【计算机网络】——数据链路层(应用：局域网、广域网、设备 )

//仅做个人复习和技术交流，图片取自王道考研，侵删

一、大纲

1、介质访问控制

        信道划分介质访问控制

        随机访问介质访问控制

2、局域网

3、广域网

4、数据链路层设备

二、局域网

1、局域网基本概念和体系结构

局域网(LocalArea Network): 简称LAN，是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，使用广播信道。
特点1:覆盖的地理范围较小，只在一个相对独立的局部范围内联，如一座或集中的建筑群内。
特点2: 使用专门铺设的传输介质(双绞线、同轴电缆)进行联网，数据传输速率高(10Mb/s~10Gb/s)。
特点3:通信延迟时间短，误码率低，可靠性较高。
特点4:各站为平等关系，共享传输信道。
特点5:多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播

决定局域网的主要要素为: 网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法。

四种常见的局域网拓扑结构

局域网传输介质：

有线局域网 常用介质:双绞线、同轴电缆、光纤

无线局域网 常用介质:电磁波

局域网介质访问控制方法

1.CSMA/CD  常用于总线型局域网，也用于树型网络

2.令牌总线  常用于总线型局域网，也用于树型网络
它是把总线型或树型网络中的各个工作站按一定顺序如按接口地址大小排列形成一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。

3.令牌环用于环形局域网，如令牌环网

局域网的分类

1 以太网
以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网(10Mbps)、快速以太网(100Mbps)千兆以太网(1000 Mbps) 和10G以太网，它们都符合IEEE802.3系列标准规范。逻辑拓扑总线型，物理拓扑是星型或拓展星型。使用CSMA/CD。

2.令牌环网 物理上采用了星形拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。

3.FDDI网(Flber Distributed Data lnterface) 物理上采用了双环拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。

4ATM网(Asynchronous Transler Mode) 较新型的单元交换技术,使用53字节固定长度的单元进行交换。

5.无线局城网 (Wireless Local Area Network; WLAN)采用IEEE 802.11标准。

IEEE 802标准

IEEE 802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层。

LLC负责识别网络层协议，然后对它们进行封装。LLC报头告诉数据链路层一旦帧被接收到时，应当对数据包做何处理。为网络层提供服务:无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送。

MAC子层的主要功能包括数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制等。MAC子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性。

2、以太网

以太网提供无连接，不可靠的服务。以太网只实现无差错接收，不实现可靠传输。

无连接:发送方和接收方之间无“握手过程”

不可靠:不对发送方的数据帧编号，接收方不向发送方进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠正由高层负责.

传输介质与网卡

//TODO

以太网MAC帧

计算机与外界有局域网的连接是通过通信适配器的。

网络接口板
网络接口卡NIC (networkinterface card)
NOW，不再使用单独网卡。
适配器上装有处理器和存储器 (包括RAM和ROM)。
ROM上有计算机硬件地址MAC地址

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。[实际上是标识符]

MAC地址:每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家(由IEEE规定)，后24位厂家自己指定。常用6个十六进制数表示，如02-60-8c-e4-b1-21。

由于总线上使用的是广播通信，因此网卡从网络上收到一个MAC帧，首先要用硬件检查MAC帧的MAC地址，如果是发往本站的，则收下，否则丢弃。

MAC帧有 DIX EthernetV2 和 IEEE802.3两个标准

IEEE802.3和V2不同之处在于 用数据长度代替类型，实际使用时，由于MTU（最大帧长）为1500字节，所以2字节的长度/类型字段里，64~1500表示长度，1501~65535可以标识类型。

地址：通常6字节的MAC地址

类型：2字节，指出数据源中携带的数据应该交给哪个协议实体处理。

前面说CSMA/CD 说到了最小帧长是64，因此数据部分大小是46~1500字节   ( 64-18 =46)

填充：0~46字节，当数据帧过短的时候，填充到最小帧长64字节

校验码：FCS 4字节 32位CRC循环冗余校验，整个MAC帧(包括地址，类型，数据部分)。

高速以太网

**全双工是不存在冲突的，冲突只会发生在共享信道(广播信道)

速率2100Mb/s的以太网称为高速以太网。
1.100BASE-T以太网
在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。
支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突。

2.吉比特以太网
在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号。
支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突。

3.10吉比特
10吉比特以太网在光纤上传送10Gb/s信号。
只支持全双工，无争用问题。

3、IEEE 802.11 无线局域网

1、无线局域网的组成：

（1）有固定基础设施的无线局域网

比如我第在一家公司的业务，地铁专用无线通信系统。

AP：基站

BSS：基本服务集

SSID：服务集标识符

BSA：基本服务集覆盖的地区 ：基本服务区

DS ：分配系统

ESS ：扩展服务集

Portal：接入有线网，类似网桥

（2）无固定基础设施的移动自组织网络。

2、802.11局域网MAC帧

共有三种类型：

数据帧、控制帧、管理帧

802.11数据帧由三个部分构成

1）MAC首部 30字节

2）帧主体 ：即帧的数据部分 0~2312字节

3）帧检验序列  4字节

MAC头

802.11 帧的 MAC首部中最重要的是 4 个地址字段(都是 MAC 地址)。这里仅讨论前种地址(地址 4 用于自组网络)。这三个地址的内容取决于控制字段中的“去往 AP”和“来自AP”这两个字段的数值

