1绅项、協(xié)議

數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議有許多種，但是有三個基本問題則是共同的：封裝成幀比肄、透明傳輸和差錯檢測快耿。

1.1 封裝成幀

所有在因特網(wǎng)上傳送的數(shù)據(jù)都是以IP數(shù)據(jù)報為傳送單位的，網(wǎng)絡(luò)層的IP數(shù)據(jù)報傳送到數(shù)據(jù)鏈路層就成為幀的數(shù)據(jù)部分芳绩，在幀的數(shù)據(jù)部分的前面和后面添加上首部和尾部掀亥，構(gòu)成一個完整的幀。

每一種鏈路層協(xié)議都規(guī)定了幀的數(shù)據(jù)部分的長度上線——最大傳送單元MTU（Maximum Transfer Unit）妥色。

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1.2 透明傳輸

透明傳輸搪花，即無論什么樣的比特流都能夠通過數(shù)據(jù)鏈路層傳輸。

幀的開始和結(jié)束標(biāo)記是專門指明的控制字符嘹害，因此撮竿，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中的任何8比特組合一定不允許和這些控制字符的編碼相同，否則就會出現(xiàn)幀的定界錯誤笔呀。

解決這種矛盾的方法是幢踏，將數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)的控制字符的前面插入轉(zhuǎn)義字符“ESC”，而在接收端再刪除該轉(zhuǎn)義字符许师，這種方法被稱為字節(jié)填充房蝉。

1.3 差錯檢測

現(xiàn)實的通信線路都不會是理想的僚匆，比特在傳輸過程中可能會產(chǎn)生差錯：1可能會變成0，0也可能會變成1搭幻。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃赃掷蓿仨毑捎酶鞣N差錯檢測措施。目前在數(shù)據(jù)鏈路層廣泛使用的是循環(huán)冗余檢驗CRC（Cyclic Redundancy Check）檀蹋。

2松申、點對點協(xié)議PPP

對于點對點的鏈路，PPP（Point-to-Point Protocol）是目前使用最廣泛的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議续扔。

我們知道攻臀，因特網(wǎng)用戶通常都要連接到某個ISP才能接入到因特網(wǎng)焕数。PPP協(xié)議就是用戶計算機和ISP進行通信時所使用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議纱昧。

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PPP協(xié)議由三個部分組成：

• 一個將IP數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法。
• 一個用來建立堡赔、配置和測試數(shù)據(jù)鏈路連接的鏈路控制協(xié)議LCP（Link Control Protocol）识脆。
• 一套網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP（Network Control Protocol）。

當(dāng)用戶撥號接入ISP后善已，就建立了一條從用戶PC機到ISP的物理連接灼捂。這時，用戶PC機向ISP發(fā)送一系列的LCP分組（封裝成多個PPP幀）换团，以便建立LCP連接悉稠。這些分組及其響應(yīng)選擇了將要使用的一些PPP參數(shù)。接著還要進行網(wǎng)絡(luò)層配置艘包，NCP給新接入的用戶PC機分配一個臨時的IP地址的猛。這樣，用戶PC機就成為一個擁有IP地址的主機了想虎。

當(dāng)用戶通信完畢時卦尊，NCP釋放網(wǎng)絡(luò)層連接，收回原來分配出去的IP地址舌厨。接著岂却，LCP釋放數(shù)據(jù)鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接裙椭。

3躏哩、局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層

局域網(wǎng)最主要的特點是：網(wǎng)絡(luò)為一個單位所擁有葵腹，且地理范圍和站點數(shù)目均有限需曾。

局域網(wǎng)具有廣播功能砂蔽，從一個站點可很方便地訪問全網(wǎng)纷纫，局域網(wǎng)上的主機可共享連接在局域網(wǎng)上的各種硬件和軟件資源析既。
局域網(wǎng)按照拓撲結(jié)構(gòu)可分為總線結(jié)構(gòu)止吐、環(huán)型結(jié)構(gòu)蕉世、星型結(jié)構(gòu)遍烦、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、樹型結(jié)構(gòu)以及混合型結(jié)構(gòu)拨拓。

