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  • 物理层与数据链路
    千次阅读 热门讨论
    2018-02-25 21:20:08

    前言:

           学习计算机网络原理OSI参考模型很有助于我们理解网络各个部分的组成以及信息数据的运作,物理层和数据链路层都是底层的网络传输协议,所以与实际的硬件打交道会更多,会更容易理解一些。

    内容:

    (一)我总结的框架

    物理层:



    数据链路层:



    (二)知识点

    (1)物理层

      1.特性

     机械特性、电气特性、功能特性、规程特性 、

      2.通信系统组成 :

     源系统——源点 和 发送器 、传输系统、 目的系统——接收器 和 终点

      3.信号量: 数字信号和模拟信号

    (2)数据链路层

     1.PPP(点到点协议)是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链路设计的链路层协议。点对点协议(PPP)为在点对点连接上传输多协议数据包提供了一个标准方法。

     2.停止等待协议(stop-and-wait)是最简单但也是最基础的数据链路层协议。停止等待就是每发送完一个分组就停止发送,等待对方的确认。在收到确认后再发送下一个分组。

    (三)感受

    学起来需要耐心,看懂了很简单,但是书里写的太详细容易看的不耐烦,所以静下心来好好看吧。

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    千次阅读 2022-03-26 20:36:27
    四、物理层与数据链路层 4.1物理层 ​ 在TCP/IP五层模型中的物理层主要功能是实现0/1数据在设备间的双向传输,其中常见的有线介质有双绞线和光纤,无线介质有无线电、微波、激光和红外线。而物理层所使用的设备有...

    四、物理层与数据链路层

    4.1物理层

    ​ 在TCP/IP五层模型中的物理层主要功能是实现0/1数据在设备间的双向传输,其中常见的有线介质有双绞线和光纤,无线介质有无线电、微波、激光和红外线。而物理层所使用的设备有网卡、中继器和集线器,这里想简单介绍一下这些设备的功能。

    网卡:每个网卡都存在一个唯一的标识地址(MAC地址),用于连接计算机终端设备和网络设备。

    中继器:包含一个输入端口和输出端口,用于放大电信号,延长网络信号传输距离。

    集线器:多端口的中继器,支持不同传输介质和速率,不过已经被交换机取代。

    4.2数据链路层

    4.2.1数据链路层功能

    ​ 数据链路层的主要功能是数据链路的建立、维护与拆除;帧形成、帧传输、帧同步;帧的差错恢复和流量控制。

    4.2.2数据链路层协议

    ​ 数据链路中支持的协议有Ethernet(以太网)、PPP、HDLC、Frame-relay、ATM协议,其中最常用的协议是Ethernet(以太网)协议,在以太网中可以同时连接多个设备,以太网中数据帧的组成如下图所示。

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    在这里插入图片描述

    ​ 在以太网中设备是共享链路通信的,所以可能存在数据冲突的情况。针对这中冲突情况,有以下三种解决方案:

    1. 采用带冲突检测的载波监听多路访问机制(CSMA/CD):发送前先监听信道是否空闲,若空闲则立即发送数据;在发送时,边发送时,边发边继续监听;若监听到冲突,则立即停止发送,等待一段时间以后,随机再次重新尝试。
    2. 分割冲突域:将大的冲突域分割成很多小的冲突域,每个冲突域的范围变小,设备变少,冲突概率降低。
    3. 改变端口双工模式:半双工,容易产生冲突;全双工,不会产生冲突。

    在这里插入图片描述

    4.2.3数据链路层设备

    ​ 在TCP/IP五层模型中的数据链路层是采用交换机进行数据的传输,同时交换机的每个端口访问另一个端口时,都有一条专有的线路,不会产生冲突 。

    在这里插入图片描述

    交换机的工作原理

    1. 形成MAC地址表(关注的是源MAC地址):交换机在每个端口上接收到的数据帧以后将其中的MAC地址与入端口形成一个对应关系,即“MAC地址条目”。
    2. 查找MAC地址表(关注的是目标MAC地址):交换机将数据帧中的目标MAC地址提取出来,在MAC地址表中看看是否可以找到目标MAC地址所对应的条目:如果能找到对应的MAC地址条目,则直接在MAC地址条目对应的端口上发送出去;如果找不到对应的MAC地址条目,则将该数据帧从除输入端口外的其他所有的端口都转发出去,即广播该数据帧。

    注意:交换机自己学习到的MAC地址条目,在交换机的内存中都是有存活时间的,即300s,如果MAC地址条目中的MAC地址在300s内没有再次发送任何数据给交换机,那么交换机,就会删除该MAC地址条目。

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  • 前言 前面讲解了一个网址访问中的通信过程,接下来几篇来把这个过程里面一些细节的地方...我们能接触到的物理层 两台电脑进行联机,那势必需要用网线把两个电脑的网卡连接起来,大家都知道,直接电脑店买一根多少米.

