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计算机网络第三章-3

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计算机网络——数据链路层（3）

广域网 局域网
覆盖范围 很广，通常跨区域 较小，通常在一个区域内
连接方式 节点之间都是点对点连接，但为了提高网络的可靠性，一个结点交换机往往与多个结点交换机相连 普遍采用多点接入技术
OSI层次 三层：物理层、数据链路层，网络层 两层：物理层，数据链路层
联系和相似点 1.广域网和局域网都是互联网的重要组成构件，从互联网的角度上看，二者平等（不是包含关系）； 2.连接在一个广域网或一个局域网上的主机在该网内进行通信时，只需要使用其网络的物理地址即可
着重点 强调资源共享 强调数据传输
  • 局域网使用的协议主要在数据链路层（少量在物理层），即数据的控制信息主要是数据链路层协议的控制信息。广域网协议主要在网络层。

局域网

定义

在一个较小的地理范围内，将各种计算机、外部设备和数据库系统等通过双绞线、同轴电缆等连接介质互相连接起来，组成资源和信息共享的的计算机互联网络。

特点

  1. 为一个单位所拥有（范围和站点数量有限）；
  2. 所有站共享较高的总带宽（数据传输速率高）；
  3. 较低的时延和较低的误码率；
  4. 各站为平等关系；
  5. 能进行广播和组播。

特性由三个要素决定：

  1. 拓扑结构（星型、环形、总线型、星形和总线复合型）
  2. 传播介质（双绞线、铜缆、光纤等，双绞线为主）
  3. 介质访问控制方式（决定性）（CSMA/CD、令牌总线和令牌环，前两种用于总线型局域网，第三种用于环形局域网）

三种特殊的局域网实现：以太网、令牌网、FDDI（光纤分布数字接口）

逻辑拓扑 物理拓扑 信息发送方式
以太网 总线型 星型 广播式
令牌环（Token Ring,IEEE802.5） 环形 星型
FDDI（光纤分布数字接口，IEEE802.8） 环形 双环形

IEEE802标准将数据链路层分成两个子层：逻辑链路控制子层和介质访问控制子层：

  • 介质访问控制子层（MAC），向上层屏蔽对物理层访问的各种差异，提供对物理层的统一访问接口，功能：组帧和拆卸帧、比特传输差错检测、透明传输、寻址、竞争处理。
  • 逻辑链路控制子层（LLC），与传输媒体无关，向网络层提供无确认无连接、面向连接、带确认无连接、告诉传送4种不同的链接服务类型。LLC作用已不大，目前不少网卡仅有MAC协议而无LLC协议。功能：建立和释放数据链路层的逻辑连接、提供和高层的接口、差错控制、给帧加序号。

以太网与IEEE 802.3

  • IEEE 802.3标准是一种基带总线型的局域网标准。采用CSMA/CD方式。
  • 采用两项措施简化通信：
    • 无连接的工作方式。不对发送的数据帧编号。
    • 不要求接收方发送确认，提供不可靠服务，对于差错的纠正则由高层完成。
  • 常用传输介质由4种：粗缆、细缆、双绞线和光纤。
参数 10BASE5 10BASE2 10BASE-T 10BASE-FL
传输媒体 基带同轴电缆（粗缆） 基带同轴电缆（细缆） 非屏蔽双绞线 光纤对（850nm）
编码 曼彻斯特编码 曼彻斯特编码 曼彻斯特编码 曼彻斯特编码
拓扑结构 总线型 总线型 星型 点对点
最大段长 500m 185m 100m 2000m
最多结点数量 100 30 2 2

  • 网卡具有唯一的MAC地址（即以太网地址）。功能：

    • 是局域网中连接计算机和传输介质的接口；
    • 不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配；
    • 还涉及帧的发送与接收、帧的封装和拆装；
    • 介质访问控制、数据的编码与解码以及数据缓存的功能。

