2023年7月17日发(作者：)

数据链路层

1.链路层概述：（Data Link Layer)(单位：帧 frame)在物理层提供⽐特流服务的基础上，建⽴相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧（Frame）在信道上⽆差错的传输，并进⾏各电路上的动作系列。数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作⽤包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。在这⼀层，数据的单位称为帧(frame)。数据链路层协议的代表包括：HDLC、PPP、STP、帧中继等。结点（node）：运⾏链路层协议的任何设备链路（link）：沿通信路径连接相邻结点的通信信道帧（链路层PDU） ：协议数据单位。⼀个帧由⼀个数据字段和若⼲⾸部字段组成，其中⽹络层数据报就插在数据字段中。链路层信道：第⼀种类型是⼴播信道⽤于连接有线局域⽹（Wired LAN）卫星⽹和混合光纤同轴电缆（Hybird Fiber Coaxial cable,HFC）接⼊⽹的多台主机。需要所谓的媒体访问协议（或中⼼控制器）协调帧传输。第⼆种类型是点对点通信链路⽤于长距离链路连接的两台路由器，或⽤户办公室连接临近以太⽹交换机。链路层在何处实现 　　　　2.链路层服务/功能 a. 成帧：每个⽹络层数据报经链路层传送之前，⼏乎所有的链路层协议都要将其⽤链路层封装起来。⼀个帧由⼀个数据字段和若⼲⾸部字段组成，其中⽹络层数据报就插在数据字段中。 b. 链路接⼊：介质访问控制（Medium Access Control，MAC）协议规定帧在链路上传输的规则。对于链路只有⼀个发送⽅和接收⽅的点对点链路，MAC简单（或不存在）；当多个结点共享单个⼴播链路时，即所谓载波侦听多路访问、，MAC协议协调多结点的帧传输。 c. 可靠交付：类型运输层协议（如：TCP）提供的可靠交付服务。链路层的可靠交付服务通过确认和重传机制获取，⽤于易产⽣⾼差错的链路（⽆线链路） d. 差错控制（差错检测和纠正）：由于信号衰减和电磁噪声等导致⽐特差错（损伤），链路层协议提供差错检测机制检测⽐特差错（损伤）。差错检测基于硬件，通过发送结点在帧中携带差错检测⽐特，接收⽅结点进⾏差错检测实现。差错纠正类似差错检测，区别在于接收⽅不仅能检测帧中出现的⽐特差错，⽽且能够准确定位并予以纠正。运输层和⽹络层也提供有限形式的差错检测，即因特⽹校验和。具体来说：a. 将⽹络数据包封装成帧b. 帧同步：基于时间，字节计数（很少使⽤），含字节填充的分界符法，含位填充的分界符法，物理层编码违例法（最后两种常⽤）c. 逻辑链路控制(LLC)⼦层：流量控制 （1） 停⽌等待（效率低）（停等ARQ） （2） 滑动窗⼝（连续ARQ和选择重传ARQ）数据链路层的滑动窗⼝协议控制数据帧的连续发送。在发送⽅保持⼀个连续的序号表，表⽰允许发送的数据帧的序号，称为发送窗⼝ （Wt<= 2的n次⽅ - 1）；在接收⽅也保持⼀个连续的序号表，对应于允许接收的帧的序号，称为接收窗⼝（Wr<=Wt，Wr<=2的n-1次⽅ ）。差错控制（1）差错检测　　帧损坏（原理：利⽤冗余信息检错）——>循环冗余校验（CRC），帧丢失（数据/确认帧）——>帧编码，确认帧，定时器(单)奇偶校验位（parity bit，突发差错，50%），⼆维奇偶校验（two-dimensional parity），校验和（Internet checksum），加密散列函数，纠错码说明：接收⽅检测和纠正的能⼒被称为前向纠错（Forward Error Correction，FEC），常⽤于⾳频CD等⾳频存储和回放设备中。