    作者:一天  首发公众号:网络之路博客(ID:NetworkBlog)

    前言

    前面讲解了一个网址访问中的通信过程,接下来几篇来把这个过程里面一些细节的地方讲解下,这些完毕后就开始正式进入路由交换的内容了。相信大家都玩过单机游戏,记得博主最早开始喜欢玩像CS、半条命、帝国时代、魔兽争霸3、英雄无敌这些单机游戏,后来选了计算机专业后,为了更好的学习在第二学期购买了台笔记本,中午跟晚上就喜欢跟宿舍的人一起玩这种联机游戏,下面就从这样的故事来进入今天的主题内容。

     我们能接触到的物理层

    两台电脑进行联机,那势必需要用网线把两个电脑的网卡连接起来,大家都知道,直接电脑店买一根多少米的,接在一起就完事了,但是在早期其实不是这样的,你去电脑店购买的时候,老板通常会问一句,你这个网线是用于电脑之间连接,还是电脑接其他设备,这是因为网线有两种线序标准,一种是568A,一种是568B,如果你是电脑之间连接,老板会给你做成交叉线(一头568A一头是568B),如果你是与交换机、路由器连接,老板会给你做成直通线(两头线序一样),这就是物理层带来的规范标准,采用什么物理介质,以及怎样的线路去连接,这样在使用的过程中就不会出错了。

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    但是现在你去购买网线的时候,老板直接问你要几米,不会在去问你是用来接什么设备的了,这是因为在现在的网络设备跟电脑网卡里面自带了一种功能,叫做自动翻转(线序自适应),设备之间能够自动的适应,不管是使用交叉还是直通线来让电脑接电脑,还是电脑接交换机、路由器都能够进行通信,这种功能可以看成是技术的进步,给施工人员减轻了很大的工作量。

    这个小插曲了解后,终于把两台电脑进行连接,网卡设置对应IP、掩码、网关等参数后(对应的这些参数,在下一篇会讲解)就可以开始联机一起玩了,这种连接的形式,就是常听到的局域网(LAN),并且可以发现很多游戏上面写着局域网联机。 

    慢慢的随着宿舍的电脑增加,一个电脑只有一个网卡,就没办法进行两台以上的组网了,不同时间段接触网络的朋友,可能解决的办法不一样,在早期的时候,其实是并没有交换机的设备的,而是一种叫做HUB的物理层设备(集线器),它有多个接口,可以提供给不同设备进行连接,这样解决了多台电脑之间局域网连接的问题,但是集线器有几个很大缺点。 

    缺点一:广播模式(广播域)

    除了打游戏以外,大家平时也会共享一些学习、娱乐的资料,按正常逻辑来说,A发一个文件给D,B跟C是不会收到的,但是在集线器里面B跟C也会收到,当A把数据发送出去后,集线器是一个物理层设备,它不会对以链路层做任何的解封装操作,只会将接收到的物理信号进行放大,把A这个口收到的数据从其他口广播出去,这个就叫做广播域。(相当于村里或者学校的广播站,大家都能听到,在一个广播的范围内。)

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    最终的结果就是A本来想给D单独发的,结果B跟C也收到了,虽然B跟C不会看里面实际的内容(因为从解封装的过程发现MAC地址并不是找的自己,就会丢弃),但是在安全性上面存在很大的隐患,以及会浪费不必要的链路资源。

    缺点二:冲突域

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    同样的集线器(HUB)只是一个信号放大器以及半双工的工作方式,收到一个数据后是直接发送,不做缓存(它也没有这个机制),这就会出现一个问题,在同一时间只能有一台电脑发送数据给HUB处理,比如上图,A与D同时想发送文件给C,HUB收到后就会产生冲突,这个就叫做冲突域。(冲突域这个问题了解就行,在现在的设备里面已经解决了这个问题。)

    缺点三:共享带宽

    集线器(HUB)内部结构是通过一根总线连接起来的,所有的接口都是共享这总线的带宽,如果总线是10M,那么这个集线器的总速率就是10M,那这个时候如果接了4台终端,那么每台终端平均分配的带宽则是10/4=2.5M,终端越多速率就越低。