  • MAC帧格式有两种标准：DIX Ethernet V2标准和IEEE802.3标准，以前者为例：

    • MAC帧格式=前导码+MAC帧；
    • 前导码=前同步码（7B，实现时钟同步）+帧开始定界符（1B）；
    • MAC帧=目的地址（6B）+原地址（6B）+类型（2B，指出data区的数据应交给哪个协议实体处理）+data区（46~1500B，包含高层协议消息，若不足46B则填充）+FCS（4B，校验码，除了前导码外，都属于娇艳的范围）；
    • IEEE 802.3对比DIX不同之处：帧起始标志；长度域代替类型域。

  • 高速以太网：速率超过100Mb/s，并且可以从10Mb/s向10Gb/s演进，说明：可拓展、灵活、易于安装、稳健性好。常见的有：100BASE-T（可全双工，可半双工）、吉比特以太网（又名千兆以太网，可全双工可半双工）、10吉比特以太网（只全双工）。

IEEE 802.11

  • IEEE 802.11是无线局域网的一系列协议标准，包括802.11a和802.11b等
  • 除了基本的协调访问问题，还进行了以下控制：
    • 错误控制。为了克服通道固有的不可靠性；
    • 适宜的寻址和关联规程。为了处理站点的可携带型和移动性；
    • 互联过程。为了扩展无线站的通信范围；
    • 允许用户在移动的同时可以通信。
  • 采用CSMA/CA协议进行介质访问控制。但在无线局域网中，即使在发送过程中发生了碰撞，也要把整个帧发送完毕。因此一旦出现碰撞，在这个帧的发送时间内信道资源都被浪费了。
  • 无线局域网分为两大类：有固定基础设施和无固定基础设施的
    • 有固定基础设施：由基本服务集（BSS）作为最小构件，一般包括一个基站和若干个移动站，此基站也被称为接入点（AP，作用类似网桥）。若干个BSS可以通过分配系统（DS）连接成扩展的服务集（ESS）。ESS再通过门桥（Portal）为无线用户提供到非802.11无线局域网的接入。
    • 无固定基础设施的无线局域网自组织网络：无AP，这些结点地位平等，都具有路由器的功能。具有自己特定的路由选择协议，可以不和因特网连接，把移动性扩展到无线领域中的自治系统。区别于移动IP，移动IP技术使漫游的主机用多种方式连接到因特网，是基于固定互联网中的各种路由选择协议。

令牌环网

  • TCU：令牌环网的每一站通过电缆与环接口干线耦合器TCU相连。多站之间通过TCU相连。TCU的作用是：传递所有经过的帧、为接入站发送和接收数据提供接口。TCU有两种状态：收听状态和发送状态。
  • 令牌环网的原理可查看上一篇博客——数据链路层（2）
  • 令牌环网中令牌和数据传递过程：
    1. 当网络空闲时，环路中只有令牌帧在循环传递；
    2. 令牌传递到有数据要发送的站点处，该站点就修改令牌中的一个标志位，并在令牌中附上自己需要传输的数据，这时令牌帧就变成了数据帧，然后将数据帧发送出去；
    3. 数据帧沿着环路传输，接收到的站点一边转发数据，一边查看帧的目的地地址。如果目的地址跟自己匹配，接收站就复制该帧；
    4. 数据帧沿着环路传输，知道到达该帧的源站点，源站点不再转发。同时发送方检验数据帧是否有错，若有错则重发；
    5. 源站点发送完数据后，会重新产生一个令牌。

广域网

  • 定义：覆盖范围很广（远超一个城市）的长距离网络。
  • 任务：通过长距离运送主机所发送的数据。
  • 各结点交换机链路：都是高速链路，距离可以是几千公里的光缆线路，也可以是几万公里的点对点卫星链路。结点交换机执行分组存储转发的功能，结点之间都是点对点连接，但为了提高网络的可靠性，通常一个结点交换机与多个结点交换机连接。
  • 首要问题：通信容量必须足够大，以便支持日益增长的通信量。