⽹络环境，或与ARQ技术⼀起应⽤。（2）差错纠正：当检测到错误，不论帧损坏还是帧丢失，数据链路层通常不去修正错误，⽽是简单地重新传输对应的帧，这个过程称为⾃动重复请求（AutomaticRepeatRequest，ARQ）。当CRC校验出错时，接收⽅可以发送⼀个否认帧NAK(Negative Acknowledge)，告诉发送⽅重传出错的帧；也可以简单地将错误帧丢弃，不发送任何信息，这样发送⽅的定时器会超时，⾃然会重传对应的帧。当数据帧丢失后，定时器会超时，发送⽅就会重传丢失的帧。但在确认帧丢失时，发送⽅会重传接收⽅已经收到的帧，那么在接收⽅要丢弃重复收到的数据帧，以保证数据的正确性。通常情况下，差错控制和流量控制是结合在⼀起的。因此停⽌等待常以停等ARQ来实现，⽽滑动窗⼝常以连续ARQ和选择重传ARQ来实现。ARQ技术：反馈检测：数据传输时，接收⽅将接收到的数据重新发回发送⽅，由发送⽅检查是否与原始数据完全相符。若不相符，则发送⽅发送⼀个控制字符（如DEL）通知接收⽅删去出错的数据，并重新发送该数据；若相符，则发送下⼀个数据空闲重发请求（Idle RQ）（也是流量控制的⼀种体现）：也叫停等法（停等ARQ，⽐特编号0，1，0，1），发送⽅每次仅将当前信息帧作为待确认帧保留在缓冲存储器中。当发送⽅开始发送信息帧时，随即启动计时器。 当接收⽅检测到⼀个含有差错的信息帧时，便舍弃该帧（停等ARQ，帧出错）。当发送⽅发送数据帧丢失，且计时器超时，发送⽅就会重传丢失的帧（停等ARQ，帧丢失）。当接收⽅收到⽆差错的信息帧后，即向发送⽅返回⼀个确认帧。 若发送⽅在规定时间内未能收到确认帧 (即计时器超时)，则发送⽅重传存于缓冲器中（接收⽅已收到的）未确认的信息帧（停等ARQ，确认帧丢失）。若发送⽅在规定时间内收到确认帧，即将计时器清零，继⽽开始下⼀帧的发送。优点是所需的缓冲存储空间很⼩。连续ARQ（continus RQ）连续ARQ基于滑动窗⼝技术，对数据帧模n进⾏编号。发送⽅窗⼝⼤于1，所以在发送完⼀帧后，不是停下来等确认信息的到来，⽽是可以连续发送若⼲帧，整个通信的吞吐量和信道利⽤率都得到提⾼。这就需要⼀个较⼤的缓冲存储空间（称作重发表），⽤以存放若⼲待确认的信息帧。每当发送站收到对某信息帧的确认帧后，便从重发表中将该信息帧删除。所以，连续RQ⽅案的链路传输效率⼤⼤提⾼，但相应地需要更⼤的缓冲存储空间。连续ARQ中接收⽅窗⼝⼤⼩固定为1，因此接收⽅只按顺序接收数据帧。连续ARQ协议⼀⽅⾯利⽤滑动窗⼝连续发送数据帧⽽提⾼了效率；另⼀⽅⾯，⼜会重传那些已经正确送到过的帧（仅因这些帧之前的⼀个帧出了错），这种做法⼜降低了传送效率。但连续ARQ协议⽐较简单，实现起来⽐较容易。选择重传ARQ：选择重传ARQ同样使⽤滑动窗⼝技术，它的做法类似于连续ARQ，但对其进⾏了改进。选择重传ARQ基本思想是只重传出错的帧或丢失的帧，⽽不去回退N帧重传。这就要求接收⽅要缓存那些正确的但不是按顺序到来的帧。所以在选择重传ARQ中，接收⽅的窗⼝要⼤于1，同时还要对到来的帧进⾏排序，排好序后再提交给商层。与连续ARQ相⽐选择重传ARQ效率⾼，但是集法复杂，同时接收⽅需要的缓冲要⽐连续ARQ⼤。d. 介质访问控制(MAC)⼦层CSMA/CD CSMA/CAMAC寻址LAN交换（分组交换），MAC过滤，STP和最短路径桥接（SPB）存储转发交换或直接交换QoS控制VLAN3.