    至此呢,宿舍一群人总算可以愉快的一起玩游戏,但是传输文件资料的时候,通常就把集线器的带宽给占满了,其余电脑没办法使用,为此呢很苦恼。(这里介绍这里多集线器的事情,只是想大家了解下网络设备的发展史,以及引入出后面我们要学习的设备,这样大家印象会深刻些,集线器是在如今看是已经是一个历史的产物了。)

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       既然Hub这么不靠谱,在当时候又没有更好的设备去取代,所以这种情况下,数据链路层是定义了一些规则,来尽量解决这个Hub带来的问题。(这里说明下,数据链路层里面协议非常多,本次课程内容出发跟重点都是讲解企业组网,重点放在局域网这块,局域网目前使用的就是以太网协议,后面会介绍,这里先说明下,因为很多朋友可能看过很多初学的文档教材,里面会介绍链路层很多的协议,会弄的有些乱。)

    规则一:谁先发,谁后发

     上面提到过,在Hub的环境下,只要有两台设备同时发送数据,就会产生冲突,在二层以太网中引入了一个机制,CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测),这个机制规定了,接在Hub下的终端不停的检测共享线路的状态,如果目前空闲,则发送数据,如果检测有人在发送,则等待一段时间后继续检查,整体的原理就是,先听后发,边发边听,冲突停发,随机延时后重发。(可以看成我们的红绿灯,同样有多个方向的路径,如果没有规则,那出现事故的几率是不是就大很多了)

    规则二:这个数据是谁发送出来的,谁来接收

    规则三:如果这个数据帧在发送过程中,出现了错误,收到后怎么办?(二跟三都在下面统一回答)

       不知道大家有没有仔细观察过,不管是个人PC的网卡、光猫、路由器、服务器都有一个MAC地址,这是网卡厂家出厂的时候就已经烧录在里面了,也被称为硬件地址。MAC地址在数据链路上作为设备的地址标识符,需要确保在网络中的MAC地址是唯一的,这样才能够正确的识别到数据链路上的设备。

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    MAC地址由6个字节组成,前面三个字节表示厂商唯一标识符(比如图上面的44-8A-5B),不同网卡厂商都有特定的组合,后三个字节由厂家自己进行分配,这样能够保证厂家生产出来的网卡MAC地址不会相同。

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    由于MAC地址太长了,有6个字节(Byte),而一个字节=8个比特(bit),由0跟1组成,比如上面的物理地址是44-8A-5B-D9-91-D9,如果说换算成二进制则为01000100-10001010-01011011-11011001-10010001-11011001,不要说非业内人士,就是业内人士看到这一串二进制比特也得看迷糊了,所以为了方便查看,各个厂家的MAC地址都统一用十六进制来表示,并且不同的操作系统表示的方式不太一样,这个在后续会慢慢的遇到。

     MAC地址在以太网中有什么用呢?

    在如今的我们局域网中,使用的协议是以太网Ⅱ协议,属于数据链路层中的其中一种协议,在早期的时候有线局域网有多个协议同时存在竞争的,像ATM、令牌环、FDDI,这些协议带来的产品要么价格贵、要么速率低,随着以太网推出100M标准后,进入快速以太网时代,这个时候以太网得到了突飞猛进的市场支持跟占有率,慢慢的称为主流,紧接着推出来了千兆以太网、以及万兆,至今在局域网中能看到的主流协议就是以太网了,目前使用的是第二代,也称为以太网Ⅱ。以太网是一个典型的多路访问的网络,跟上面宿舍一样,A、B 、C、D都接在Hub上面,都能够互相进行访问,而不是说只能访问某一个,那就带来了一个问题,那么A、B、C、D它怎么识别这个数据帧是给自己的呢?又是谁发送的呢?,这个就是以太网中MAC地址的作用,能够根据这个地址定位到某个具体的终端设备,因为MAC地址具有唯一性,下面来看下以太网Ⅱ的数据帧格式。

    以太网Ⅱ的数据帧格式 

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    • 前导码(     Preamble )

    前导码由 7 个字节组成,每个字节固定为 10101010 。之后的 1 个字节称为帧起始定界符,这个字节固定为 10101011 。这 8个字节表示以太网帧的开始,也是对端网卡能够确保与其同步的标志。帧起始定界符的最后两位比特被定义为 11 ,作用是告诉接收方进行同步并做好接收数据帧的准备,这里说下,这个是网卡会完成这部分的操作,知道有这个存在就行。(后很多教材里面不会把前导码这个字段标识出来)

    • 目的MAC地址(Destination     address)

     由六个字节组成,明确说明这个数据帧是交给谁的(要访问的目的终端设备)

