area Network）虚拟局域网：是一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，交换机的出现使得VLAN成为可能，每个VLAN帧都有一个标识来表明是来自哪个VLAN的帧。
  19. CSMA/CA：带冲突避免的载波监听多路访问协议，用于无线局域网的数据传输。
  20. 接入点AP：基本服务集BSS中的基站。
  21. 分配系统DS：使扩展服务集ESS对上层的表现就像一个基本服务集BSS一样。
  22. 服务集标识符SSID：无线局域网的名字。
  23. 基本服务集BSS与扩展服务集ESS：构成无线局域网的最小构件是BSS，ESS是多个多个BSS通过分布系统互联起来的。
  24. 热点：向公众提供有偿或无偿接入WIFI的地方。
  25. 移动自组网络：无固定基础设施的无线局域网。
  26. 802.11：无线局域网的协议标准。

问答

数据链路层的三个基本任务是什么？如何实现？？

  • 封装成帧：在一段数据的前后分别添加首部和尾部，那么接收端在收到物理层上交的比特流后，就可以根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束。
  • 透明传输：透明传输指的是无论什么样的比特组合的数据，都能按照原样无差错的通过这个数据链路层，数据链路层对于这些数据来说是透明的。通过在数据中出现控制字符的前面添加转义字符，以及当在数据中出现转义字符前面也添加转义字符实现的。
  • 差错检测：使用CRC循环冗余检验实现。

数据链路层使用的信道分类

  • 点对点信道
  • 广播信道

CRC循环冗余检验的工作原理

在要传送的二进制数据M末尾添加n位0，相当于M乘以2的n次方。然后设置除数为n+1位的双方事先约定好的二进制数，做模二运算，然后得到n位的余数添加到原数据M末尾。将帧传送出去。接收方收到数据，将其除以约定好的n+1位数字做模二运算，如果余数为0，则认为传输过程中无差错，否则出现差错予以丢弃。

什么是PPP协议？用于何种信道的链路层控制？PPP的工作原理。

  • PPP协议是用于点对点信道的数据链路层协议，比如接入到ISP就使用PPP协议。
  • 当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。
    PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。
    这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，进行接入鉴别和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。
    通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

以太网的链路控制如何实现？

为了通信的方便，以太网的链路控制采用灵活的无连接操作方式，即不用像PPP一样得先在两点之间建立链路连接，而是直接就可以发送数据，对数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。但这是基于CSMA/CD协议和以太网的信道质量好的情况。

从数据链路层任务的角度看，PPP与以太网有何区别？为什么以太网可以不需要帧定界及传输前对数据进行转义（字符填充）？

最主要也是最明显的区别就是两者对接收到的IP数据包的进行封装成帧的方式不同。
PPP帧的帧定界用来表示的是帧的开始和结束，和转义字符一起用以保证传输的透明性。而对于以太网来说，由于采用的是曼彻斯特编码，接收方可以很容易的找到以太网帧的结束位置（再往前数4字节FCS字段便可知数据段结束位置），而在传输媒体上实际传送是会增加8个字节，包含了前同步码和帧开始界定符，这样接收方也可以很容易知道帧的开始位置（往后数22个字节便是数据段开始位置），因此，接收方可以很容易地得到IP数据报，也就实现了透明传输，不必再需要帧定界和转义字符。

CSMA/CD工作原理

1. 适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部后，组成以太网帧，放入缓存准备发送。
2. 若适配器检测到信道空闲，并在96比特时间内信道保持空闲，就发送这个帧。若检测到信道忙，不停检测直至信道空闲。
3. 在发送过程中继续检测信道，若未检测到碰撞，就顺利把这个帧成功发送完毕。若检测到碰撞，便中止发送，并发送人工干扰信号。
4. 在中止发送后，适配器执行指数退避算法，等待r倍的512比特时间后，返回步骤2继续监测信道。重传16次还不能成功，就停止重传并向上报错。

以太网的拓扑结构

由最初的总线型逐渐转变为现在使用最广泛的星型结构。

为什么说使用集线器的星型以太网本质上仍然是总线网？

因为集线器使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，虽然表面上看是星型结构，但是使用集线器的以太网各站依然共享逻辑上的总线，适配器使用的还是CSMA/CD协议，并在同一时刻至多只允许一个站发送数据。