数据链路层协议按异步，同步分类：异步协议：（以⼀个字符为⼀个传输单位，字符之间异步，字符内部⽐特同步）同步分类：⾯向字符的协议——BSC（淘汰） ⾯向⽐特的协议——⾼级数据链路控制协议（High-level Data Link Control,HDLC）；点对点协议（Point-to-Point protocol,POP）按⽹络链路类型 ：点对点链路——⾼级数据链路控制协议（High-level Data Link Control,HDLC）；点对点协议（Point-to-Point protocol,POP）⼴播链路：三种类型，信道划分协议，随机接⼊协议，轮流协议（以太⽹，⽆线局域⽹）　　⼴播链路的多路访问问题：⼴播链路（broadcastlink），它能够让多个发送和接收结点都连接到相同的、单⼀的、共享的⼴播信道上。这⾥使⽤术语“⼴播”是因为当任何⼀个结点传输⼀个帧时，信道⼴播该数据帧，每个其他结点都收到⼀个副本。⼀个对链路层很重要的问题：如何协调多个发送和接收结点对⼀个共享⼴播信道的访问，这就是多路访问问题（multipleaccessproblem）。⼴播信道通常⽤于局域⽹中，局域⽹是⼀个地理上集中在⼀座建筑物中（或者在⼀个公司，或者在⼤学校园）的⽹络。

将任何多路访问协议划分为3种类型之⼀：信道划分协议（channel partitioning protocol），随机接⼊协议（random access protocol）和轮流协议（taking-turns protocol）。在理想情况下，对于速率为Rbps的⼴播信道，多路访问协议应该具有以下特性：1）当仅有⼀个结点有数据发送时，该结点具有Rbps的吞吐盘；2）当有M个结点要发送数据时，每个结点吞吐最为R/Mbps。这不必要求M结点中的每⼀个结点总是有R/M的瞬间速率，⽽是每个结点在⼀些适当定义的时间间隔内应该有R/M的平均传输速率。3）协议是分散的；这就是说不会因某主结点故障⽽使整个系统崩溃。4）协议是简单的，使实现不易费。信道划分协议：时分多路复⽤（）和频分多路复⽤（）是两种能够⽤于在所在共享信道结点之间划分⼴播信道带宽的技术。TDM和FDM分别为结点分配时隙和频率。码分多址（Code Division Multiple Access，）。CDMA为每个结点分配⼀种不同的编码。随机接⼊协议：和载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，）主要思想：减少冲突，提⾼信道利⽤率；总结：先听后发，边发边听，冲突停⽌，稍后重发。说明：以太⽹是⼀种流⾏并且⼴泛部署的CSMA协议以太⽹使⽤载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）协议来解决总线使⽤权问题 轮流协议：轮询协议（polling protocol），令牌传递协议（token-passing protocol）举例：DOCSIS：⽤于电缆因特⽹接⼊的链路层协议⼀个电缆接⼊⽹通常在电缆⽹头端将⼏千个住宅电缆调制解调器与⼀个电缆调制解调器端接系统（CableModemTerminationSystem，CMTS）连接。数据经电缆服务接⼝（Data-Over-CableServiceInterface，CMTS）规范（DOCSIS）[ DOCSIS 2012]定义了电缆数据⽹络体系结构及其协议。DOCSIS使⽤FDM将下⾏（CMTS到调制解调器）和上⾏（调制解调器到CMTS）⽹络段划分为多个频率信道。每条上⾏信道被划分为时间间隔（类似于TDM），每个时间间隔包含⼀序列微时隙，电缆调制解调器可在该微时隙中向CMTS传输。 　　4.⾼级数据链路控制协议（High-level Data Link Control,HDLC）HDLC(High-levelData-Link Control)协议是⾯向⽐特协议中最具代表性的⼀个协议，HDLC协议起源于1974年IBM公司推出的SDLC协议。1979年，ISO在SDLC协议的基础上提出⾼级数据链路控制协议-HDLC协议。后来基于HDLC协议，⼜提出⼀系列链路层协议、如LAP系列协议、PPP协议、帧中继协议等。