    • 源MAC地址 (Source     address)

     由六个字节组成,标明这个数据帧是谁发的(发起这个数据的源设备)

    • 类型(Type)

       由2个字节组成,表明了上一层的协议类型,可以让接收方知道上一层使用的什么,用对应的协议进行读取。(这里是不是解答了第二篇里面最后问道的其中一个问题了,在数据帧里面会标明上层的协议,而不用等解封装后到了上一层才知道)

    • 数据(Data)

      实际的数据内容,数据帧能够容纳的最大数据范围是46~1500个字节,如果说数据部分不足46个字节,会进行填充,满足最小的长度要求。

    • FCS ( Frame Check     Sequence ) CRC

    用于校验除前导码以太的所有帧信息,保证传输的帧的完整性和正确率,如果发现数据帧不完整或者错误,就直接丢弃,不交给上层处理,减少没必要的消耗。(这个就是规则三里面的,由FCS来解决出现了错误后怎么办的问题)

    交换机的出现

     Hub的问题上面都知道了,Hub本身的工作模式还是最大的问题,一旦局域网的终端机器增多,那么冲突的几率就越大,即使有了这些机制的出现,可以避免冲突,但是增加了等待延时,糟糕的情况就是主机有个很大的文件在传输,那么其他的终端设备就得一直等待传输完毕,使用效率非常低下,这样的设备满足不了市场的需求,这个时候交换机(switch)就出现了,交换机跟HUB有本质上面的区别。

    (1)能够读取数据帧

     Hub工作在物理层的设备,而交换机是工作在数据链路层以及以上的设备,它是具有读取数据帧的功能的,并且能够使用以太网协议,这样就算数据帧有错误的地方,可以通过FCS来进行校验,有问题的直接丢弃,而Hub则不行,直接就广播出去了。

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    (2)工作在全双工以及独立的接口硬件,速率得到了提升

      Hub上面介绍过是工作在半双工,它只有物理电信号放大的作用,所以导致了冲突域的出现,而交换机不一样,从内部结构就改变了这个问题,它把每个接口独立出来,有单独的芯片处理,把每个口之间给独立出来了,好处是(1)1口给2口发送数据的时候,不会影响到其他接口,隔离了冲突域,并且,其他口也可以同时发送数据。(2)每个口可以工作在全双工模式,可以同时接收与发送数据  (3)带宽不在是跟Hub一样,共享的形式了,比如交换机是百兆交换机,那么每个接口都可以独享100M,如果交换机是千兆,每个接口则可以独享1000M。这样就解决了局域网规模增大,由于冲突带来的问题,并且带宽也得到了提升。

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    (3)具有学习地址的功能

    Hub它收到一个数据的时候是直接广播到其他接口,这种模式显然影响整个网络,安全隐患大,交换机改变了这种模式,由于它工作在链路层,也使用了以太网协议,它能够去学习MAC地址,并且通过学习把它记录在自己的数据表中,这样交换机就知道,哪个口是对应哪个MAC了,当A去访问D的时候,交换机收到这样一个数据帧后,读取到里面的目的MAC是发给D的,D在4号接口,直接交给D的接口即可,而不用把数据从其他接口广播的形式发送了。

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    至此呢,交换机从取代集线器开始到如今一直在企业网中使用,并且在如今的网络设备中,交换机不在是单纯的归纳到数据链路层了,因为在企业网中还有高级点的三层交换机,能处理IP数据包,以及能读取四层的端口号信息,但是核心的理念还是不变的,这些我们在正式进入交换机篇的时候会详细讲解。

    知识点扩充

    (1)半双工跟全双工

     这个作为了解即可,现在的网络环境正常情况下都是工作在全双工,半双工是指数据在传输过程中同时只能像一个方向传输,要么上传要么下载(Hub设备),就好比一个单车道的路,同时只能一辆车过去,或者是过来,如果两边同时通过,那么就在某个点就出现了冲突了。全双工指交换机可以发送数据的同时也能接收数据,这样可以得到更高的传输效率,没有冲突、速度快、延迟小,就好比双车道上,来来往往的车辆互不影响。

    (2)总结下Hub与交换机的特点

        Hub与交换机的工作原理跟特点其实上面都已经介绍过了,这里就在举一个有点接近的比喻,Hub有点类似于一个大的办公区域,这个时候经理有事情跟老板沟通,势必会让其他员工分心,想听听有什么内容,这样就影响了员工的办公效率,同时也没有私密性,员工也不能在老板谈话的时候去打扰它,这样会造成冲突。

