03-数据链路层

数据链路层概述

• 数据链路层提供了：介质的访问 + 物理传输

• 服务类型

  • 无连接，无确认的服务：在局域网、可靠链路（上层确保数据准确）、实时任务中使用

  • 无连接，有确认的服务：在无线等不可靠链路中使用

  • 面向连接的服务：蓝牙

• 数据链路层协议定义了

  • 数据帧的封装格式

  • 节点如何访问介质

• 主要任务：流控制、网络拓扑、错误检测

• 两个部分

  • MAC (Media Access Control) 子层：介质访问控制

  • LLC (Logical Link Control) 子层：逻辑链路控制

数据帧

 +-------------------------+
 |    Start Frame Field    |
 +-------------------------+
 |    Address Field        |
 +-------------------------+
 |    Type/Length Field    |
 +-------------------------+
 |    Data Field           |
 +-------------------------+
 |    Frame Check Sequence |
 +-------------------------+
 |    Stop Frame Field     |
 +-------------------------+

对比

物理层	链路层
无法与上层通信	通过LLC与上层通信
无法确定哪台主机将会传输或接受二进制数据	通过MAC确定
无法命名/区分主机	通过寻址或命名过程来实现
仅仅能描述比特流	通过帧来组织/分组比特

局域网基础知识

局域网标准

• 定义

  • 物理介质和接口规范

  • 设备在链路层的交流方式

MAC 子层 IEEE 802.3

• 定义如何在物理线上传递帧

• 处理物理地址

• 定义网络拓扑、线路规范

MAC 帧

 +0------7-------15--------------31--------------47--------------63
 |                       Preamble (8 bytes)                      |
 +---------------------------------------------------------------+
 |      Destination MAC Address (6 bytes)        |   Source MAC  |
 +---------------------------------------------------------------+
 |      Address (6 bytes)        | Length (2)    | Data(Variable)|
 +---------------------------------------------------------------+
 |       Data (Variable)         |      FCS (4 bytes)            |
 +---------------------------------------------------------------+

• Preamble：同步序列，用于接收端同步时钟，10101011

• MAC 地址：48 位，前 24 位为厂商标识，后 24 位为序列号

• Length：数据长度，最大 1500 字节

• FCS (Frame Check Sequence)：CRC 校验

局域网中的 MAC

局域网类型	物理拓扑	逻辑拓扑	备注
以太网	星形	总线	物理布线是连接到集线器/交换机，但是实际传输是广播式的
令牌环	星形	环形	物理布线是星形，但是实际传输依次经过每个节点
FDDI	双环	环形	物理布线是双环，但是实际传输只用一个环

确定性 MAC 协议

• 使用：令牌环、FDDI

• 轮询

• 工作流程

  1. 一个特殊的令牌在环中循环

  2. 某节点需要发送数据时，将令牌替换为数据帧

  3. 数据帧到达目标后继续传递，直到返回到发送者

  4. 发送者移除数据帧，并生成新的令牌供下一个节点使用

• 优点：无冲突、公平

LLC 子层 IEEE 802.2

• 管理链路上设备的连接

• 在逻辑上区分不同协议，随后封装到帧中

• 对于数据链路层的抽象和封装，将 LLC 和 MAC 层分离

• 实现：封装数据报，增加

  • DSAP (Destination Service Access Point): 目的地址

  • SSAP (Source Service Access Point): 源地址

封装

 |MAC|LLC|Packet|MAC|
 ​
 +---------------+
 |     网络层     |
 +---------------+
 |     LLC       |
 +---------------+
 |     MAC       |
 +---------------+
 |     物理层     |
 +---------------+

