计算机网络 数据链路层 协议知识点总结

计算机网络  性能指标

• 速率：速率就是数据传输（数据是指0和1）的速率，比如你用​​迅雷​​下载，1兆每秒，来衡量目前数据传输的快慢。它是计算机网络中最重要的一个性能指标。 速率就是发送数据的速度。
• 带宽：在计算机网络中，网络带宽是指在单位时间（一般指的是1秒钟）内能传输的数据量，比如说你家的电信网络是100兆比特，意思是，一秒内最大的传输速率是100兆比特。 有百兆网卡，千兆网卡，万兆网卡。所有流量加一块超不过网卡最高速率，这里最高速率是没有空闲时间，这里只能说接近带宽，但是达不到带宽（数据包是分组交换，每个数据包之间都会有间隔）每秒网卡，或者路由器的接口，或者交换机的接口每秒可以传送多少比特。

在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力。表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。单位是 bit/s，即 “比特每秒” 

 速率带宽区别

这个带宽呢，就是这个网卡的最高的传输速率，就跟一个马路一样啊，这个马路最高啊，每秒钟过100辆车啊，这是带宽的意思啊，然后速率呢，比方说每秒钟，现在他虽然可以过100辆，但是现在呢，每秒钟就过了五辆，那就相当于速率。

数据链路层

OSI参考模型的第 2 层。负责物理层面上两个互连主机间的通信传输，将由 0 、 1 组成的比特流划分成数据帧传输给对端，即数据帧的生成与接收。

数据链路层作用

链路：网络中两个结点之间的物理通道，链路的传输介质主要有双绞线、光纤和微波。分为有线链路、无线链路。

数据链路：两络中两个结点之间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成数据链路。

路由器会去掉帧的首部，拿到数据包之后，查看路由表，从哪个口出去，然后封装为该链路的协议的帧，不同的链路可以使用不同的协议。(路由器做三件件事，一件事去掉帧首部，拿到ip数据包，第二件事情根据路由表转发ip数据包，第三件事再封装)。

可以看到数据包从pc1到pc2每过一条链路都得封装一次。不同链路，不同的的协议，那么帧的格式也就不一样。

路由器的接口，有物理层的功能，收到计算机发来的电信号，然后将封装的帧去掉，然后提交给路由器，路由器有网络层的功能，根据路由表选择接口之后，又由这个接口来封装成帧，再变成这个接口电信号，光信号。

路由器是三层设备，也有数据链路层和物理层的功能。 

数据链路层使用的信道

数据链路层使用的信道可以是点对点，还有广播信道，比如同轴电缆连的网络，这就是广播信道。一个计算机通信，电信号会给到所有的计算机，这些计算机都可以收到。

点到点是指链路上就两个设备，广播信道是指链路上有多个设备。

他们使用的通信协议是不一样的。

不同链路协议不一样，帧的格式也不一样

以太网的帧封装了三个字段

还是这个数据包，看看点对点链路的帧，看到源地址，目的地址还是没有变！但是由于链路不一样，协议也不一样，帧的格式也不一样，可以看到点到点的帧就不需要MAC地址。 

广播链路的局域网

广播信道使用带冲突检测的载波侦听多路访问（ CSMA/CD ）机制通信。

CSMA/CD就是广播信道使用的数据链路层协议，使用CSMA/CD协议的网络就是以太网。 点到点链路就不用冲突检测，因此没必要使用CSMA/CD协议。

使用集线器组建的局域网也是广播信道，是总线型拓扑。（A计算机和C计算机通信，那么这个信号通过集线器发给所有的口，不做任何的处理，也是一个广播信道）

 点到点链路使用的是ppp协议，广播链路使用的是CSMA/CD协议

什么是集线器？

集线器（ hub ）是工作在物理层、具有信号放大功能、以它为中心的网络设备。即一个多端口的中继器，以集线器为中心，连接多个节点。广播方式发送数据，也就是说，当它要发送数据时，会发送到与集线器相连的所有节点。

由于集线器没有控制功能，因此所有终端共享带宽，同一时刻只能一个终端发送数据，多个终端同时发送数据就会产生冲突。这时，集线器、连接线缆以及连接在集线器上的终端设备构成了一个冲突域。于是采用 CSMA/CD 方式决定终端能否发送数据。

数据链路层要解决的三个问题 封装成帧

 在数据链路层，探讨的是如何将一段数据传递给另外一个节点的接口。在传递的时候变成电信号，光信号，还是无线信号，我们并不关心这个，因为这是物理层需要做的事情。

• 封装成帧 (framing) 就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。（网络层给你了数据包，网卡就要将其封装一下，加上头和尾部，从网络层给到数据链路层的ip数据报大小是有限制的，叫做最大传输单元，以太网是1500个字节，如果超过了这个大小，那么网络层的IP数据包就要分片）（封装成帧的意思就是给网络层的数据包加上头和尾，有头有尾代表一个完整的数据）
• 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

 数据链路层要解决的三个问题 透明传输

当数据是由可打印的 ASCII 码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符。

控制字符 SOH (Start Of Header) 放在一帧的最前面，表示帧的首部开始。另一个控制字符 EOT (End Of Transmission) 表示帧的结束。（控制字符也占用帧头部和尾部字段）

 ASCII表里面有非打印的字符，这些字符不是键盘输入的，都是一些控制字符。

 如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和 SOH 或 EOT 一样，数据链路层就会错误地“找到帧的边界”。当作无效帧丢弃就产生错误了。 