      慢慢的公司发展起来了,这里交换机还是作为一个大的办公区域,高层人员都有了独立的办公室,想要找到某个人沟通,只需要去往对应的门牌号(MAC地址)就能找到对应的人进入房间沟通,不会影响到其他人,办公室之间也不会相互冲突。

    (3)关于速率问题(Bye/bit)

      这个属于一个物理层介质的单位问题,不知道大家有没有发现过,比如我们电脑里面的文件大小单位都是MB、GB,这个属于存储以字节作为单位,但是在我们学习的网络中,是以最小的比特做单位的,1字节=8比特,所以你可能会困惑,明明我拉了条100M的带宽,但是实际在下载的时候怎么只能达到10~12MB左右,这就是因为带宽的单位用的是比特,而不是字节,而下载数据用的单位是字节,中间相差8倍,这里作为一个补充了解下,后续在换算或者做某些带宽限制的时候用的上。

    (4)关于每一层数据的称呼

     数据的发送与接收都是一个封装与解封装的过程,每一层数据都有不同的称呼,在物理层叫做比特,在数据链路层叫做帧。(其他层面的介绍到了会进行说明,这个了解即可)

    遗留下来的细节问题(思考下)

    •  在上文提到的网卡设置IP地址、掩码、网关的参数,有什么作用呢?已经有了MAC地址为什么还要IP地址呢?(下一篇关键内容)

    • A发送文件给D,在初始化的情况下,A怎么就能够知道D的MAC就是这个呢?(下几篇关键内容)

    交换机它是如何学习到A、B、C、D的MAC地址的呢?(交换机篇会详细讲解)

    • 交换机的一个接口能否学习到多个MAC呢,那假设移动位置后,交换机会怎么处理?(交换机篇会详细讲解)

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  • 第六章 计算机网络 6.1 计算机网络概述 ...路由器和交换机的主要区别是交换机工作在数据链路层,路由器工作在网络。路由器又称网关设备。  交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。交换的方式包...

    第六章 计算机网络

    6.1 计算机网络概述

    6.1.1 计算机网络的类别、性能

           路由器router:路由器是连接因特网中各局域网、广域网的设备,它会根据信道的情况自动选择和设定路由,以最佳路径,按前后顺序发送信号。路由器和交换机的主要区别是交换机工作在数据链路层,路由器工作在网络层。路由器又称网关设备。

           交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。交换的方式包括电路交换、报文交换和分组交换。其中分组交换主要采取存储转发技术,把一个报文划分为几个分组后再进行传送,要发送的整块数据称为一个报文,划分以后称为数据段,在每一个数据段前面加上一个首部(包含控制信息),就成为了一个分组。每一个分组可以在互联网中独立地选择传输路径,并正确地交付到分组传输的终点。

           分组交换的优点有4个:一是高效,在分组传输的过程中动态分配传输带宽,对通信链路是逐段占用;二是灵活,其可以为每一个分组独立地选择最合适的转发路由。三是迅速,以分组作为传送单位可以不建立链接就向其他主机发送分组。最后是可靠,分组交换有多种保证可靠性的网络协议。

           按照网络作用范围分类:广域网WAN,城域网MAN,局域网LAN和个人区域网PAN。按照网络的使用者可以分为:公用网和专用网。

           计算机网络的性能有以下几个重要指标:速率(数据的传送速率)、带宽(单位时间内网络中的某种信道所能通过的最高数据速率)、吞吐量(单位时间内通过某个网络的实际的数据速率)、时延(包括发送时延、传播时延、处理时延和排队时延)、往返时间、信道利用率和网络利用率。

    6.1.2 计算机网络的体系结构

           开放系统互联基本参考模型OSI(Open system interconnection reference model)

           为网络中数据交换而建立的、标准和约定称为网络协议,网络协议也可简称为协议。协议主要由三个要素组成:语法(数据与控制信息的结构或格式)、语义和同步。

           网络协议分层的优点:1、各层间独立地实现功能降低了整个问题的复杂度;2、灵活性好;3、结构上可分割开;4、易于实现和维护;5、能促进标准化工作。

           各层需要完成的主要功能有:差错控制、流量控制、分段和重装、复用和分用、连接建立和释放。

           计算机网络体系架构如下:

                                              图 6.1 计算机网络体系架构

    网络层级

    作用

    应用层

    应用层的主要任务是通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则

    运输层

    (传输层)

    运输层的主要任务是负责向两台主机进程之间的通信提供通用的数据传输服务。

    由于一台主机可同时运行多个进程,因此运输层有复用和分用的功能。复用就是多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务,分用就是运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程。

