一. 数据链路和帧
1.1 第一种说法
链路 (link): 是一条无源的点到点的物理线路段,中间没有任何其他的交换结点。一条链路只是一条通路的一个组成部分
数据链路 (data link): 除了物理线路外,还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上,就构成了数据链路。
注:现在最常用的方法是使用适配器(网卡)来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能
1.2 第二种说法
把链路分为物理链路和逻辑链路
物理链路:对应第一种的链路
逻辑链路:对应第一种的数据链路,是物理链路加上必要的通信协议
数据链路层传送的都是帧
二. PPP协议
对于点对点的链路,目前使用得最广泛的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。用户使用拨号电话线接入互联网时, 用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议就是 PPP 协议。
ppp协议包括三个组成部分:
- 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
- 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。
- 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。
ppp协议的工作状态:
- 当用户拨号接入 ISP 时,路由器的调制解调器对拨号做出确认,并建立一条物理连接。
- PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组(封装成多个 PPP 帧)。
- 这些分组及其响应选择一些 PPP 参数,并进行网络层配置,NCP 给新接入的 PC 机分配一个临时的 IP 地址,使 PC 机成为因特网上的一个主机。
- 通信完毕时,NCP 释放网络层连接,收回原来分配出去的 IP 地址。接着,LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。
可见,PPP 协议已不是纯粹的数据链路层的协议,它还包含了物理层和网络层的内容。
三. 局域网—以太网
3.1 以太网、适配器
局域网(Local Area Network,LAN)是在一个局部的地理范围内(如一个学校、工厂和机关内),一般是方圆几千米以内,将各种计算机,外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网。
局域网的拓扑结构有下图三种
以太网:以太网是局域网的一种,严格来说,“以太网”应当是指符合DIX Ethernet V2标准的局域网
适配器:又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC(Network Interface Card),或“网卡”。它的一些主要功能有:
- 进行串行/并行转换。
- 对数据进行缓存。
- 在计算机的操作系统安装设备驱动程序
- 实现以太网协议
下图展现了计算机如何通过适配器和局域网进行通信
3.2 以太网的MAC层
在局域网中,硬件地址又称为物理地址,或 MAC 地址。 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”,所以本书也采用这种习惯用法,尽管这种说法并不太严格。
注意:如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器,那么这样的主机或路由器就有多个“地址”。更准确的说,这种48位“地址”应当是某个接口的标识符。
IEEE 802 标准规定 MAC 地址字段可采用 6 字节 ( 48位) 或 2 字节 ( 16 位) 这两种中的一种。IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段 6 个字节中的前三个字节 (即高位 24 位),称为组织唯一标识符。地址字段 6 个字节中的后三个字节 (即低位 24 位) 由厂家自行指派,称为扩展唯一标识符,必须保证生产出的适配器没有重复地址。
一个地址块可以生成 2^24 个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48,它的通用名称是 EUI-48。生产适配器时,6 字节的 MAC 地址已被固化在适配器的 ROM“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符 EUI-48。
四. 以太网的扩展
4.1 在物理层扩展以太网
缺点:
- 碰撞域增大了,但总的吞吐量并未提高。
- 如果不同的碰撞域使用不同的数据率,那么就不能用集线器将它们互连起来。
4.2 在数据链路层扩展以太网
扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行。早期使用网桥,现在使用以太网交换机。
网桥:工作在数据链路层。它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时,并不是向所有的接口转发此帧,而是先检查此帧的目的 MAC 地址,然后再确定将该帧转发到哪一个接口,或把它丢弃。
以太网交换机(switch):常称为交换式集线器 或第二层交换机 (L2 switch),强调这种交换机工作在数据链路层。
特点:
- 以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥,通常都有十几个或更多的接口。
- 每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连,并且一般都工作在全双工方式。
- 以太网交换机具有并行性。能同时连通多对接口,使多对主机能同时通信。
- 相互通信的主机都是独占传输媒体,无碰撞地传输数据。
- 以太网交换机的接口有存储器,能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
- 以太网交换机是一种即插即用设备,其内部的帧交换表(又称为地址表)是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
- 以太网交换机使用了专用的交换结构芯片,用硬件转发,其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。
4.3 虚拟局域网
利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)。
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,而这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符,指明发送这个帧的计算机是属于哪一个 VLAN。
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。
由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合,因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合,使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。
- IEEE 批准了 802.3ac 标准,该标准定义了以太网的帧格式的扩展,以支持虚拟局域网。
- 虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符,称为 VLAN 标记 (tag),用来指明发送该帧的计算机属于哪一个虚拟局域网。
- 插入 VLAN 标记得出的帧称为 802.1Q 帧 或 带标记的以太网帧。