浅谈数据链路层

柔情只为你懂 2022-04-02 09:14 344阅读 0赞

# 一. 数据链路和帧 #

### 1.1 第一种说法 ###

**链路 (link)：** 是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。一条链路只是一条通路的一个组成部分

**数据链路 (data link)：** 除了物理线路外，还必须有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。

注：现在最常用的方法是使用适配器（网卡）来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能

### 1.2 第二种说法 ###

把链路分为物理链路和逻辑链路

**物理链路**：对应第一种的链路

**逻辑链路**：对应第一种的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议

数据链路层传送的都是帧

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# 二. PPP协议 #

对于点对点的链路，目前使用得最广泛的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。用户使用拨号电话线接入互联网时， 用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议就是 PPP 协议。

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**ppp协议包括三个组成部分：**

1.  一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
2.  链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。
3.  网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

**ppp协议的工作状态：**

1.  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。
2.  PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。
3.  这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，并进行网络层配置，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。
4.  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。

可见，PPP 协议已不是纯粹的数据链路层的协议，它还包含了物理层和网络层的内容。

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# 三. 局域网—以太网 #

### 3.1 以太网、适配器 ###

局域网（Local Area Network，[LAN][]）是在一个局部的地理范围内（如一个学校、工厂和机关内），一般是方圆几千米以内，将各种计算机，外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网。

局域网的拓扑结构有下图三种

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**以太网：**以太网是局域网的一种，严格来说，“以太网”应当是指符合DIX Ethernet V2标准的局域网

**适配器：**又称为通信适配器（adapter）或网络接口卡NIC（Network Interface Card）,或“网卡”。它的一些主要功能有：

1.  进行串行/并行转换。
2.  对数据进行缓存。
3.  在计算机的操作系统安装设备驱动程序
4.  实现以太网协议

下图展现了计算机如何通过适配器和局域网进行通信

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### 3.2 以太网的MAC层 ###

在局域网中，**硬件地址**又称为**物理地址**，或 MAC 地址。 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。

注意：如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器，那么这样的主机或路由器就有多个“地址”。更准确的说，这种48位“地址”应当是某个接口的标识符。

IEEE 802 标准规定 MAC 地址字段可采用 **6 字节 ( 48位)** 或 **2 字节 ( 16 位)** 这两种中的一种。IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段 6 个字节中的前三个字节 (即高位 24 位)，称为**组织唯一标识符**。地址字段 6 个字节中的后三个字节 (即低位 24 位) 由厂家自行指派，称为**扩展唯一标识符**，必须保证生产出的适配器没有重复地址。

![20181226134703710.png][]

一个地址块可以生成 2^24 个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是 EUI-48。生产适配器时，6 字节的 MAC 地址已被固化在适配器的 ROM“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符 EUI-48。

# 四.  以太网的扩展 #

### 4.1 在物理层扩展以太网 ###

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**缺点：**

1.  碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
2.  如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。

### 4.2 在数据链路层扩展以太网 ###

扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行。早期使用网桥，现在使用以太网交换机。

**网桥：**工作在数据链路层。它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，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，或把它丢弃。

**以太网交换机(switch)****：**常称为交换式集线器 或第二层交换机 (L2 switch)，强调这种交换机工作在数据链路层。

**特点**：

*  以太网交换机实质上就是一个**多接口的网桥，**通常都有十几个或更多的接口。
 *  每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。
 *  以太网交换机具有并行性。能同时连通多对接口，使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。
 *  以太网交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
 *  以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
 *  以太网交换机使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。

### 4.3 虚拟局域网 ###

利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)。

虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机是属于哪一个 VLAN。

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。

由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合，使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。

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*  IEEE 批准了 802.3ac 标准，该标准定义了以太网的帧格式的扩展，以支持虚拟局域网。
 *  虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为 VLAN 标记 (tag)，用来指明发送该帧的计算机属于哪一个虚拟局域网。
 *  插入 VLAN 标记得出的帧称为 802.1Q 帧 或 带标记的以太网帧。

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[LAN]: https://baike.baidu.com/item/LAN
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