    运输层主要包含2种协议:TCP和UDP。

    传输控制协议TCP:提供面向链接的、可靠的数据传输服务,其数据传输的单位是报文段。

    用户数据报协议UDP:提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务,其传输的单位是用户数据包。

    网络层

    网络层为分组交换网上不同的主机提供通信服务。在发送数据时,网络层把运输层产生的报文段或数据包封装成分组进行传送。在TCP/IP体系中,分组也称为IP数据报,但是要区别于用户数据报UDP。

    数据链路层

    在两个相邻节点传送数据时,数据链路层将网络层传下来的IP数据报组装成帧,在两个相邻节点的链路上传送帧。每一个帧包括数据和必要的控制信息。

    物理层

    物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口有关的一些特性,如电气特性,机械特性等。

                                                   图 6.2 数据在各层之间的传递过程

           实体表示任何可发送或接受信息的硬件或软件工程。协议是两个对等实体进行通信的规则的集合。

    6.1.3 物理层

           最基本的信道复用技术包括频分复用FDM、时分复用TDM。

           波分复用WDM就是光的频分复用。

           码分复用CDM:是另一种共享新到的方法,每一个用户可以在同样的时间内使用同样的频带进行通信,由于用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此各用户之间不会造成干扰。

    6.2 数据链路层

           数据链路层属于计算机网络的底层,使用的信道主要有2种类型:点对点信道以及广播信道。两种信道分别使用PPP协议和CSMA/CD协议。数据链路层的三个问题包括封装成帧、透明传输和差错检测。此外包括一些诸如适配器、集线器、以太网交换机之类的设备。下图是两台主机通过互联网进行通信时数据链路层的地位:

     

                                                         图 6.3 数据链路层的地位

           主机H1和主机H2都有完整的五层协议栈,但路由器在转发分组时只有下面的3层,这一点我们到后面再说。数据进入路由器后要先从物理层上到网络层,在转发表中找到下一跳的地址,再下到物理层转发出去。

    6.2.1 点对点信道

    一、数据链路和帧

           链路是一个结点到相邻结点的一段物理线路,而中间没有任何其他的交换结点。数据链路指的是除了需要在物理线路上传输数据,还必须有一些必要的通信协议来控制数据的传输。综合二者到链路上,就是数据链路。

          数据链路层把网络层发下来的数据构造成帧发送到链路上,并且把接收到的帧中的数据取出并交给网络层。

          在点对点信道的数据链路层协议上,其信道模型可以简化为一个三层模型,如下所示。不管在哪一段链路上的通信都可以看做是结点和结点的通信,且每个结点只有下面三层。

                                              图 6.4 数据链路层点对点信道三层简化模型

           点对点信道的数据链路层在进行通信时的主要步骤如下:(1)结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧。(2)结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层。(3)若结点B收到的帧无差错,则从收到的帧中取出IP数据报交给网络层,否则丢弃。

    二、三个基本问题

    数据链路层协议有很多,但是都需要考虑这三个问题:封装成帧、透明传输和差错检测。

    封装成帧

    封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部,这样就构成了一个帧。网络层的IP数据报传到数据链路层就成为了帧的数据部分,帧就是数据链路层的数据传输单元。一个帧的长度等于数据部分长度加上帧首部和帧尾部。首部和尾部的作用是进行帧定界。帧所能传送的数据部分的上限称为最大传送单元MTU。控制字符SOH放在帧的最前面,表示帧首部的开始,EOT表示帧的结束。,它们的16进制编码分别是01和04。

    透明传输

    明传输是指不管所传数据是什么样的比特组合,都应当能够在链路上传送。当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时,就必须采取适当的措施,使收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输是透明的。

    透明传输就是在传输过程中,对外界透明,就是说你看不见他是传送网络不管传输的业务如何,我只负责将需要传送的业务传送到目的节点,同时保证传输的质量即可,而不对传输的业务进行处理。

    差错检测

    数据链路层广泛使用循环冗余检验CRC作为该层比特差错的检测技术。若在数据链路层仅仅使用CRC,则只能做到对帧的无差错接收,即凡是接收端数据链路层接受的帧均无差错。

    传输差错包括:帧丢失,帧重复和帧失序。

    6.2.2 点对点协议

           点对点协议PPP是目前是用的最广泛的数据链路层协议。PPP协议由3个部分组成:一是一个将IP数据报封装到串行链路的方法;二是一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP;三是一套网络控制协议NCP。