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4肴颊、以太網(wǎng)

以太網(wǎng)最初是美國施樂公司研制的基于基帶總線的局域網(wǎng)，以曾經(jīng)在歷史上表示傳播電磁波的以太（Ether）來命名渣磷。

DIX Ethernet V2 是世界上第一個局域網(wǎng)產(chǎn)品（以太網(wǎng)）的規(guī)約婿着，在此基礎(chǔ)上，IEEE制定了了802.3 標(biāo)準(zhǔn)醋界，DIX Ethernet V2 標(biāo)準(zhǔn)與 IEEE 的 802.3 標(biāo)準(zhǔn)只有很小的差別竟宋，因此可以將 802.3 局域網(wǎng)簡稱為“以太網(wǎng)”。

為了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應(yīng)多種局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)形纺，802 委員會就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個子層：

• 邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層
• 媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層

與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在 MAC子層丘侠，而 LLC 子層則與傳輸媒體無關(guān)，不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對LLC 子層來說都是透明的逐样。

以太網(wǎng)在局域網(wǎng)市場中已取得了壟斷地位蜗字，并且?guī)缀醭闪司钟蚓W(wǎng)的代名詞，由于因特網(wǎng)發(fā)展很快而TCP/IP體系中經(jīng)常使用的局域網(wǎng)只剩下DIX Ethernet V2而不是IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)中的局域網(wǎng)脂新，因此現(xiàn)在802委員會制定的邏輯鏈路控制子層LLC的作用已經(jīng)消失了挪捕，很多廠商生產(chǎn)的適配器上僅裝有MAC協(xié)議而沒有LLC協(xié)議。

計算機與外界局域網(wǎng)的連接是通過適配器争便。適配器上裝有處理器和存儲器级零，適配器和局域網(wǎng)之間的通信是通過電纜或雙絞線以串行傳輸方式進行的，而適配器和計算機之間的通信則是通過計算機主板上的I/O總線以并行傳輸方式進行的滞乙。因此奏纪，適配器的一個重要功能就是要進行數(shù)據(jù)串行傳輸和并行傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換。

適配器接受和發(fā)送各種幀時不使用計算機的CPU酷宵。當(dāng)適配器收到正確的幀時亥贸，它就使用中斷來通知該計算機并交付給協(xié)議棧中的網(wǎng)絡(luò)層；當(dāng)計算機要發(fā)送IP數(shù)據(jù)報時浇垦，就由協(xié)議棧把IP數(shù)據(jù)報向下交給適配器炕置，組裝成幀后發(fā)送到局域網(wǎng)。

需要注意男韧，計算機的硬件地址就在適配器的ROM中朴摊，而計算機的IP地址則在計算機的存儲器中。

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5此虑、CSMA/CD協(xié)議

為了通信的簡便甚纲，以太網(wǎng)采取了以下兩種措施：

• 第一，采用無連接的工作方式朦前，即不必先建立連接就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)介杆。因此鹃操，以太網(wǎng)提供的服務(wù)是不可靠的交付，而是盡最大努力的交付春哨。
• 第二荆隘，以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都是用曼徹斯特編碼的信號。

我們知道赴背，總線上只要有一臺計算機在發(fā)送數(shù)據(jù)椰拒，總線的傳輸資源就被占用，因此凰荚，在同一時間只能允許一臺計算機發(fā)送信息燃观，否則各計算機之間就會相互干擾，結(jié)果大家都無法正常發(fā)送數(shù)據(jù)便瑟。

以太網(wǎng)采用的協(xié)調(diào)方法是使用一種特殊的協(xié)議CSMA/CD缆毁，即載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）。