结点交换机与路由器？

  • 共同点：两者都是用来转发分组；
  • 结点交换机：在单个网络中转发分组；
  • 路由器：在多个网络构成的互联网中转发分组

广域网与互联网？

  • 广域网不等同于互联网，互联网是可以通过路由器连接广域网和局域网的，
  • 局域网可以通过广域网与另一个相隔很远的局域网进行通信

路由选择和转发：

  • 路由选择：使用路由选择协议，负责搜索分组从某个结点到目的结点的最佳传输路由，以便构造路由表；
  • 转发：从路由表再构造出转发分组的转发表
  • 广域网的路由选择和转发是由结点交换机完成的，操作局限在在单个网络中。
  • 最常用的两种数据链路层控制协议：PPP协议和HDLC协议

PPP协议

  • Point-to-Point Protocol；
  • 定义：使用串行线路通信的面向字节（帧全长是整数个字节）的协议，应用在直接连接两个结点的链路上。
  • 设计目的：通过拨号或专线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。
  • 推荐阅读：广域网协议之PPP，HDLC
  • 组成部分：链路控制协议LCP、网络控制协议NCP、将IP数据报封装到串行链路的方法
  • 适用范围：异步线路/同步线路，Modem链路，路由器到路由器等
  • PPP帧的格式：7EF+FFA+03C+协议+data+FCS+7EF
    • 7EF即7E（01111110）标志字段，帧前后各一个字节，若出现在信息字段则需要字节填充，控制转义字节是7D（01111101）
    • FFA即地址字段，1个字节；
    • 03C即控制字段，1个字节；
    • 协议段，说明信息段运载的是什么分类的分组，2个字节；
    • data，即信息段，长度0~1500字节，因不采用CSMA/CD协议，所以无需限制长度下限；
    • FCS即帧检验序列，对A+C+协议+信息进行检验；
    • 尾部7EF同首部相同功能。
  • 注意：
    • PPP提供差错检验，但不提供纠错功能，是不可靠的传输协议，不使用序号和确认机制；
    • 不支持多点线路；
    • 只支持全双工链路；
    • PPP两端可以运行不同的网络层协议；
    • PPP面向字节，有两种实现透明传输的方法：异步线路采用字节填充法；同步线路利用硬件实现比特填充。

HDLC协议

  • 定义：ISO制定的，面向比特的数据链路层协议。
  • 特点：不依赖于任何一种字符编码集；数据报文可透明传输，“0比特插入法”易于通过硬件实现；全双工通信，有较高的数据链路传输效率；帧采用CRC检验；对信息帧编号，可防止漏发或重发，传输可靠性高；传输控制功能和处理功能分离，具有较大的灵活性；
  • 两种配置：非平衡配置和平衡配置：
    • 非平衡配置：由一个主站控制整个链路的工作；
    • 平衡配置：链路两端的两个站都是复合站，每个复合站都可以平等地发起数据传输，而不需要得到对方复合站的允许
  • 三种站：主站、从站和复合站：
    • 主站：主要功能是发送命令帧、接收响应帧，并负责对整个链路控制系统的初启、流程的控制、差错检测及恢复等；
    • 从站：接收从主站发来的命令帧、向主站发送响应帧，配合主站参与差错恢复等链路控制；
    • 复合站：既能发送、又能接收命令帧和响应帧，并且负责整个链路的控制。
  • 数据操作方式：正常响应方式，异步平衡方式，异步响应方式
    • 正常响应方式：非平衡结构操作方式，主站发送数据，从站响应传输（需要得到主站的许可）
    • 异步平衡方式：平衡结构操作方式，每一个复合站都可以进行对其他站的数据传输；
    • 异步响应方式：非平衡结构操作方式，从站在没有接到主站的允许下就可以传输。
  • HDLC帧的格式：F+A+C+data+FCS+F：
    • 标志F，8bit，01111110；
    • 地址字段A，8bit；
    • 控制字段C，8bit，根据C中第1、2位的取值，可将HDLC分为3类：
      • 信息帧（I），第1位是0，用来传输信息，或使用捎带技术对数据进行确认；
      • 监督帧（S），第1、2位分别是1、0，用于流量控制和差错控制，执行对信息帧的确认、请求重发和请求暂停发送等功能；
      • 无编号帧（U），第1、2位都是1，用于提供对链路的建立、拆除等多种控制功能；