    一、PPP协议的帧格式

           PPP帧的首部和尾部分别为4个字段和2个字段。十六进制0x7E表示一个帧的开始或结束,称为标志字段F,连续两个帧之间只有一个标志字段,若出现两个连续的标志字段,则表示这是一个空帧。地址字段A在起始F之后,为0xFF,控制字段C在A之后,为0x03。信息字段的长度是可变的,不超过1500字节。

           当信息字段中出现与标志字段一样的比特块时,使用字符填充来区别处理。

           PPP协议在SONET/SDH链路同步传输时,采用零比特填充法来实现透明传输。在发送端先扫描整个信息字段。只要发现连续5个1,就立即填入一个0。接收端在收到一个帧时,先通过标志字段F确定帧边界,然后扫描,若出现连续5个1,就把第6个0删除。这样的还原就保证了透明传输。

    二、PPP协议的工作状态

           PPP链路的起始和中止状态永远是链路静止状态,物理层连接建立后进入链路建立状态,建立链路层的LCP连接,LCP配置协商结束后即建立了连接,进入鉴别状态。若鉴别失败则到链路终止状态,成功则进入网络层协议状态。当网络层配置完毕后,链路就可进入链路打开状态。数据传输结束后,可由链路任一端发送终止请求LCP分组,在收到对方发来的终止确认LCP分组后,转移到链路终止状态。

    6.2.3 使用广播信道的数据链路层

    一、局域网(以太网)的数据链路层

           局域网的特点:网络为一个单位所拥有,且地理范围和站点数目均有限。

           局域网的优点:1、具有广播功能,从一个站点可以方便的访问全网,局域网上的主机可以共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源;2、便于系统的扩展和逐渐演变,各设备的位置可以灵活地调整和改变;3、提高了系统的可靠性、可用性和生存性。

           局域网按照拓扑分类可以分为以下3种:星形网、环形网和总线网。

                                                                                          图 6.5 局域网拓扑

           最早的以太网是一种基带总线局域网,现在的以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范,是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测)技术,并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。

           IEEE 802将局域网的数据链路层拆分成2个之层:逻辑链路控制层LLC和媒体接入控制层MAC。与传输媒体有关的内容都放在MAC层,LLC层与传输媒体无关,不管采用何种传输媒体和MAC层的局域网对LLC层来说都是透明的。

    二、适配器

           计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器进行的,适配器上面装有处理器和存储器(ROM和RAM)。适配器的一个重要功能是进行数据串行传输和并行传输的转换。适配器在收发帧时不使用计算机的CPU,当适配器收到由差错的帧时直接丢弃,不用通知计算机。当受到正确的帧,使用中断来通知计算机,并交付协议栈中的网络层。当计算机要发送IP数据报时,就由协议栈把IP数据报向下交给适配器,组装成帧后发送到局域网。

    三、CSMA/CD协议

           总线的特点是:当一台计算机发送数据时,总线上的所有计算机都能检测到这个数据。这就是广播通信方式。

           以太网采用较为灵活的无连接的工作方式,不必建立连接就可以发送数据。适配器对发送的数据帧不进行编号,也不要求对方发回确认。因此以太网提供的服务是尽最最大努力的交付,即不可靠的交付。

           在总线上,同一时间内只能允许一台计算机发送数据,否则计算机之间会互相干扰。以太网采用简单地随机接入,并使用载波监听多点接入/碰撞检测(CSMA/CD)协议来减少发生冲突的概率。

           多点接入说明使用的是总线型网络。载波监听就是用电子技术检测总线上是否有其他计算机在发送数据,不管在发送前还是发送中,每个站都必须不停地监测信道。如果检测出有其他站在发送,就暂时不发数据,当信道为空闲时再发送数据。在发送中检测信道是为了及时发现有没有其他站的发送与本站的发送碰撞。因此碰撞检测也就是边发送边监听。当总线上有多个站同时发数据时,电压会增大,适配器检测到电压变化超过一定阈值时就认为有至少2个站在发数据,发生了碰撞。一旦碰撞,适配器就要立刻停止发送。

           为何已经做了载波监听,还要做碰撞检测呢?由于站与站之间消息的传播是有时延的,有可能还未检测到数据就判定信道为空。所以这里需要考虑线上的单程端到端时延。A在发送数据后,最迟要经过两倍的总线端到端时延才知道是否发生碰撞。一般需要考虑最坏情况,总线的端到端时延一般取距离最远的2个站的端到端时延。因此以太网端到端往返时延称为争用期。争用期又称碰撞窗口,如果争用期内没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会碰撞。