• “多點接入”就是說明這是總線型網(wǎng)絡(luò)胳徽，許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上积锅，協(xié)議的實質(zhì)是“載波監(jiān)聽”和“碰撞檢測”。
• “載波監(jiān)聽”就是“發(fā)送前先監(jiān)聽”养盗，即每一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)前先要檢測一下總線上是否有其他站在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有适篙，則要等到信道空閑時再發(fā)送往核。
• “碰撞檢測”就是“邊發(fā)送邊監(jiān)聽”，即適配器邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓的變化情況嚷节，以便判斷自己在發(fā)送數(shù)據(jù)時其他站是否也在發(fā)送數(shù)據(jù)聂儒。一旦發(fā)生了碰撞，適配器就要立即停止發(fā)送硫痰。

顯然衩婚，在使用CSMA/CD協(xié)議時，一個站不可能同時進行發(fā)送與接收效斑，因此使用CSMA/CD協(xié)議的以太網(wǎng)不可能進行全雙工通信而只能進行半雙工通信非春。

6、MAC地址

在局域網(wǎng)中缓屠，硬件地址又稱為物理地址奇昙，或 MAC 地址。

IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)為局域網(wǎng)規(guī)定了一種48位的全球地址敌完，是指局域網(wǎng)上的每一臺計算機中固化在適配器的ROM中的地址储耐。

IEEE 的注冊管理機構(gòu) RA 負責(zé)向廠家分配地址字段的前三個字節(jié)(即高位 24 位)。地址字段中的后三個字節(jié)(即低位 24 位)由廠家自行指派滨溉，稱為擴展標(biāo)識符什湘，必須保證生產(chǎn)出的適配器沒有重復(fù)地址长赞。

適配器有過濾功能，適配器從網(wǎng)絡(luò)上每收到一個MAC幀就先用硬件檢查MAC幀中的目的地址闽撤，如果是發(fā)往本站的幀則收下涧卵，否則丟棄。發(fā)往本站的幀包括以下三種幀：

• 單播幀腹尖，即收到的幀的MAC地址與本站的硬件地址相同柳恐。
• 廣播幀，即發(fā)送給本局域網(wǎng)上所有站點的幀热幔。
• 多播幀乐设，即發(fā)送給本局域網(wǎng)上一部分站點的幀。

以太網(wǎng)最常用的是以太網(wǎng) V2 格式的MAC幀绎巨，格式如下：

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由五個字段組成近尚。前兩個字段為目的地址和源地址。第三個字段是類型字段场勤，用來標(biāo)識上一層使用的是什么協(xié)議戈锻，以便把收到的MAC幀的數(shù)據(jù)上交給上一層的這個協(xié)議。第四個字段是數(shù)據(jù)字段和媳，最后一個是幀檢驗序列FCS（使用CRC檢驗）格遭。

7、局域網(wǎng)的擴展

7.1 集線器

使用集線器（hub）可以在物理層擴展局域網(wǎng)：

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• 優(yōu)點
  • 使原來屬于不同碰撞域的局域網(wǎng)上的計算機能夠進行跨碰撞域的通信留瞳。
  • 擴大了局域網(wǎng)覆蓋的地理范圍拒迅。
• 缺點
  • 碰撞域增大了，但總的吞吐量并未提高她倘。
  • 如果不同的碰撞域使用不同的數(shù)據(jù)率璧微，那么就不能用集線器將它們互連起來。

7.2 網(wǎng)橋

在數(shù)據(jù)鏈路層擴展局域網(wǎng)是使用網(wǎng)橋(network bridge)硬梁。

網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層前硫，它根據(jù) MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉(zhuǎn)發(fā)。

網(wǎng)橋具有過濾幀的功能荧止。當(dāng)網(wǎng)橋收到一個幀時屹电，并不是向所有的接口轉(zhuǎn)發(fā)此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址罩息，然后再確定將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個接口嗤详。

