网络层链路层,网络层链路层物理层

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网络层链路层

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TCP/IP计算机网络的传输层

TCP/IP计算机网络体系结构

TCP/IP计算机网络的链路层

1.数据链路层有许多协议，但有三个基本问题是共同的:封装和成帧、透明传输和错误检测。

1.1封装到帧中互联网上传输的所有数据都基于IP数据报。当网络层的IP数据报被传输到数据链路层时，它们成为帧的数据部分。帧的数据部分的前后加上头和尾，形成一个完整的帧。

每个链路层协议都规定了帧最大传输单元(MTU)数据部分的长度。

1.2透明传输透明传输，即无论什么样的比特流都可以通过数据链路层传输。

帧的开始和结束标记是特别指定的控制字符。因此，传输数据中的任何8位组合都不能与这些控制字符的编码相同，否则会出现帧定界错误。

解决这个矛盾的方法是在数据中可能的控制字符前插入转义字符“ESC”，然后在接收端删除转义字符。这种方法被称为字节填充。

1.3检错没有一条真正的通信线路会是理想的，比特在传输过程中可能会产生错误:1可能变成0，0也可能变成1。为了保证数据传输的可靠性，必须采用各种错误检测措施。目前，CRC(循环冗余校验)广泛应用于数据链路层。

2.点对点协议PPP(点对点协议)是点对点链路中使用最广泛的数据链路层协议。

众所周知，互联网用户通常必须连接到ISP才能访问互联网。PPP协议是用户计算机用来与ISP通信的数据链路层协议。

PPP协议由三部分组成:

一种将IP数据报封装到串行链路的方法。

链路控制协议LCP(链路控制协议)用于建立、配置和测试数据链路连接。

一套网络控制协议NCP(网络控制协议)。

当用户拨入ISP时，就建立了从用户PC到ISP的物理连接。这时，用户的PC向ISP发送一系列LCP数据包(封装成多个PPP帧)，建立LCP连接。这些数据包和它们的响应选择一些要使用的PPP参数。接下来，需要进行网络层配置，NCP会为新接入的用户PC分配一个临时IP地址。这样，用户的PC就变成了有IP地址的主机。

当用户通信完成时，NCP释放网络层连接，并收回最初分配的IP地址。然后，LCP释放数据链路层连接。最后，释放物理层连接。

3.局域网的数据链路层。局域网最大的特点是网络归一个单位所有，地域范围和站点数量有限。

局域网有广播的功能，从一个站点接入全网很方便。局域网上的主机可以共享连接到局域网的各种硬件和软件资源。根据局域网的拓扑结构，可分为总线结构、环形结构、星形结构、网状结构、树形结构和混合结构。

4.以太网以太网最初是美国施乐公司开发的基于基带总线的局域网。它以历史上曾经表示电磁波传播的以太命名。

DIX以太网V2是世界上第一个局域网产品(以太网)协议。在此基础上，IEEE制定了802.3标准。DIX以太网V2标准和IEEE 802.3标准只有很小的区别，所以802.3局域网可以简称为“以太网”。

为了使数据链路层更好地适应各种局域网标准，802委员会将局域网的数据链路层拆分为两个子层:

逻辑链路控制LLC(逻辑链路控制)子层

媒体访问控制MAC(媒体访问控制)子层

与访问传输媒体相关的内容放在MAC子层，而LLC子层与传输媒体无关。无论采用什么协议，局域网对LLC子层都是透明的。

以太网在局域网市场获得了垄断地位，几乎成为了局域网的代名词。随着互联网的快速发展，TCP/IP系统中常用的局域网只剩下DIX以太网V2，而不是IEEE 802.3标准中的局域网。所以现在802委员会制定的逻辑链路控制子层LLC的功能已经消失，很多厂商生产的适配器只有MAC协议没有LLC协议。

计算机和外部局域网之间的连接是通过适配器实现的。该适配器配备有处理器和存储器。适配器与局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的，而适配器与计算机之间的通信是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行的。因此，适配器的一个重要功能就是将数据串行传输和并行传输进行转换。

适配器在接收和发送各种帧时不使用计算机的CPU。当适配器接收到正确的帧时，它使用中断通知计算机，并将其传送到协议栈中的网络层。当计算机要发送IP数据报时，IP数据报由协议栈传递给适配器，组装成帧并发送到局域网。

注意，计算机的硬件地址在适配器的ROM中，而计算机的IP地址在计算机的内存中。

5.CSMA/CD协议为了方便通信，以太网采取了以下两种措施:

一是采用无连接工作模式，即不需要先建立连接就可以直接发送数据。因此，以太网提供的服务是不可靠的传送，而是尽力传送。

第二，以太网发送的数据都是曼彻斯特编码的信号。

我们知道，只要有一台计算机在总线上发送数据，总线的传输资源就会被占用。所以同一时间只能有一台电脑发送信息，否则电脑会互相干扰，结果大家都不能正常发送数据。

以太网采用的协调方法是使用一种特殊的协议CSMA/CD，即带有冲突检测的载波侦听多路访问。

“多点接入”意味着这是一个总线网络。许多计算机通过多点访问的方式连接到总线上。该协议的本质是“载波监控”和“冲突检测”。

“载波监听”即“先监听后发送”，即每个站点在发送数据前，要检查总线上的其他站点是否在发送数据，如果是，要等到通道空空闲后再发送。

“碰撞检测”即“边发送边监测”，即适配器在发送数据的同时检测通道上信号电压的变化，从而判断其他站点在发送数据时是否在发送数据。一旦发生冲突，适配器将立即停止发送。

