第三章 数据链路层
3.1不同的数据链路层协议
PPP协议（点到点）
CSMA/CD协议（以太网）（带冲突检测的载波侦听多路访问机制）
（网关和本计算机在同一个网段，一般是路由器的地址，路由器隔绝广播包）
集线器（只能工作在半双工）和总线型类似
命令提示符cmd：
arp（地址解析协议）命令：可以查看计算机中缓存ip地址对应的mac地址
ipconfig：可以查看计算机的mac地址，ip地址
以太网（Etherne II）的数据帧格式：
报头8 目标地址6 源地址6 以太类型2 数据46－1500 帧检验序列
报头：8个字节，提供接收器同步和帧定界服务。
目标地址：6个字节，目标MAC地址，广播地址全为1，0xFF FF FF FF。
源地址：6个字节。指出发送节点的单点广播地址。
以太类型：2个字节，用来指出以太网帧内所含的上层协议。
有效负载：由一个上层协议的PDU（协议数据单元）构成。可以发送的最大有效负载是1500字节。由于以太网的冲突检测特性，有效负载至少是46个字节。如果上层协议数据单元长度少于46个字节，必须增补到46个字节。
帧检验序列：4个字节。验证比特完整性。
使用wireshark抓取的以太网数据包的帧格式
PPP协议帧格式：
首部标志字段（5字节） 数据（不超过1500字节） 尾部（3字节）
首部：由标志字段和协议字段构成
数据部分：信息字段的长度可变，不超过1500字节
尾部：FCS校验字段和尾部标志字段
使用GNS3抓取的PPP协议数据包的帧格式
3.2数据链路层实现的功能
封装成帧：在发送数据之前先给其加上头和尾，用来给数据定界（选定界定符的要求是尽量避免与数据混淆）
透明传输：发送端给数据加上转义字符后发送数据，接收端接收数据并去掉转义字符，这个过程由于转义字符在发送时被加上，在接收完成之后被移除，整个过程就好像没有发生任何事情，所以被称为透明传输。
差错检测：主要通过CRC校验进行差错检测。
算法：先规定一个生成多项式（共有n位），然后给被传输数据的末尾加上n-1个 0，用生成多项式除以（mod 2）加零后的传输数据，得到n位的余数，即为FCS（帧校验序列）的值
3.3数据链路层协议
3.3.1 PPP（点到点）协议：
（1）特点：简单（不提供可靠传输）
封装成帧（首部和尾部，具有帧开始符和帧结束符）
透明传输（加转义字符，去掉转义字符）
差错校验：CRC计算FCS
支持多种类型的链路：光纤，铜线。。。
检测连接装状态
支持身份验证
最大传输单元：1500字节
（2）PPP协议的划分：网络控制协议（NCP）:支持不同网络层协议
链路控制协议（LCP）：建立/配置和测试链路连接的选项
高级数据链路控制协议（HDLC）：将数据包封装到串行链路，支持同步传输和异步传输
（3）PPP协议的帧格式
帧首字段（1B）7E+地址字段（1B）FF+控制字段（1B）+协议字段（2B）+信息部分（MTU=1500B）+FCS（2B）+帧尾字段（1B）7E
（4） PPP协议传输的方式
1）异步传输使用字节填充：如果在传输的数据中出现了7E（01111110），则将7E变成（7D和5E），如果出现 7D，则变成7D和5D
2)同步传输使用零比特填充：如果出现了0111 1110等连续的5个 0的情况，则每5个1后加一个0.
3.3.1.1同步传输和异步传输
同步传输（synchronoustransmission ）：以帧为单位进行发送，通过时钟同步信号，有两种方式：有专门的线路来同步时钟；传输的数据本身就带有时钟信号（前同步码）
异步传输（asynchronous transmission）：以字符为单位进行发送，两段有独立的时钟（频率不能相差太多）
3.4 广播信道的数据链路层（使用CSMA/CD协议）
3.4.1 国际标准
10base-5（表示10M带宽，使用粗同轴电缆，基带信号，最大传输距离为500m）
T表示双绞线
F表示光纤
X表示混合介质
3.4.2以太网的最短帧
（1）标准以太网设计的长度为5km，带宽为10m单程传播时延为25.6us，往返传播时延为51.2us，
则最短帧为10Mb/S*51.2us=10^7b/s*51.2*10^-6s=512b (64B)
(2)实际为等待时间t*2（争用期）*带宽
（3）截断二进制指数退避算法
从离散的整数集合［0，1，…，（2k-1）］中随机取出一个数，记为r。重传应推后的时间就是r倍的争用期。上面的参数k按下面的公式计算：
k=Min[重传次数，10]
可见当重传次数不超过10时，参数k等于重传次数；但当重传次数超过10时，k就不再增大而一直等于10。
当重传达16次仍不能成功时（这表明同时打算发送数据的站太多，以致连续发生冲突），则丢弃该帧，并向高层报告。
3.4.3 以太网的帧格式
对于无效帧，路由器直接丢弃
3.4.4 网卡的作用和MAC地址
（1）网卡使用并行通讯，其工作在物理层（物理连接，数字信号同步，数据的编码解码）和数据链路层（帧的封装、差错检验、介质访问控制）
（2）MAC地址为全球唯一，共48位二进制组成，前24位标识厂商，后24位自己指定（有单播、多播、广播MAC地址）
使用arp -a 可以解析出与其通讯的MAC地址
3.4.5 扩展以太网 （计算机数量、距离）
（1）集线器（hub）：工作在物理层，不安全，可以带宽分享，是冲突域相当于网线=总线型
（2）网桥：基于MAC地址转发数据帧 数据链路层设备（冲突变小，但是延迟增加（载波侦听多路访问冲突检测））
网桥不关心是否存在其他网桥的存在，只记录自己端口对应的mac地址
（3）交换机：很多口的网桥，端口带宽独享，每一个端口冲突域（多口网桥）全双工通讯（可以不使用CSMA/CD协议）
汇聚层交换机（父级交换机） 接入层交换机（子交换机）
只要有集线器存在就为半双工 交换机比集线器安全
最短帧 帧格式 退避算法 信道利用率
以太网最短帧：往返最长时间*带宽
Ipconfig -all（查看本机的ip，mac命令）
Arp -a （本网段其他计算机的mac地址，缓存）
Wf.msc（windows防火墙）
3.4.6 生成树协议（高可用网络）
阻断环路，避免广播风暴的形成，每个交换机都有优先级和mac地址，通过比较id来i小的优先级高
选根网桥->选根端口(转发状态)->选指定端口（转发状态）其他端口为阻断状态
高速以太网（100M,1000M，10000 M）
100M 10M以太网最短帧兼容，网线长度变为100m
1GB以太网 分组突发 工作在全双工半双工 最短帧64字节+载波延伸=512字节（有冲突检测）
10GB以太网只能工作在全双工通讯，不用冲突检测 没有最短帧要求
3.4.7 VLAN 虚拟局域网
VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。
虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。
作者：xuan97916
参考资料： [1]韩立刚，计算机网络原理创新教程[M],水利水电出版社，2017.1
