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计算机网络——数据链路层局域网以太网 PPP协议和HDLC协议链路层设备

时间：2018-08-10 04:50:00

文章目录

前言一、局域网简介1、局域网的基本概念和特点2、局域网的主要要素3、局域网的分类与 IEEE 802 标准4、LLC 子层和 MAC 子层二、以太网三、无线局域网四、PPP 协议和 HDLC 协议1、广域网2、PPP 协议3、HDLC 协议五、链路层设备1、物理层扩展以太网2、链路层扩展以太网⑴网桥⑵以太网交换机3、冲突域和广播域总结

前言

本文的主要内容是计算机网络中数据链路层的一些基础知识，包括局域网的基本概念和体系结构、以太网和无线局域网的介绍、PPP 协议和 HDLC 协议、链路层设备等，文章中涉及到的多是一些概念，注意理解并掌握。

一、局域网简介

1、局域网的基本概念和特点

局域网 (LAN，Local Area Network) 是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，它使用的是广播信道。

主要特点有：①覆盖的地理范围较小，只在一个相对独立的局部范围内互联，如一座或集中的建筑群内；②使用专门铺设的传输介质，如双绞线、同轴电缆等进行联网，数据传输速率高，大概在 10Mb/s 至 10Gb/s；③通信延迟时间短，误码率低，可靠性较高；④各站为平等关系，共享传输信道；⑤多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播。

2、局域网的主要要素

决定局域网的主要要素为网络拓扑、传输介质以及介质访问控制方法。

①网络拓扑

局域网的拓扑结构有星型拓扑、总线型拓扑、环型拓扑以及树型拓扑。

星型拓扑的结构示意图如下图所示。

星型拓扑的中心节点是控制中心，任意两个节点间的通信最多只需两步，其传输速度快、网络构形简单、建网容易、便于控制和管理，但这种网络系统的网络可靠性低、网络共享能力差、有单点故障问题。

总线型拓扑的结构示意图如下图所示。

总线型拓扑网络可靠性高、网络节点间响应速度快、共享资源能力强、设备投入量少、成本低、安装使用方便，当某个工作站节点出现故障时，对整个网络系统的影响较小。

环型拓扑的结构示意图如下图所示。

环型拓扑系统中通信设备和线路比较节省，有单点故障问题，由于环路是封闭的，所以不便于扩充，系统响应延时长，且信息传输效率相对较低。

树型拓扑的结构示意图如下图所示。

树型拓扑易于拓展，易于隔离故障，但也容易有单点故障。

②传输介质

局域网分为有线局域网和无线局域网，有线局域网的传输介质有双绞线、同轴电缆以及光纤；无线局域网的传输介质有电磁波。

③介质访问控制方法

局域网介质访问控制方法主要有 CSMA/CD、令牌总线和令牌环。

令牌总线是把总线型或树型网络中的各个工作站按一定顺序如按接口地址大小排列形成一个逻辑环，只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。

CSMA/CD 和令牌总线常用于总线型局域网和树型网络，令牌环用于环形局域网，如令牌环网。

3、局域网的分类与 IEEE 802 标准

局域网分为以太网、令牌环网、FDDI网、ATM网和无线局域网。

以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网 (10Mbps)、快速以太网 (100Mbps)、千兆以太网 (1000Mbps) 和 10G 以太网，它们都符合 IEEE802.3 系列标准规范。其逻辑拓扑是总线型，物理拓扑是星型或拓展星型，使用 CSMA/CD 协议进行介质访问控制。

令牌环网物理上采用了星形拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。

FDDI网 (Fiber Distributed Data Interface) 是光纤分布式数据接口，其物理上采用了双环拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。

ATM网(Asynchronous Transfer Mode) 是异步传输模式，它具有较新型的单元交换技术，使用 53 字节固定长度的单元进行交换。

无线局域网 (WLAN，Wireless Local Area Network) 采用 IEEE 802.11 标准。

IEEE 802 系列标准是 IEEE 802 LAN/MAN 标准委员会制定的局域网、城域网技术标准(1980年2月成立)，其中最广泛使用的有以太网、令牌环、无线局域网等，这一系列标准中的每一个子标准都由委员会中的一个专门工作组负责。

IEEE 802 现有标准如下图所示。

4、LLC 子层和 MAC 子层

IEEE802标准所描述的局域网参考模型只对应 OSI 参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层 LLC 子层和介质访问控制 MAC 子层，如下图所示。

LLC 子层负责识别网络层协议，然后对它们进行封装，LLC 报头告诉数据链路层一旦帧被接收到时，应当对数据包做何处理，它还为网络层提供服务，包括无确认无连接、面向连接、带确认无连接和高速传送。

MAC 子层的主要功能包括数据帧的封装与卸装、帧的寻址和识别、帧的接收与发送、链路的管理以及帧的差错控制等，MAC 子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性。