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• 優(yōu)點
  • 過濾通信量。
  • 擴大了物理范圍瓷炮。
  • 提高了可靠性葱色。
  • 可互連不同物理層、不同 MAC 子層和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太網(wǎng)）的局域網(wǎng)
• 缺點
  • 存儲轉(zhuǎn)發(fā)增加了時延娘香。
  • 在MAC 子層并沒有流量控制功能苍狰。
  • 具有不同 MAC 子層的網(wǎng)段橋接在一起時時延更大办龄。
  • 網(wǎng)橋只適合于用戶數(shù)不太多(不超過幾百個)和通信量不太大的局域網(wǎng)，否則有時還會因傳播過多的廣播信息而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞淋昭。這就是所謂的廣播風(fēng)暴俐填。

7.3 交換機

以太網(wǎng)交換機通常都有十幾個接口。因此翔忽，以太網(wǎng)交換機實質(zhì)上就是一個多接口的網(wǎng)橋英融，可見交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層。

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對于普通 10 Mb/s 的共享式以太網(wǎng)歇式，若共有 N 個用戶驶悟，則每個用戶占有的平均帶寬只有總帶寬(10 Mb/s)的 N 分之一。
使用以太網(wǎng)交換機時材失，雖然在每個接口到主機的帶寬還是 10 Mb/s痕鳍，但由于一個用戶在通信時是獨占而不是和其他網(wǎng)絡(luò)用戶共享傳輸媒體的帶寬，因此對于擁有 N 對接口的交換機的總?cè)萘繛?N * 10 Mb/s龙巨。這正是交換機的最大優(yōu)點笼呆。

利用以太網(wǎng)交換機可以很方便地實現(xiàn)虛擬局域網(wǎng)，虛擬局域網(wǎng) VLAN 是由一些局域網(wǎng)網(wǎng)段構(gòu)成的與物理位置無關(guān)的邏輯組旨别。每一個 VLAN 的幀都有一個明確的標(biāo)識符诗赌，指明發(fā)送這個幀的工作站是屬于哪一個 VLAN。

虛擬局域網(wǎng)其實只是局域網(wǎng)給用戶提供的一種服務(wù)昼榛，而并不是一種新型局域網(wǎng)境肾。

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7.4 無線局域網(wǎng)

無線局域網(wǎng)常簡寫為WLAN（Wireless Local Area Network）。

1997年IEEE制定出無線局域網(wǎng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)802.11胆屿。802.11是個相當(dāng)復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)，簡單來說偶宫，是以無線以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)非迹，使用星型拓撲，其中心叫做接入點AP（Access Point）纯趋，在MAC層使用CSMA/CA協(xié)議憎兽。

凡使用802.11系列協(xié)議的局域網(wǎng)又稱為Wi-Fi（Wireless-Fidelity，意思是“無線保真度”）吵冒。

802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定無線局域網(wǎng)的最小構(gòu)件是基本服務(wù)集BSS（Basic Service Set）纯命。一個基本服務(wù)及BSS包括一個基站和若干移動站，所有的站在本BSS以內(nèi)都可以直接通信痹栖，但在和本BSS以外的站通信時都必須通過本BSS的基站亿汞。

BSS中的基站就是接入點AP，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理員安裝AP時揪阿，必須為該AP分配一個不超過32字節(jié)的服務(wù)集標(biāo)識符SSID（Service Set IDentifier）和一個信道疗我。

一個BSS所覆蓋的地理范圍叫作一個基本服務(wù)區(qū)BSA（Basic Service Area）咆畏，直徑一般不超過100米。

一個BSS可以是孤立的吴裤，也可以通過接入點AP連接到一個分配系統(tǒng)DS（Distribution System）旧找，然后再連接到另一個BSS，這樣就構(gòu)成了一個擴展的服務(wù)集ESS（Extended Service Set）麦牺。ESS還可以為無線用戶提供到非802.x（非802.11無線局域網(wǎng)）的接入钮蛛。這種接入是通過Portal來實現(xiàn)的。Portal的作用就相當(dāng)于一個網(wǎng)橋剖膳。

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