地址1是直接接收数据帧的结点地址，地址 2 是实际发送数据的结点地址。

1）现假定在一个 BSS 中的站 A 向站 B 发送数据。在站A 发往接入点 AP 的数据的控制字段中“去往 AP=1”而“来自 AP=0”;地址1是AP的MAC 地址，地址2是A的MAC 地址，地址3是B的MAC 地址。注意，“接收地址”与“目的地址”并不等同。

2)AP 接收到数据帧后，转发给站 B，此时在数据的控制字段中，“去往 AP=0”而“来自AP=1”:地址1是B的MAC地址，地址2是AP的MAC地址，地址3是A的MAC地址。请注意，“发送地址”与“源地址”也不等同。

简单来说：手台对讲机A 想呼叫车载台B，要经过基站AP。

//经过路由器更复杂的情况，待补充

4、VLAN

//虚拟局域网的知识带补充

三、广域网

//待补充

1、基本概念

2、PPP协议

只支持全双工链路

3、HDLC协议

四、数据链路层设备

1、网桥

两个或多个以太网通过网桥连接后，就可以形成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MAC子层，可以使以太网各个网段称为隔离开的冲突域。

网桥根据MAC的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或者是把它丢弃(即过滤）（物理层设备是直接广播的，一个集线器下的所有设备都被广播）。

网桥优点:
1.过滤通信量，增大吞吐量。
2扩大了物理范围。
3.提高了可靠性。
4.可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网。

网段:

一般指一个计算机网络中使用同一物理层设备(传输介质，中继器，集线器等)能够直接通讯的那一部分。

2、局域网交换机（以太网交换机）

1、交换机的原理和特点

交换机实际上就是一个多端口的网桥。它工作在数据链路层，以太网交换机的每个端口都是直接与单台注解或另一台交换机相连，通常工作是全双工方式。(想想交换机的那个上下行口)。

交换机能够经济的将网络分成小的冲突域，为每个工作站提供更高的带宽。(下面会解释为什么)

其工作原理是：

它检测出从以太网端口来的数据帧的源和目的地址的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，若数据帧的源MAC地址不在查找表中，则将该地址加入查找表，并将数据帧发送给相应的目的端口。

以太网交换机还可以实现VLAN，VLAN不就可以隔离冲突域，还能隔离广播域。

传统10Mb/s共享式以太网，如果有N个用户，则每个用户所占的平均带宽只有10/N。使用以太网交换机(全双工)来连接这些主机，虽然每个端口到主机的带宽还是10Mb/s，但是由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体带宽，N个端口的总容量就变成了 N*10Mb/s。这就是为什么说它提供了更高的带宽。

+ 以太网交换机的特点:

1、以太网交换机的每个端口都直接与单台主机相连(网桥的端口往往连接到一个网段)，并且一般都工作在全双工方式。

2、以太网交换机能同时连通多对端口，使每对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，无碰撞地传输数据。

3、以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧的转发表是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。

4、以太网交换机由于使用专用的交换结构芯片，交换速率较高。

5、以太网交换机独占传输媒体的带宽。

+ 以太网交换机主要采用两种交换模式:

1、直通式交换机，只检查的目的地址(6B MAC)，这使得帧在接收后几乎能马上被传出去。这种方式速度快，但缺乏智能性和安全性，也无法支持具有不同速率的端口的交换。

2、存储转发式交换机: 先将接收到的帧缓存到高速缓存器中，并检查数据是否正确，确认无误后通过查找表转换成输出端口将该帧发送出去。如果发现帧有错，那么就将其丢弃。优点是可靠性高，并能支持不同速率端口间的转换，缺点是延迟较大。

以太网交换机一般都具有多种速率的端口，例如可以具有 10Mb/s、100Mb/s 和 1Gb/s 的端口的各种组合，因此大大方便了各种不同情况的用户。

交换机一个端口就是一个冲突域

(一般一个物理层设备所连接的设备都是一个冲突域的比如星型局域网内的集线器，正如前一章所说，他们共享信道，可能会产生冲突，遵循CSMA/CD）

2、交换机的自学习功能

决定一个帧是应该转发到某个端口还是应该将其丢弃称为过滤。

决定一个帧应该被移动到哪个接口称为转发。

交换机的过滤和转发借助于交换表(switch table) 完成。

交换表中的一个表项至少包含:

1、一个MAC 地址;

2、连通该 MAC 地址的交换机端口。

例如，在图 中，以太网交换机有4个端口，各连接一台计算机，MAC 地址分别为A、B、C和D，交换机的交换表初始是空的。

【自学习过程】

起初表为空

A要发送一帧给B，经过端口1，向除1以外的其他端口发起广播，3，4因地址不对，自动丢弃，

端口2收到。此时向转发表里记入：（A,1）。当以后有其他主机向A发送帧的时候，不需要广播，直接发往1端口。

B发送一帧给A,B直接发往1端口，并记入（B，2）

一段时间后，所有主机和端口都被写入。

转发表每个一段时间会删除，更新。

冲突域与广播域