二、以太网

以太网 (Ethernet) 指的是由 Xerox 公司创建并由 Xerox、Intel 和 DEC 公司联合开发的基带总线局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，以太网络使用的是 CSMA/CD 技术。

以太网在局域网各种技术中占统治性地位的原因是：造价低廉；是应用最广泛的局域网技术；比令牌环网、ATM网便宜、简单；满足网络速率要求，可以达到10Mb/s~10Gb/s。

以太网的两个标准：①DIX Ethernet V2：第一个局域网产品（以太网）规约；②IEEE 802.3：IEEE 802委员会 802.3 工作组制定的第一个IEEE的以太网标准。

以太网提供无连接、不可靠的服务。无连接指的是发送方和接收方之间没有握手过程；不可靠指的是不对发送方的数据帧编号、接收方不向发送方进行确认、差错帧直接丢弃，其差错纠正由高层负责。

以太网只实现无差错接收，不能实现可靠传输。

以太网的传输介质由最初的粗同轴电缆到细同轴电缆再到现在的双绞线和集线器的组合。

以太网的拓扑在逻辑上是总线型，物理上是星型。

10 BASE-T 以太网是传送基带信号的双绞线以太网，T 表示采用双绞线，每段双绞线最长为100m，现在10 BASE-T采用的是无屏蔽双绞线(UTP)，传输速率是10Mb/s，采用的是曼彻斯特编码和CSMA/CD介质访问控制。

计算机与外界有局域网的连接是通过通信适配器的，适配器上装有处理器和存储器，存储器包括RAM和ROM，ROM上有计算机硬件地址 MAC 地址。

在局域网中，硬件地址又称为物理地址或 MAC 地址，实际上是标识符。

MAC 地址是每个适配器都有一个全球唯一的 48 位二进制地址，前24位代表厂家，由IEEE规定，后24位厂家自己指定，常用6个十六进制数表示，如 02-60-8c-e4-b1-21。

以太网 MAC 帧最常用的是以太网 V2 的格式，如下图所示。

数据部分最小的字节数为 46，因为前面提到过以太网的最小帧长是 64 B，目的地址、原地址、类型以及 FCS 占了 18 B，因此数据部分最小为 46 B。

速率 ≥ 100Mb/s 的以太网称为高速以太网。高速以太网有 100 BASE-T 以太网、吉比特以太网和10吉比特以太网。

100 BASE-T 以太网在双绞线上传送 100Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，使用IEEE 802.3 的 CSMA/CD 协议，它支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而不发生冲突。

吉比特以太网在光纤或双绞线上传送 1Gb/s 信号，它支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而不发生冲突

10 吉比特以太网在光纤上传送 10Gb/s 信号，它只支持全双工，无争用问题。

三、无线局域网

无线局域网 802.11 的 MAC 帧头格式如下图所示。

全国各地的基站分布很多，比如我们的手机号码在坐车途径某个省份的时候会受到欢迎的信息，那是因为随着我们位置的变化，会选择离我们更近的那个基站，然后手机号会在基站的数据库中进行更新。

无线局域网 802.11 的 MAC 帧头格式还有其他几种，如下图所示。

前三种只使用了三个地址，第四种就是前面介绍的。

无线局域网分为有固定基础设施无线局域网和无固定基础设施无线局域网的自组织网络。

有固定基础设施无线局域网的简单示意图如下图所示。

如果要通信的两个主机在同一个基站内，如上图中的 A 和 C，则通过基站就可以实现；如果要通信的两个主机不在同一个基站内，如上图中的 A 和 B，就需要借助两个分属的基站和分配系统 DS 来实现，实现了一个有线无线结合的通信过程，构成了扩展的服务集 ESS。具体的实现路径在图中已经简略的标出。

无固定基础设施无线局域网的自组织网络的简单示意图如下图所示。

无固定基础设施指的是无任何的转发器、集线器、路由器及基站等设施，只有一些主机组成的网络，每台主机都可以充当主机或者路由器的功能，也就是说，自己可以发送数据，也可以帮忙转发数据，各结点的地位平等，自组织网络只需要所有的主机设置相同的网段即可完成组网。

四、PPP 协议和 HDLC 协议

1、广域网

广域网(WAN，Wide Area Network) 通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。

广域网的通信子网主要使用分组交换技术，广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。如因特网是世界范围内最大的广域网。

广域网的简单示意图如下图所示。

2、PPP 协议

PPP (Point-to-Point Protocol) 协议，也称点对点协议，它是目前使用最广泛的数据链路层协议，用户使用拨号电话接入因特网时一般都使用的是 PPP 协议，该协议只支持全双工链路。

