数据链路层(3条消息) 计算机网络数据链路层_穿上草鞋去旅行的博客-CSDN博客
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广播信道可以进行一对多的通信，局域网用的就是广播信道。局域网可以按照拓扑结构进行分类。
一、局域网的数据链路层
局域网的最主要特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目都有限。局域网的优点：1.具有广播功能，可以从一个站点很方便地访问全网。2.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。3.便于系统的扩张和逐渐演变提高了系统的可靠性、可用性和生存性。以太网是局域网的一种，绝大多数局域网都是以太网。双绞线是局域网中的主流传输媒体。
实现共享信道有两种方法：
1.静态划分信道，如频分复用、时分复用、码分复用等，但不适合局域网。
2.动态媒体接入控制，又称多点接入。特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。随机接入：特点是用户可以随机地发送消息。如果有两个用户同时发送，在共享媒体上就会产生碰撞，是发送失败。这时就需要解决碰撞的网络协议，即 CSMA/CD 协议。受控接入：特点是用户不能随机发送信息而必须服从一定的控制。以太网应用的主要是随机接入。由于历史原因以太网层被拆分为两个子层：逻辑链路控制 LLC 和媒体接入控制 MAC。现在 LLC 基本已经消失了，主要是 MAC 协议。
适配器的作用：计算机与外界局域网的连接是通过适配器进行的，适配器以前又称网卡。适配器和局域网之间的通信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 I/O 总线并行传输的，因此适配器的一个重要功能就是进行数据串行传输和并行传输的转换。适配器实现的功能包含了数据链路层和物理层两个层次的功能。适配器收到正确的帧后，使用中断来通知计算机，并把数据交付给协议栈中的网络层。当计算机要发送 IP 数据报时，就由协议栈把分组交给适配器，适配器将其组装成帧后发送到局域网。（封装成帧、透明传输、差错检错等功能都是由适配器完成的）计算机的硬件地址存储在适配器中，而软件地址——IP地址存储在计算机中。
二、 CSMA/CD协议
局域网上的计算机常被称为工作站、站点等。为了通信的简便，以太网采取了以下两种措施：1.采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必建立连接就可以直接发送数据。适配器对发送的数据帧不编号，也不要求对方发回确认。它提供的是尽最大努力的交付，是不可靠的交付。对有差错帧是否进行重传由高层来决定。同一时间只能有一台计算机发送数据，如果发生冲突，就使用 CSMA/CD 协议来协调。2.以太网发送的数据使用的是曼彻斯特编码。
CSMA/CD 协议的要点
- 多点接入：多点接入说明是总线型网络，许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。协议的实质就是载波监听和碰撞检测。
- 载波监听：使用电子技术检测信道上有没有其他计算机也在发送。不管是发送前还是发送中，每个站都要不停地检测信道。
- 碰撞检测：边发送边监听。如果几个站同时发送数据，总线上的信号电压变化会增大，就表明发生了碰撞。这时就立即停止发送。
在使用 CSMA/CD 协议时，不能同时发送和接收，因此使用 CSMA/CD 协议的以太网只能进行半双工通信（双向交替通信）。发生碰撞是因为传播时延，A 发送了数据但是还没传到 B 处，B 就不知道有人发送了数据。当 A 和 B 同时发送数据产生碰撞后，他们发送数据都失败，都要推迟一段时间重新发送。因为不知道是否会发生碰撞，所以以太网存在发送的不确定性。A 发送数据后最多 2θ 时间就知道是否碰撞，这 2θ 时间称为争用期。如果经过争用期还没碰撞，表明发送成功。如果发生碰撞，以太网使用截断二指数退避算法来确定碰撞后重传的时机。以太网规定了争用期的时长，这就约束了以太网的地理范围不能太大，不然传播时延会超过争用期限制。以太网规定最短帧长为 64 字节（一个争用期可以发送的字节数），如果争用期发生碰撞就会停止发送，因此信道上长度小于 64 字节的帧就是无效帧。碰撞后除了立即停止发送数据外还要继续发送一个人为干扰信号，通知所有用户现在发生了碰撞。以太网还规定了帧间最小间隔 96 比特时间，这是为了使刚收到数据帧的栈清理缓存，准备接收下一帧。