局域⽹协议也是基于HDLC协议发展起来的，学习HDLC协议有利于理解其他的⾯向⽐特的协议。HDLC具有透明性，数据和控制信息完全独⽴，不受任何位式样和字符宽度的限制；能适应多种应⽤、多种⽹络配置，可⽤于点到点链路，也可⽤于多点链路；可采⽤交换线路，也可采⽤⾮交换线路；控制信息所占⽐例⼩，传输效率⾼；可靠性⾼；吞吐率⾼等优点。因此，HDLC已成为⼴受欢迎的数据链路控制规程。基本概念：a. 三种类型的站：主站，从站，复合站b. 链路结构：主-从；主-多从（点对多点，不平衡链路结构）；多主-多从、复合-复合（2-2，1-1平衡链路）c. 操作⽅式：正常相应⽅式（NRM），异步响应⽅式（ARM），异步平衡⽅式（ABM），扩充（S）—（NRM）（ARM）（ABM）d. 帧格式：HDLC定义三种类型的帧：信息帧（I帧），监督帧（S帧），⽆编号帧（U帧）5.点对点协议（Point-to-Point protocol,POP） 简介点对合协议（Point-to-Point Protocol，PPP）[RFC1661] [RFC1662] [RFC2153]是⼀种在串⾏链路上传输IP数据报的数据链路层协议。从低速的拨号调制解调器到⾼速的光链路[RFC2615]。它被⼀些DSL服务供应商⼴泛部署,也可分配Intemet系统的参数。PPP协议⼴泛地⽤于通过电话线投号接⼈因特⽹的线路，同时在路由器与路由器连接的线路上也⼤量使⽤PPP协议。⽬前，宽带接⼈取代拨号成为接⼊因特⽹的主要⽅式，PPP也衍⽣出新的应⽤。典型的是在ADSL接⼊⽅式当中，PPP与其他的协议共同派⽣符合宽带接⼈要求的新的协议，如PPPOE( PPP over Ethernet )，PPPOA (PPP over ATM)。PPP协议给出在单⾏链路上封装数据报的⽅法。PPP实际上是⼀个协议集合,⽽不是⼀个单⼀的协议。它⽀持建⽴链接的基本⽅法⼀称为链路控制协议(Link Control Protocol, LCP)，以及⼀系列NCP协议。在LCP建⽴了基本链路之后，PPP⽤于为各种协议(包括IPv4、 IPv6和⾮IP协议)建⽴⽹络层链路。⼀些相关标准涉及对PPP的压缩和加密控制，以及在链接建⽴后的⼀些认证⽅法。1. 链路控制协议（Link Contral Rrotocol，LCP)：LCP⽤来建⽴、配置和测试数据链路；2. ⽹络控制协议(NetworkControlProtocol，NCP)：NCP不是⼀个协议，⽽是⼀组协议，包括IPCP，IP，IPX等。NCP⽤来建⽴两端⽹络层的连接，协商⽹络层的选项和传递⽹络层数据。PPP⽀持的每⼀种⽹络层协议都有相应的NCP。3. 点对合协议（Point-to-Point Protocol，PPP)：处理错误检测，⽀持多种协议。PPP协议可以在连接建⽴过程中检查链路质量，协商所⽤的⽹络层协议。此外它还通过PAP（Password Authentication Protocol , ⼝令⾝份验证协议)和 CHAP（Challenge HandshakeAuthentication Protocol，挑战提⼿⾝份验证协议)⽀持⾝份验证。PPP已经被⼴泛应⽤于Internet中的数据链路层。　 帧格式： 　　　　　　　　TCP/IP详解 卷1：协议 原书第⼆版_PDF_110有详解 　　　　（1）LCP协议完成数据链路的建⽴、配置、维护和终⽌。（2）PAP和CHAP协议都可以⽤来完成⽤户的⾝份认证。（3）IPCP协议⽤来协商⽹络层配置，为⽤户分配IP地址。（4）IP协议⽤来发送和接收⽤户的数据。（5）FCS是帧校验字段，PPP采⽤CRC校验。当CRC校验错误时，PPP就丢弃数据帧。6.链路控制协议（Link Contral Rrotocol，LCP)物理链路建⽴后，通信双⽅需要建⽴数据链路，通信完毕后还需要拆除数据链路。