局域网传输模式

• 单播 unicast：点对点

• 多播 multicast：一对多

• 广播 broadcast：一对所有

  • 通过 MAC 地址 FF-FF-FF-FF-FF-FF 实现

  • 影响性能，仅在 MAC 未知或目的地为所有设备时使用

CSMA/CD & 以太网

CSMA/CD 的前身

• 纯 ALOHA：任何时候都可以发送数据，传输中若冲突则等待随机时间后重发

• Slotted ALOHA：将时间分为时隙，只在时隙开始时发送数据，传输中若冲突则等待随机时隙后重发

• 1-persist CSMA：信道空闲则发送（概率为1），否则监听信道并等待等待，传输中若冲突则等待随机时间后重发

• non-persist CSMA：信道空闲则发送（概率为1），否则等待随机时间后重试，传输中若冲突则等待随机时间后重发

• p-persist CSMA：信道空闲则发送（在该时隙发送概率为p，在下一时隙发送概率为1-p），否则等待随机时间后重试，传输中若冲突则等待随机时间后重发

CSMA/CD 流程

1. 信道空闲则发送数据

2. 发送数据时监听信道

3. 若检测到冲突则立即停止发送，广播JAM信号

4. 通过重发算法决定何时重发

以太网

• 特点：广播式，任何设备都可以接收到数据，通过 MAC 地址区分

• 以太网中 CSMA/CD 每次停止发送都将尝试次数加一，当达到最大尝试次数后停止发送，向上层报告错误

CSMA/CA & 无线局域网

WLAN 无线局域网

• 蜂窝网络：将区域划分为多个蜂窝

• 短距离通信

• 标准：IEEE 802.11

Infrastructure Mode

• BSS (Basic Service Set)：基本服务集

  • BS (Base Station)：基站，作为 AP (Access Point) 提供服务

  • 终端：同一BSS里的所有终端可直接访问

• ESS (Extended Service Set)：扩展服务集，多个 BSS 通过 DS (Distribution System) 连接

访问过程

• 当设备在 WLAN 中激活时，开始扫描兼容的能关联的设备

主动扫描

• 设备主动发送请求 SSID 的信号，等待 AP 的响应

• AP 响应后，设备发送关联请求，AP 发送关联响应

• AP 无需发送自己的信息

被动扫描

• 设备等待 AP 的信号，AP 发送信号后设备发送关联请求

WLAN 帧

• 不使用 IEEE 802.3 的 MAC 帧

• 最大载荷：1500 字节，虽然 IEEE 802.11 允许更大的载荷

• 分类

  • 控制帧：管理网络连接

  • 数据帧：传输数据

  • 管理帧：管理网络连接

CSMA/CA

• 解决问题：设备无法准确得知无线信道是否空闲，导致冲突

• 原理：在发送数据前，设备向接受站点发送控制帧，接受站点回复应答帧，周围站点可监听该帧，在一段时间内避免数据发送

• 流程

  1. A 向 B 发送 RTS 帧，A 周围的站点不发送数据，以保证 CTS 帧传输到A

  2. B 收到 RTS 帧后，向 A 发送 CTS 帧，B 周围的站点不发送数据，以保证数据帧传输到A

  3. A 收到 CTS 帧后，向 B 发送数据帧

  4. 若冲突后，等待随机时间后重试

实际通量的影响因素

• 回复 ACK：消耗 50% 的可用带宽

• 信号衰减：信号强度下降，导致重传，降低通量

第二层设备

NIC 网卡 Network Interface Controller

• 携带唯一固定代码：MAC地址

• 提供主机对网络媒介的访问权限，控制网络上主机的数据通信

• 将计算机总线传输的并行信号转换成串行格式通过网络发送

• 把数据封装为帧

Bridge 网桥

• 更智能的集线器

• 维护 MAC 地址表，基于 MAC 地址转发/过滤数据包

• 局域网分段：将不同网段连接在一起，减少冲突域

• 适用于低流量网络，在大流量网络中会出现瓶颈

• 透明网桥：局域网上的设备不知道帧将经过哪些网桥

  • 原理：接口x收到了A的帧，则从x可以将帧传送到A

  • 流程：网桥收到帧后将源地址和接口对应关系存入转发表中，在后续转发中进行匹配

  • 需额外记录帧到达网桥的时间，以便反应最新状况

• 源路由网桥：发送帧时包含路由信息，使沿途的网桥知道帧的路径

  • 当发送信息时，源站以广播方式发送帧，帧中包含了路由信息

  • 到达目的站后，帧原路返回源站，源站根据返回信息筛选最佳路由

  • 缺点：占用大，导致广播风暴

Switch 交换机

• 集线器 + (多端口的)网桥：连通性 + 流量管制

• 全带宽：不用将同一信息广播到所有设备

• 直接将数据通过对应的端口发送到目的地

• 提供单独的数据路径

• 优点：减少不必要的流量、提高网络性能

• 在物理和逻辑上都是星形拓扑

广播域和冲突域

• 广播域：网络中，广播帧（如 ARP 请求）能够到达的范围

• 冲突域：可能发生数据帧碰撞的范围

  • 网桥分割冲突域：软件分割冲突域，性能低下

  • 交换机分割冲突域：硬件分割冲突域，性能高

  • 路由器：需要查看路由表判断，性能不高

网络设备 & 广播域 & 冲突域

• 中继器、集线器：不能分隔广播域，也不能分隔冲突域

• 交换机、网桥：不能分隔广播域，但可以分隔冲突域：交换机会转发广播帧，但为每一个端口分配一个独立的冲突域

• 路由器可以分割广播域，也可以分割冲突域