PPP和HDLC？

  • PPP面向字节、HDLC面向比特；
  • PPP帧比HDLC多了2字节的协议字段。当协议字段值为0x0021时，表示信息段为IP数据报；
  • PPP不使用序号和确认机制，只保证无差错接收，端到端的差错检验由高层协议负责。HDLC的信息帧使用了编号和确认机制，能够提供可靠地传输。

数据链路层的设备

网桥

  • 网桥将两个或多个以太网连接起来，构成一个覆盖范围更大的以太网。原本的以太网就可称为一个网段。
  • 网桥工作在数据链路层的MAC层，可以使以太网各网段成为隔离开的碰撞域。
  • 功能：
    • 具备寻址和路径选择能力；
    • 从源网络接收帧，以目的网络的介质访问控制协议向目的网络转发该帧；
    • 在不同或相同类型的LAN之间存储或转发帧，必要时进行链路层上的协议转换（一般的存储转发设备都可以进行协议转换）
    • 对接收到的帧不做任何修改，只对帧的封装格式进行很少的修改；
    • 可以通过帧翻译互联不同类型的局域网，即把原协议的信息段内容作为另一个协议的信息部分封装在帧中；
    • 具有足够大的缓冲区
  • 优点：过滤通信量、扩大了物理范围、可使用不同的物理层、可互联不同类型的局域网、提高了可靠性、性能得到改善
  • 缺点： 增加时延；MAC子层没有流量控制功能；不同MAC子层的网段桥接在一起时，需要进行帧格式的转换；可能出现广播风暴
  • 两种不同的路径选择算法：透明网桥和源路由网桥
特点 透明网桥 源路由网桥
面向 无连接 连接
透明性 完全透明 不透明
配置方式 自动 手动
路由 次优化 优化
定位 逆向学习 发查找帧
失效处理 网桥处理 主机处理
复杂性 在网桥中 在主机中

透明网桥

  • 混杂方式工作，它接收与之连接的所有LAN传送的每一帧；
    • 若源LAN和目的LAN相同，丢弃该帧；
    • 若源LAN和目的LAN不同，转发该帧；
    • 若目的LAN未知，扩散该帧；
  • 网桥刚连接时，转发表是空的，网桥采用自学习算法处理收到的帧；
  • 自学习算法：网桥每收到一个帧A，都会记下源地址和进入网桥时选择的端口，写入转发表中。如果有更新就及时更新。

源路由网桥

  • 路由选择由发送数据帧的源站负责，网桥只根据数据
  • 工作原理：
    • 源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。
    • 源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧（Discovery Frame），每个发现帧都记录所经过的路由。
    • 发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。
    • 源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。
    • 凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。

局域网交换机

  • 局域网交换机又称以太网交换机。类似于多端口的网桥，工作在数据链路层，能经济地将网络分成小的冲突域，为每个工作站提供更高的带宽。

  • 可以很方便的实现虚拟局域网（VLAN），VLAN可以隔离冲突域，也可以隔离广播域；

  • 原理：检测从以太端口来的数据帧的源和目的地的MAC地址，然后与系统内部的动态查找表对比，若数据帧的MAC地址不在查找表中，则将该地址加入查找表中，并将数据帧发送给响应的目的端口。

  • 特点：

    1. 交换机的每个端口直接与单个主机相连，一般工作在全双工；
    2. 能同时连通很多对的端口，使每一对相互通信的主机都能够像独占通信媒体那样，无碰撞地传输数据；
    3. 即插即用，帧的转发表也是通过自学习算法自动建立起来的；
    4. 使用了专用的交换结构芯片，交换效率高；
    5. 交换机独占传输媒体的带宽；

  • 两种交换方式：直通式交换机、存储转法式交换机:

    • 直通式交换机：只检查帧的目的地址；
    • 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，检查无误后通过查找表转换成输出端口将该帧发送出去；如果发现帧有误，则将帧丢弃。优点：可靠性高，并能支持不同速度端口间的转换；缺点是延迟较大。
-------------The End-------------