计算机网络——数据链路层—局域网和广域网

一、局域网的基本概念和体系结构

• 局域网LAN通常是指在一个较小的地理范围内（一般在几十米到几公里之间），利用通信线路将
许多数据设备连接起来，实现资源和信息共享的互联网络。
• 局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。除此之外，
局域网还具有较高的速率、较低的时延和较低的误码率、各站为平等关系而非主从关系、能进
行广播和组播等特点。

• 决定局域网特性的主要因素包括三个方面：即网络拓扑结构、传输介质和介质访问控制方式。
      1）介质访问控制方式是最为重要的技术要素，决定着局域网的技术特性。
      2）局域网的主要拓扑结构包括星形结构、环形结构、总线型结构和树形结构（星形和总线型结合的复合型结构）。
      3）局域网的主要传输介质包括双绞线、铜缆和光纤等，其中双绞线为主流的传输介质。
      4）局域网的介质访问控制方法主要有CSMA／CD、令牌总线和令牌环，其中前两种主要用于总线型局域网，令牌环主要用于环形局域网。
局域网的体系结构只涉及OSI的物理层和数据链路层。
为了使得不同厂家生产的局域网能够相互连通进行通信，IEEE于1980年2月下设了一个802委员会，专门从事局域网和城域网标准的制订，形成的一系列标准统称为IEEE 802标准。ISO于1984年3月采纳其作为局域网和城域网的国际标准系列，称为ISO 8802标准。

1、数据链路层的两个子层

• IEEE 802把OSI模型中的数据链路层划分成拆成两个子层：
• 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层
• 介质访问控制 MAC (Medium Access Control)子层。
• 这样划分的目的主要是为了将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，以适应不同的传输介质；解决共享信道（如总线）的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的。

2、以太网的两个标准

• DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。
• IEEE 的 802.3 标准。
• DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。
• 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 

3、以太网提供的服务

• 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。
• 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。
• 差错的纠正由高层来决定。
• 如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个
新的数据帧来发送。
 

4、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。
• 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。
• 一个地址块可以生成224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。
• “MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。

5、网络适配器（网卡）

• 网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network InterfaceCard)，或“网卡”。
• 适配器的重要功能：
• 进行串行/并行转换。
• 对数据进行缓存。
• 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
• 实现以太网协议。

6、适配器检查 MAC 地址

• 适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.
      • 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。
      • 否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。
• “发往本站的帧”包括以下三种帧：
      • 单播(unicast)帧（一对一）
      • 广播(broadcast)帧（一对全体）
      • 多播(multicast)帧（一对多） 

7、以太网的帧 MAC

• 常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ：
           DIX Ethernet V2 标准
          IEEE 的 802.3 标准
它们都规定数据的传输必须使用曼切斯特编码进行。
• 最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。

8、无效的 MAC 帧

• 数据字段的长度与长度字段的值不一致；
• 帧的长度不是整数个字节；
• 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；
• 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
• 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
• 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。

9、高速以太网

• 速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。
• 在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。
100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。
• 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。
• 帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在的 0.96 s。

10、令牌环局域网

• 令牌环网（IEEE802.5）在物理上采用星形拓扑结构，但逻辑上仍是环形拓扑结构。
• 媒体接入控制机制采用分布式控制模式的循环方法。
• 轮询访问介质访问控制、令牌传递协议

二、广域网的基本概念

    广域网并没有严格的定义，通常是指覆盖范围很广（远远超过一个城市的范围）的长距离网络。
    广域网是互联网的核心部分，其任务是通过长距离（例如，跨越不同的国家）运送主机所发送的数据。广域网由一些结点交换机以及连接这些交换机的链路组成。结点交换机执行将分组存储转发的功能。 

1、广域网与局域网区别

2、PPP 协议应满足的需求：

• 点到点协议PPP，是广域网连接中使用最为广泛的一个数据链路层协议。 
• 是使用串行线路通信的面向字节的协议。
•  协议设计的目的主要是用来通过拨号或专项方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共同的解决方案。 

 3、PPP 协议的组成
 PPP 协议有三个组成部分
       • 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
       • 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)
           • 创建链路完成链路的启动、测试、任选参数的协商和最终链路的断开
       • 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)
           • 调用链路层创建阶段选定的网络控制层协议

4、数据链路层的简单模型

因为PPP协议是点对点的，并不是总线型，所以无需采用CSMA/CD协议，自然就没有最短帧，所以信息段占0~1500个字节，而不是46~1500个字节。另外，当数据部分出现和标志位一样的比特组合时，就需要采用一些措施来实现透明传输。 

5、透明传输问题

• 当PPP用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充
• 当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。
• 在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除。

6、PPP协议的特点

• PPP 协议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。
• PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。当信息字段出现和标志字段一致的比特组合时，PPP 有两种不同处理方法：如果PPP用在异步线路（默认）时，采用字节填充法；如果PPP用在SONET/SDH等同步线路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和HDLC做法样）。
• PPP协议只支持全双工链路。
• 只支持点对点的链路通信，不支持多点线路。
• 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。

7、HDLC协议

    高级数据链路控制（High-Level Data Link Control或简称HDLC），是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织(ISO) 开发而成的.其最大特点是不需要数据必须是规定字符集，对任何一种比特流，均可以实现透明的传输。

• HDLC的帧类型：
    • 信息帧（Ｉ帧）信息帧用于传送有效信息或数据
    • 监控帧（S帧）监控帧用于监视和控制数据链路，完成信息帧的接收确认、重发请求、暂停发送请求等功能。监控帧不具有信息字段
    • 无编号帧（U帧）无编号帧用于数据链路的控制，它本身不带编号，可以在任何需要的时刻发出， 

HDLC协议特点：
• HDLC是面向比特的数据链路控制协议，不依赖于任何一种字符编码集；
• 数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现；
• 全双工通信，有较高的数据链路传输效率；
• 所有帧采用CRC检验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重份，传输可靠性高；
• 传输控制功能与处理功能分离，具有较大灵活性。

PPP帧和HDLC帧的不同：
1)PPP是面向字节的，HDLC协议是面向比特的。
2)PPP帧比HDLC帧多一个2字节的协议字段。当协议字段值为0x0021时，表示信息字段是IP
数据报。
3)PPP 不使用序号和确认机制，只保证无差错接收（通过硬件进行CRC检验），而端到端差
错检测由高层协议负责。HDLC协议的信息帧使用了编号和确认机制，能够提供可靠传输。