解决透明传输问题

解决方法：字节填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character stuffing)。

发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是1B)。

接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。

如果转义字符也出现在数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符 ESC。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

封装成帧加上头和尾，传输的时候加上转义字符，接收的时候去掉转义字符，加头和尾的过程叫做封装成帧，插入转义字符和去掉转义字符的过程叫透明传输。

不同链路协议解决的透明传输的方法不一样，这个转义字符到底是啥，完全由数据链路层搞定，但是，所有的数据链路层都要解决这个问题。

差错检测

• 在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。
• 误码率与信噪比有很大的关系。
• 为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。
• 在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。 

帧的数据部分+数据链路层首部来计算帧校验序列，计算完之后将帧校验序列写到帧尾部FCS字段一块发出去。接收端收到之后使用帧校验序列来验证里面有没有差错。如果有差错就丢掉了。

在数据链路层是不可靠传输，如果有差错就直接丢弃，不会重传。

数据链路层有没有重传功能，完全看数据链路层协议有没有这个功能。ppp hdlc以太网协议都不具有可靠传输，有错误就直接丢弃，由传输层来实现。

需要注意的是校验的部分是帧的数据部分和数据链路层首部，检擦这些部分在传输过程当作有没有差错。用于校验的部分写到帧的FCS位置。

循环冗余检验的原理

• 在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。
• 在每组 M 后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码，然后一起发送出去。

 冗余码的计算

• 用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。
• 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少 1 位，即 R 是 n 位。
• 将余数 R 作为冗余码拼接在数据 M 后面，一起发送出去。

冗余码的计算举例

• 现在 k = 6, M = 101001。
• 设 n = 3, 除数 P = 1101，
• 被除数是 2nM = 101001000。
• 模 2 运算的结果是：商 Q = 110101，余数 R = 001。
• 把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。发送的数据是：2nM + R，即：101001001，共 (k + n) 位。

 循环冗余检验的原理说明 

假设101001是我们要传输的数据，冗余码需要生成3位二进制，这个时候就需要在原始数据后面加上3个0，然后选一个除数，除数要比冗余码多一位，冗余码是3位，除数就得是4位。

这个除数其实是每种协议提前定义好的，发送端和接受端都知道这个除数。

冗余码的计算

 接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验

(1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受 (accept)。

(2) 若余数 R ≠ 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。

• 但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。
• 只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

帧检验序列 FCS

算出来的CRC叫做帧校验序列，CRC是一个算法，当然也可以通过其他算法得出帧校验序列，FCS的计算方法除了CRC还有其他算法算出帧校验序列。

在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。

循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS 并不等同。

• CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。
• FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。

PPP 协议的特点

点到点链路不仅仅可以使用PPP协议还可以使用HDLC协议（下面是所有的数据链路层协议都有的功能）

• 简单 —— 这是首要的要求。
• 封装成帧 —— 必须规定特殊的字符作为帧定界符
• 透明性 —— 必须保证数据传输的透明性
• 差错检测 —— 能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧
• 能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。（出现故障恢复能够自动的去建立连接）
• 最大传送单元 —— 必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元MTU的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性。（如何一个数据链路层都有一个定义最大的传输单元是多少）

PPP 协议不需要的功能

•  纠错
• 流量控制
• 序号
• 多点线路
• 半双工或单工链路

PPP协议的帧格式

还是这个数据包，看看点对点链路的帧，看到源地址，目的地址还是没有变！但是由于链路不一样，协议也不一样，帧的格式也不一样，可以看到点到点的帧就不需要MAC地址。

• PPP 帧的首部和尾部分别为 4 个字段和 2 个字段。
• 标志字段 F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。(首部中的标志字段F(Flag)，规定为0x7E(符号0x表示它后面的字符是用十六进制表示的。十六进制的7E的二进制表示是01111110)，标志字段表示一个帧的开始。)
• 地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。
• 控制字段 C 通常置为 0x03。
• PPP 是面向字节的，所有的PPP 帧的长度都是整数字节。

首部有四个字段F,A,C,协议。尾部有两个字段FCS,F。这个就是ppp协议规定的。

F代表开始和结束，分别占用一个字节，这一个字节的数值是16进制的。7E代表了16进制里面的0111 1110。

A是地址字段。FF全部都是1111 1111，这个地址又不代表目标MAC地址，ppp协议不涉及MAC地址。ppp协议就不需要MAC地址，从一根线的一端发送到另外一端信号，中间没有其他设备，A发送的接收端必然是B，所以有没有地址都是无所谓的，所以这个地址字段形同虚设没有什么实际的意义。

PPP 有一个 2 个字节的协议字段。（和快递一样，得指明快递里面包裹是文件还是什么类型的物品）

• 其值 若为 0x0021，则信息字段就是 IP 数据报。
• 若为 0x8021，则信息字段是网络控制数据。
• 若为 0xC021，则信息字段是 PPP 链路控制数据。
• 若为 0xC023，则信息字段是鉴别数据。

PPP帧的尾部
尾部中的第一个字段(2个字节)是使用CRC的帧检验序列FCS。

尾部中的标志字段F(Flag)，规定为0x7E(符号0x表示它后面的字符是用十六进制表示的。十六进制的7E的二进制表示是01111110)，标志字段表示一个帧的结束。

注：标志字段就是PPP帧的定界符。连续两帧之间只需要用一个标志字段。如果连续出现两个标志字段，就表示这是一个空帧，应当丢弃。