显然，使用CSMA/CD协议时，一个站不能同时发送和接收，所以使用CSMA/CD协议的以太网不能进行全双工通信，只能进行半双工通信。

6.MAC地址在局域网中，硬件地址也称为物理地址，或MAC地址。

IEEE 802标准为局域网指定了一个48位的全局地址，指的是固化在适配器ROM中的局域网上每台计算机的地址。

IEEE的注册表RA负责将地址字段的前三个字节(即高24位)分配给制造商。地址字段的最后三个字节(即低24位)由制造商自己分配，称为扩展标识符。有必要确保生成的适配器没有重复的地址。

该适配器具有过滤功能。当适配器从网络接收到MAC帧时，它首先用硬件检查MAC帧的目的地址。如果是发往该站的帧，它将被接受，否则将被丢弃。发送到该站的帧包括以下三种类型的帧:

单播帧，即接收帧的MAC地址与本站的硬件地址相同。

广播帧，即发送到局域网中所有站点的帧。

多播帧，即发送到局域网中某些站点的帧。

以太网是以太网V2格式中最常用的MAC帧，格式如下:

它由五个字段组成。前两个字段是目的地址和源地址。第三个字段是type字段，用来标识上层使用的是什么协议，这样接收到的MAC帧的数据就可以交给上层的这个协议。第四个字段是数据字段，最后一个是帧校验序列FCS(使用CRC校验)。

7、局域网的扩展7.1 hub hub可用于在物理层扩展局域网:

优势

使原本属于不同冲突域的局域网上的计算机能够跨冲突域通信。

扩大局域网覆盖的地理范围。

劣势

冲突域增加了，但总体吞吐量没有提高。

如果不同的冲突域使用不同的数据速率，它们就不能通过集线器互连。

7.2网桥用于在数据链路层扩展局域网。

网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址转发收到的帧。

网桥具有过滤帧的功能。当网桥接收到帧时，它不会将帧转发到所有接口，而是首先检查帧的目的MAC地址，然后确定将帧转发到哪个接口。

优势

过滤流量。

扩大物理范围。

提高了可靠性。

可以互联不同物理层、不同MAC子层、不同速率的局域网(如10 Mb/s、100 Mb/s以太网)。

劣势

转发会增加延迟。

MAC子层中没有流量控制功能。

当具有不同MAC子层的网段桥接在一起时，延迟会更大。

Bridge只适用于用户少(不超过几百个)、流量低的局域网，否则有时会因为传播过多的广播信息而造成网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。

7.3交换机以太网交换机通常有十几个接口。所以以太网交换机本质上是一个多接口的网桥，所以可以看出交换机工作在数据链路层。

对于常见的10 Mb/s共享以太网，如果总共有n个用户，每个用户占用的平均带宽仅为总带宽的n分之一(10 Mb/s)。在使用以太网交换机时，虽然从每个接口到主机的带宽仍然是10 Mb/s，但由于一个用户独占了传输介质的带宽，而不是与其他网络用户共享，因此N对接口的交换机总容量为N * 10 Mb/s。这是交换机最大的优点。

以太网交换机可以方便地实现虚拟局域网。虚拟局域网VLAN是由一些局域网网段组成的逻辑组，与物理位置无关。每个VLAN帧都有一个明确的标识符，表明发送该帧的工作站属于哪个VLAN。

实际上，虚拟局域网只是局域网向用户提供的一种服务，并不是一种新型的局域网。

7.4无线局域网无线局域网通常简称为WLAN(无线局域网)。

1997年，IEEE为无线局域网制定了802.11协议标准。这是一个相当复杂的标准。简单来说就是基于无线以太网的标准。它采用星型拓扑，其中心称为AP(接入点，MAC层采用CSMA/CA协议。

使用串行协议的局域网也称为Wi-Fi(无线保真，意思是“无线保真”)。

标准WLAN的最小组件是基本服务集BSS(基本服务集)。基本服务和BSS包括一个基站和几个移动站。所有基站都可以在此基站系统内直接通信，但在与此基站系统外的基站通信时，必须通过此基站系统的基站。

BSS中的基站是接入点AP。当网络管理员安装AP时，必须为其分配一个不超过32字节的服务集标识符SSID(服务集标识符)和一个信道。

一个BSS覆盖的地理区域称为BSA(基本服务区(BSA)，其直径一般不超过100m。

BSS可以通过接入点AP隔离或连接到分布式系统DS(Distribution System)，然后连接到另一个BSS，从而形成扩展服务集ESS(Extended Service Set)。ESS还可以为无线用户提供对非802.x(非802.11 WLAN)的访问。这种访问是通过门户实现的。门户的功能相当于一座桥梁。

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