以太网物理地址(MAC)的结构。

6个字节（48位）：IEEE的注册管理机构RA负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位24位)。
地址字段中的后三个字节(即低位24位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。

以太网帧格式，最小最大帧长？

MAC帧

6字节的目的地址，6字节的源地址，2字节对数据字段类型的说明代号，然后是46到1500字节的数据部分，最后是4字节的FCS帧检验序列（使用CRC检验）。

以太网在物理层的扩展手段有那些？在数据链路层的扩展手段有哪些？

  • 物理层扩展：a.使用一对光纤和一对光纤调制解调器；b.用多个集线器构成多级星型结构的以太网。
  • 数据链路层扩展：最初使用网桥，现在广泛使用交换机进行扩展。

网桥、交换机的工作原理。透明网桥的工作原理。网桥、交换机与集线器的区别。

  • 网桥工作原理:当网桥接收到一个MAC帧时，先存储帧并检查此帧的目的MAC地址，查找转发表，然后进行转发；转发之前要执行CSMA/CD算法。
  • 交换机工作原理：实质为多接口网桥。多数仍是采用存储转发方式进行转发。也有少量采用直通方式（不进行差错检测）。
  • 区别：1. 集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。2.网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。3.交换机每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。

有哪些高速以太网技术？高速以太网与传统以太网技术上有什么区别和联系？

1. 快速以太网（100BASE-T 以太网）：
a.采用802.3u标准，可在全双工方式下工作而无冲突发生。
b.MAC帧格式仍然是规定的。保持最短帧长64字节不变,但将一个网段的最大电缆长度减小到100m。
c.帧间时间间隔从原来的9.6微秒改为现在的0.96微秒，争用期5.12微秒。
2. 吉比特以太网：
a.允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作。
b.在半双工方式下使用CSMA/CD协议（全双工方式不需要使用CSMA/CD协议）。
3. 10吉比特以太网：只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。

VLAN的技术特点和用途？

特点：虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个VLAN。

用途：虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。另外，VLAN是用户和网络资源的逻辑组合，可按照需要对有关设备和资源非常方便的重新组合，使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。

无线局域网包括哪两种类型？有固定设施的无线局域网的组成？移动站与AP的关联方法有几种？

  • 一种是有固定基础设施的，一种是无固定基础设施的，又叫做自组网络。
  • 组成：这种无线局域网的最小构件是基本服务集BSS(Basic Service Set)，一个基本服务集又包含一个基站和若干个移动站。一个基本服务集可以孤立存在，也可以通过接入点AP连接到一个分配系统DS，然后再连接到另一个基本服务集，这样就构成了一个扩展的服务集ESS。
  • 关联方法：一种是被动扫描，移动站等待接收接入点AP周期性发出的信标帧，信标帧中含有若干系统参数（SSID和支持速率）；另一种是主动扫描，移动站主动发出探测请求帧，然后等待从接入点发回的探测响应帧。

什么是802.11局域网的隐蔽站、暴露站问题？CSMA/CA工作原理。与有线以太网CSMA/CD协议相比有何异同？

  • 隐蔽站问题：当A与C都想向B通信，由于A与C之间相距过远，彼此听不见对方。当A和C检测到信道空闲时，就向B发送数据，结果发生碰撞。这种未能检测到信道上其他站点信号的问题叫做隐蔽站问题。检测到信道空闲，其实信道并不空闲。
  • 暴露站问题：B向A发送数据，C想和D通信，但C检测到信道忙，就不敢和D通信。这种问题叫做暴露站问题。检测到信道忙，其实信道并不忙。
  • CSMA/CA(带碰撞避免的载波监听多路访问协议)：a.欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。
    b.通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。c.
    当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间 DIFS 后就可发送。
  • 异同：相同点在于都使用载波监听多路访问，在发送数据前先对媒体进行载波监听，判断信道空闲才发送数据。区别是有线以太网采用碰撞检测的手段，使用二进制退避算法来计算重传的时间，但不保证不会发生碰撞；而无线局域网因其无线信道本身的能够向所有方向传播并且传播距离受限的特点不需要进行碰撞检测，而是要通过技术手段尽量避免碰撞的产生。

在存在AP的802.11无线局域网中，两台移动站之间通讯，发送站是否可将数据帧直接发给接收站？

所有的站在本BSS内都可以直接通信，所以答案是肯定的。只有在和本BSS以外的站进行通信的时候，才需要经过基站。

2018 年 5月 4日