以太网使用截断二进制指数退避(truncated binary exponential backoff)算法来确定碰撞后 重传的时机。截断二进制指数退避算法并不复杂。这种算法让发生碰撞的站在停止发送数据 后，不是等待信道变为空闲后就立即再发送数据，而是退避一个随机的时间。
为了尽可能减小重传时再次发生冲突的概率，退避算法有如下具体的规定：
(1)基本退避时间为争用期2t, 具体的争用期时间是51.2 μ s。对于10 Mbit/s 以太网， 在争用期内可发送512比特，即64字节。也可以说争用期是512 比特时间。 1 比特时间就 是发送1比特所需的时间。所以这种时间单位与数据率密切相关。为了方便，也可以直接使 用比特作为争用期的单位。 争用期是512比特，即争用期是发送512比特所需的时间。
(2)从离散的整数集合[0,1,…,(2⁴-1)]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。
(3)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。
CSMA/CD 协议的要点归纳
- 准备发送：适配器从网络层获得一个分组，加上首部和尾部组成以太网帧，放入适配器缓存中。在发送前先检测信道。
- 检测信道：若检测到信道忙，则不停地检测直到信道空闲。若检测到空闲，并在 96 比特时间内保持空闲（保证了帧间最小间隔），就发送这个帧。
- 在发送过程中仍不停地检测，即适配器要边发送边监听。这时有两种情况
- 发送成功：争用期内一直未检测到碰撞。发送成功后回到 1。
- 发送失败：争用期内检测到碰撞，立即停止发送，并按规定发送人为干扰信号。适配器接着执行指数退避算法，等待足够时间后回到 2。若重传 16 次仍不成功，就停止重传并向上报错。
以太网发送完一帧后要把已发送的帧保留一下。如果争用期检测到碰撞，推迟一段时间后还要重传。
使用集线器的星形拓扑现在的以太网采用星形拓扑，在星形中心使用可靠性非常高的集线器。每个站用两对双绞线，分别用于发送和接收。
集线器的特点：
- 表面上使用集线器的局域网在物理上是一个星形网，但是在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，还是使用 CSMA/CD 协议。
- 一个集线器有很多接口，像是一个多接口的转发器。
- 集线器工作在物理层，每个接口仅负责转发比特，不进行碰撞检测。
三、以太网的信道利用率
因为发生碰撞会浪费信道资源，所以以太网的信道利用率达不到100%。减少端到端的传播时延、可以提高信道利用率，因此以太网的连线的长度不能太长，同时以太网的帧长不能太短。
四、以太网的MAC层
1.MAC 层的硬件地址
局域网中，硬件地址又叫 MAC 地址。IEEE 为局域网规定了一种 6 字节的全球地址，是局域网上的每一台计算机中固化在适配器中的地址。因此如果更换了新的适配器，硬件地址也就变了。适配器上的标识符 EUI-48 就是计算机的硬件地址。路由器通过适配器连接到局域网时，适配器上的硬件地址标志路由器的一个接口。如果路由器同时连到多个网络上，就需要多个适配器有多个硬件地址。
2.局域网中适配器收到的帧有三种：
1.单播帧（一对一）：即收到的帧的 MAC 地址与本站的地址相同。
2.广播帧（一对全体）。
3.多播帧（一对多）。
适配器至少能够识别前两种帧。以太网适配器有一种特殊的工作方式：混杂方式。混杂方式的适配器只要”听到“有帧再传输就悄悄接收下来。混杂方式可以用来监视和分析以太网上的流量，黑客也常用混杂方式非法获取信息。
3.MAC 层的帧格式
最常用的 MAC 帧格式是”以太网V2标准“，此外还有 IEEE 的 802.3 标准。MAC 帧的首部共有源地址字段、目的地址字段、用来标识上层使用什么协议的类型字段这3个字段，尾部有一个帧检验序列FCS。MAC 帧没有帧定界符也没有帧长度字段。因为它用的是曼彻斯特码，曼彻斯特码的码元中间有一个电压跳变。当发送方发完一个帧后就不发送码元了，这是接收方发现没有跳变了就知道帧结束了。MAC 帧在向下传送到物理层时要在帧前面插入 8 字节，包括一个前同步码和一个帧开始定界符。前同步码用来通知接收端调整时钟频率以与发送端的时钟同步。MAC 帧的最小长度是 64 字节，其中数据字段最小长度是 46 字节。如果不够就要进行填充。IP数据报的首部有一个”总长度“字段，网络层根据它来识别填充字段的长度并丢弃掉。
