TCP/IP_数据链路层

朱雀 2022-05-21 09:27 286阅读 0赞

## TCP/IP\_数据链路层 ##

本篇文章介绍网络的基本内容数据链路层，通过介绍TCP/IP具体的数据链路以太网、无线局域网、PPP等来说明。

**数据链路相关技术**

*  MAC地址  
    MAC地址用于识别数据链路中互连的节点。  
    ![这里写图片描述][70]
 *  共享介质型网络  
    共享介质型网络指由多个设备共享一个通信介质的一种网络。在这种方式下，设备之间使用同一个载波信道进行发送和接收。为此，基本上采用半双工通信方式，因此有必要对介质进行访问控制。  
    1、争用方式  
    即CSMA（载波监听多路访问）。通常令网络上的各个站采用先到先得的方式占用信道发送数据，如果多个站同时发送帧，会产生冲突现象。会导致网络拥堵与性能下降。  
    ![这里写图片描述][70 1]  
    大部分以太网中采用了改良的CSMA方式，即CSMA/CD方式。具体为：如果载波信道上没有数据流动，则任何站都可以发送数据；检查是否会发生冲突。一旦发生冲突时，放弃发送数据，同时立即释放载波信道。放弃发送以后，随机延时一段时间，在重新争用介质，重新发送帧。  
    ![这里写图片描述][70 2]
    
    2、令牌传递方式  
    令牌传递方式是沿着令牌环发送一种叫做“令牌”的特殊报文。只有获得令牌的站才能发送数据。这种方式有两个方面特点：1、不会有冲突；2、每个站通过平等循环获得令牌机会，即使网络拥堵也不会导致性能下降。当然，在网络不太拥堵的情况下，数据链路的利用率达不到100%。  
    ![这里写图片描述][70 3]
 *  非共享介质网络  
    对介质采取专用的一种传输控制方式。在这种方式下，网络中的每个站直连交换机，由交换机负责转发数据帧。此方式下，发送端与接收端不共享通信介质，多数情况下采用全双工通信方式。  
    ![这里写图片描述][70 4]
 *  依据MAC地址转发  
    在使用同轴电缆的以太网等介质共享网络中，同一时间只有一台主机发送数据。当主机数量增加时，性能会下降，若将集线器以星型连接，就会出现一种新的设备——交换集线器，也叫以太网交换机，是一种将介质非共享型网络中使用的交换机用在以太网中。  
    以太网交换机就是持有多个端口的网桥。根据数据链路层中每个帧的目标MAC地址，决定从哪个端口发出。  
    ![这里写图片描述][70 5]  
    转发时，所参考的、用以记录发送接口的表叫做转发表，转发表是可以通过自学过程而得来的。由于MAC地址没有层次性，转发表中的入口个数与整个数据链路中所有网络设备的数量有关。当设备数量增加时，转发表也会随之变大，检索表的时间越来越长。当连接多个终端时，有必要将网络分成多个数据链路。交换机转发方式：1、存储转发，检查以太网数据帧末尾的FCS位后再进行转发。2、直通转发，直通转发方式中不需要将整个帧全部接收下来以后再进行转发，只需要得知目标地址即可开始转发。
 *  环路检测技术  
    通过网桥连接网络时，一旦出现环路，可能会导致数据帧在环路中被一而再再而三的持续转发如下图，当这种数据越积越多的时候会导致网络瘫痪掉。  
    ![这里写图片描述][70 6]  
    1、生成树方式  
    每个网桥必须在1~10秒内相互转换BPDU包，从而判断哪些端口使用哪些端口不使用，以便消除环路。一旦发生故障，自动切换通信线路，利用那些没有被使用的端口继续进行传输。例如，以某一个网桥为构造树的根，并对每个端口设置权重。这一权重可以适当的设置，指定优先使用哪些端口以及发生问题时该使用哪些端口。  
    ![这里写图片描述][70 7]  
    2、源路由法  
    该方式可以判断发送数据的源地址是通过哪个网桥实现传输的，并将帧写入RIF。网桥根据这个RIF信息发送帧给目标地址。因此，即使出现了环路，数据帧也不会反复转发。
 *  VLAN  
    带有VLAN技术的网桥，可以切断所有VLAN之间的所有通信。相比一般的网桥，VLAN可以过滤多余的包，提高网络的乘载效率。  
    ![这里写图片描述][70 8]  
    异构的两个网段之间，需要具有路由功能的交换机，或在各段之间通过路由器连接。  
    ![这里写图片描述][70 9]

## 不同的数据链路 ##

**以太网**

*  以太网帧格式

以太网帧前端有一个叫做前导码的部分，它由数字0、1数字交替组合而成，表示一个以太网帧的开始，也是对端网卡能够确保与其同步的标志。前导码最后有个“11”组成的SFD域，在这之后就是以太网帧的本体。  
![前导码][70 10]  
以太网帧本体的格式如下：  
![这里写图片描述][70 11]  
帧尾最后出现的是FCS。它里面保存着整个帧除以生成多项式的余数，用它可以检查帧是否有损坏。  
在IEEE802.3 Ethernet与一般的以太网在帧的首部上有区别，一般以太网中表示类型的字段，在IEEE802.3 Ethernet中表示帧的长度。此外，数据部分前端还有LLC和SNP字段。标识上一层协议类型的字段就出现在这个SNAP中。  
![这里写图片描述][70 12]  
数据链路层进一步可以分为，介质访问控制层和逻辑链路层。介质访问控制层根据以太网或FDDI等不同数据链路所**特有**的首部信息进行控制，逻辑链路层则根据以太网或FDDI等不同数据链路所**共有**的首部信息进行控制。LLC/SNAP格式如下：  
![这里写图片描述][70 13]

**无线通信**  
MAC层中使用的同样是MAC地址，介质访问控制上使用CSMA/CA方式。IEEE802.11：  
![这里写图片描述][70 14]

**PPP**  
PPP是指点对点连接计算机的协议。PPP不像以太网和FDDI，后两者不仅与数据链路层有关，还与物理层有关，具体说，以太网使用同轴电缆，他可以决定其中1、0被解释为何种电信号。与之相比，PPP属于纯粹的数据链路层，与物理层没有任何关系。

*  LCP与NCP  
    在开始进行数据传输之前，先要建立PPP级连接。在PPP的主要功能中包含两个协议：一个是不依赖上层的LCP协议，另一个是依赖上层的NCP协议，上层为IP，也叫作IPCP。LCP主要负责建立和断开连接、设置最大接收单元、设置验证协议（PAP:通过两次握手进行用户名和密码验证；CHAP:使用一次性密码OTP）以及设置是否进行通信质量的监控。IPCP负责IP地址设置以及是否进行TCP/IP首部压缩等设备。  
    ![这里写图片描述][70 15]
 *  PPP帧格式  
    ![这里写图片描述][70 16]  
    其中标志码用来区分每个帧。

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