数据链路的建⽴、配置、维护和终⽌都是由链路控制协议（LinkControlProtocol，LCP）来完成的。LCP包封装在PPP帧的数据字段中，如图： 　　　7.局域⽹之以太⽹：以太⽹⼏乎占领着现有的有线局域⽹市场，较令牌环、FDDI、ATM更简单，（设备）更便宜。以太⽹对于局域⽹的重要性就像英特⽹对于全球联⽹所具有的地位那样。　 简介：（Ethernet）是⼀种技术。组织的IEEE 802.3标准制定了以太⽹的技术标准，它规定了包括的连线、电⼦信号和的内容。以太⽹是⽬前应⽤最普遍的局域⽹技术，取代了其他局域⽹标准如、和。以太⽹的标准结构为，但⽬前的快速以太⽹（、标准）为了减少冲突，将能提⾼的⽹络速度和使⽤效率最⼤化，使⽤（Switch hub）来进⾏⽹络连接和组织。如此⼀来，以太⽹的拓扑结构就成了；但在逻辑上，以太⽹仍然使⽤总线型拓扑和（Carrier Sense MultipleAccess/Collision Detection，即载波多重访问/碰撞侦测）的总线技术。随着100Mb/s (也称为“快速以太⽹”,最流⾏的版本是“100BASE-TX”)的发展,基于竟争的MAC协议已变得不流⾏。相反，局域⽹中每个站之间的线路通常不共享,⽽是提供了⼀个专⽤的星形拓扑结构。这可以通过以太⽹交换机来实现，如⼀个交换式以太⽹包含⼀个或多个站,每个站使⽤⼀条专⽤的线路连接到⼀个交换机端⽇。在⼤多数情况下，交换式以太⽹以全双⼯⽅式运⾏，并且不需要使⽤CSMA/CD算法。交换机可以通过交换机端⼝级联形成更⼤的以太⽹,该端⽇有时也称为“上⾏”端⼝。⽬前，交换机为以太⽹中的每个站提供同时发送和接收数据的能⼒(称为“全双⼯以太⽹”)。虽然1000Mb/s以太⽹( 1000BASE-T)仍⽀持半双⼯(⼀次⼀个⽅向)操作，但相对于全双⼯以太⽹来说,它很少使⽤。　 帧格式： 8.链路层寻址和ARPIEEE 802封装a.802.3针对整个CSMA/CD⽹络b.802.4针对令牌总线⽹络c.802.5针对令牌环⽹络d.这三者共同特性由802.2标准来定义，那就是802⽹络共有的逻辑链路控制(LLC)封装格式两种帧格式都采⽤48bit（6字节）的⽬的地址和源地址ARP和RARP协议对32bit的IP地址和48bit的硬件地址进⾏映射802定义的有效长度值与以太⽹的有效类型值⽆⼀相同，这样，就可以对两种帧格式进⾏区分⽬的服务访问点和源服务访问点的值都设为的值设为3.随后的3个字节org code都置为0。再接下来的2个字节类型字段和以太⽹帧格式⼀样802.3规定数据部分必须⾄少为38字节，⽽对于以太⽹，则要求最少有46字节。为了保证这⼀点，必须在不⾜的空间插⼊填充（pad）字节环回⼝传给环回⼝地址（⼀般是127.0.0.1）的任何数据均作为IP输⼊传给⼴播地址或组播地址的数据报复制⼀份传给环回接⼝，然后送到以太⽹上。这是因为⼴播传送和多播传送的定义包含主机本⾝任何传送给该主机IP地址的数据均送到环回接⼝。MTU与路径MTU以太⽹和802.3对数据帧的长度都有⼀个限制，其最⼤值分别是1500和1492字节链路层的这个特性称作MTU，最⼤传输单元如果IP层有⼀个数据报要传，⽽且数据的长度⽐链路层的MTU还⼤，那么IP层就需要进⾏分⽚（fragmentation），把数据报分成若⼲⽚，这样每⼀⽚都⼩于MTU，在路径上可能经历多次分⽚，但是只在⽬的地重组装点到点的链路层（SLIP和PPP）的MTU并⾮指的是⽹络媒体的物理特性。相反，是⼀个逻辑限制，⽬的是为交互使⽤提供⾜够快的响应时间两台通信主机路径中的最⼩MTU。它被称作路径MTU路径MTU在两个⽅向上不⼀定是⼀致的MTU是计算出⽅向（同⼀条链路两个⽅向路径MTU可能不⼀致）