PPP 协议应满足的要求：①简单。对于链路层的帧，无需纠错、无需序号、无需流量控制；②封装成帧。需要加上帧定界符；③透明传输。在传输过程中与帧定界符一样比特组合的数据的处理方式为：异步线路用字节填充，同步线路用比特填充；④多种网络层协议。封装的 IP 数据报可以采用多种协议；⑤多种类型链路。包括串行/并行，同步/异步，电/光等；⑥差错检测。出错就丢弃；⑦检测连接状态。确定链路是否正常工作；⑧最大传送单元。数据部分最大长度 MTU(一般是 1500 B)；⑨网络层地址协商。知道通信双方的网络层地址；⑩数据压缩协商。在发送数据时要进行压缩。

PPP 协议无需满足的要求：不用纠错，只需要检错；不需要流量控制，交给上层负责；无需对帧编序号；不支持多点线路。

PPP 协议的三个组成部分：①一个将 IP 数据报封装到串行链路(同步串行/异步串行)的方法；②链路控制协议LCP，用于建立并维护数据链路连接；③网络控制协议NCP，PPP 可支持多种网络层协议，每个不同的网络层协议都要一个相应的 NCP 来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。

PPP 协议的状态图如下图所示。

PPP 协议的帧格式如下图所示。

PPP 协议是面向字节的一种协议。

3、HDLC 协议

HDLC (High-Level Data Link Control) 协议，也称高级数据链路控制协议，它是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，采用全双工通信，它是由国际标准化组织根据 IBM 公司的 SDLC (Synchronous Data Link Control，同步数据链路控制) 协议扩展开发而成的。

数据报文可透明传输，用于实现透明传输的 0 比特插入法易于硬件实现，所有帧采用循环冗余编码检验的方法，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重复，传输可靠性高。

HDLC的站包括主站、从站和复合站。主站的主要功能是发送命令帧、接收响应帧，并负责对整个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错检测或恢复等；从站的主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并且配合主站参与差错恢复等链路控制；复合站的主要功能是既能发送又能接收命令帧和响应帧，并且负责整个链路的控制。

数据的操作方式有正常响应方式、异步平衡方式和异步响应方式。

HDLC 的帧格式如下图所示。

上图中，如果信息段开头为 0 则是信息帧，用来传输数据信息或使用捎带技术对数据进行确认；信息段开头为 10 则是监督帧，用于流量控制和差错控制，执行对信息帧的确认、请求重发和请求暂停发送等功能；信息段开头为 11 则是无编号帧，用于提供对链路的建立、拆除等多种控制功能。

PPP 协议与 HDLC 协议的相同点：只支持全双工链路；可以实现透明传输；都可以实现差错检测，但不纠错。

PPP 协议与 HDLC 协议的不同点：PPP 协议是面向字节传输的，而 HDLC 协议是面向比特传输的；PPP 协议的帧格式中有 2 个字节的协议字段，而 HDLC 协议中与此类似的是 8 个比特的控制字段；PPP 协议无序号和确认机制，而 HDLC 协议有编号和确认机制；PPP 协议不可靠，而 HDLC 协议可靠(PPP 协议使用更广，因为可靠性交由传输层负责，这里只要传送即可)。

五、链路层设备

1、物理层扩展以太网

可以加光纤调制器和光纤解调器扩大以太网的覆盖范围，进而延长主机之间通信距离，示意图如下图。

也可以通过将各集线器连接在主干集线器上实现跨冲突域的通信，当然之前的小冲突域会合成一个大冲突域，这种方式也扩大了以太网的覆盖范围。不足是冲突发生的概率变高，进而使得主机间的通信效率降低了。示意图如下图。

2、链路层扩展以太网

链路层扩展以太网可以通过网桥或交换机实现。

⑴网桥

网桥根据 MAC 帧的目的地址对帧进行转发和过滤，当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，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，或者是把它丢弃。

网桥的连接示意图如下图所示。

上图中橙色区域内的主机在同一个网段内，如 A 和 B 就在同一个网段内。

网段一般指一个计算机网络中使用同一物理层设备(传输介质，中继器，集线器等)能够直接通讯的那一部分。

网桥的优点： ①过滤通信量，增大吞吐量；②扩大了物理范围；③提高了可靠性；④可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率的以太网。

网桥分为透明网桥和源路由网桥。

透明网桥指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，它是一种通过自学习实现即插即用目的的设备。

透明网桥自学习的过程示意图如下图所示。

需要注意的是，网桥对应的转发表一开始都是空的，各主机在通信的过程中会逐渐填满。转发表的功能就是在各主机第一次传输经过网桥时记录下主机名称及其进入的接口，这样在其他信息传送到该网桥后，会先查传输的目的主机是否在转发表中。如果不在，信息就继续通过网桥的另一端；如果在，该信息就会沿着转发表中记录的网桥接口传输出去，进而找到该主机。上图中的主机 B —>主机 A 就是这样的一个例子。

源路由网桥在发送帧时，把详细的最佳路由信息 (路由最少/时间最短) 放在帧的首部中。其方法是源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧。

通俗理解：从 A 地到 B 地有很多条路，这很多条路都走过一遍之后肯定有一条是耗时最短的，那么以后再从 A 地到 B 地就直接走这条耗时最短的路就好。