           以太网使用二进制指数退避算法来确定碰撞后重传的时机。

           使用CSMA/CD协议的以太网的站不能同时发送和接收,因此只能进行半双工通信

           信号在以太网上传播1km需要5μs。凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧。帧的最小间隔为9.6μs。

           强化碰撞:当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时,除了立即停止发送数据外,还要再发送32或64比特的人为干扰信号。以便让所有用户都知道发生了碰撞。

    四、CSMA/CD协议的要点

    1、准备发送

           适配器从网络层获得一个分组,加上以太网的首部和尾部,组成以太网帧,放入适配器的缓存中。但是在发送之前,必须先检测信道。

    2、检测信道

           若检测到信道忙,则不停检测,一直等待信道转为空闲。若信道空闲且在96比特时间内保持空闲,就发送这个帧。

    3、网络适配器要边发边监听,这里有2种情况

    ① 发送成功:发送完毕后回到步骤1。

    ② 发送失败:在争用期内检测到碰撞,停止发送数据,发送人为干扰信号。适配器执行干扰退避算法。等待r倍512比特时间后,返回步骤2。

    五、使用集线器的星形拓扑

           在星形的中心有一种设备用于连接各个站点,这就是集线器。集线器(Hub)是指将多条以太网双绞线或光纤集合连接在同一段物理介质下的设备。集线器是运作在OSI模型中的物理层。它可以视作多端口的中继器,若它侦测到碰撞,它会提交阻塞信号。

           集线器的一些特点:1、使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网,各站共享逻辑上的总线,使用的还是CSMA/CD协议。网络中的各站必须竞争对传输媒体的控制,并且在同一时刻至多只允许一个站发送数据。2、一个集线器有许多接口。3、集线器工作在物理层,每个接口仅简单转发比特,不进行碰撞检测。

    六、以太网的MAC层

           在局域网中,硬件地址又称物理地址或MAC地址。IEEE 802为局域网规定了48位的全球地址。MAC地址实际上就是适配器地址,或适配器标识符EUI-48。当这块适配器嵌入到某台计算机后,适配器上的标识符EUI-48就成为这台计算机的MAC地址了。

           当路由器通过适配器连接到局域网时,适配器上的硬件地址用于标识路由器的某个接口,且适配器具有过滤功能,会用硬件检查从网络上收到的每一个MAC帧中的MAC地址。

    6.2.4 扩展的以太网

           在物理层扩展以太网主要使用光纤和光纤解调器。如果使用多个集线器,就可以连接成覆盖更大范围的多级星形结构的以太网

           扩展以太网的常用方法是在数据链路层进行。常用的设备是以太网交换机。

    一、以太网交换机

           以太网交换机实际上就是一个多接口的网桥,和工作在物理层的转发器、集线器差别很大。以太网交换机处于数据链路层,其数据传输原理与集线器不同,它采用矩阵交换通道的方式传输数据,每个数据通道都有独立的带宽。虽然每个时刻一个端口只能有一个通道,但整体上看交换机却是多个交换通道同时开通的,因此以太网交换机的数据传输性能优于集线器。

           以太网交换机的每个接口都直接与一台计算机或者另一个以太网交换机相连,且一般工作在全双工模式。相互通信的主机都是独占传输媒体,无碰撞地传输数据。以太网交换机是一种即插即用的设备,内部的帧交换表(地址表)是通过自学习算法逐渐建立起来的。通过在以太网交换机中更新各个站点的位置接口,记录相应站点的MAC地址。

    二、虚拟局域网VLAN

           虚拟局域网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VALN的帧都有一个明确的标识符,指明发送这个帧的计算机属于哪个VLAN。虚拟局域网只是局域网给用户提供的一种服务,而不是一种新型局域网。

                                                                       图 6.6 三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3的构成

         图6.6中画出了使用4个以太网交换机的网络拓扑,每一层代表一个相同的物理位置,构成了3个局域网:LAN1(A1,A2,B1,B2),LAN2(A3,B2,C2),LAN3(A4,B3,C3)。但是这10个用户划分为3个工作组,即划分为3个VLAN,VLAN1(A1,A2,A3,A4),VLAN2(B1,B2,B3)和VLAN3(C1,C2,C3)。

           在虚拟局域网上的每个站都可以收到同一个虚拟局域网上其他成员所发出的广播。例如,当B1向工作组内成员发送数据时,B2B3都会收到消息,即便它们没有和B1连在同一个以太网交换机上。同时,A1A2和C1都不会收到消息,即便它们与B1连在同一个以太网交换机上。以太网交换机不向虚拟局域网以外的计算机发送B1的消息,可以抑制广播风暴。

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