数据链路层 ,数据链路层的主要功能,数据链路层的协议,数据链路层的设备。

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本章重点

  1. 了解封装成帧的原理
  2. 掌握PPP协议的作用及实现原理
  3. 熟悉链路层的网络设备和工作原理

数据链路层 ,数据链路层的主要功能,数据链路层的协议,数据链路层的设备。_第1张图片

数据链路层

  • 一、封装成帧
  • 二、链路层的功能
    • 1. 差错控制
      • 1.1 奇偶校验码
      • 1.2 海明码
    • 2. 流量控制
      • 2.1 停止等待协议
      • 2.2 滑动窗口协议
        • 2.2.1 后退N帧协议(GBN)
        • 2.2.2 选择重传协议(SR)
  • 三、链路层的协议
    • 1. PPP协议
  • 四、链路层设备
    • 1. 网桥
      • 1.1 工作原理
      • 1.2 网桥和路由器的区别
    • 2. 交换机

数据链路层负责将物理层数据 「透明」「可靠」的传输到网络层。

透明传输

透明是指,链路层传输数据的方式是透明的,也就是透明传输。
这个透明相对的,从上层的角度看,链路层只是一个「通道」「只传输」数据,而「不处理」数据。
但实际上,链路层会处理数据,只是处理的过程,不向上层展示(上层并不在乎你怎么处理,上层只希望你把数据传输过来)。

一、封装成帧

链路层处理数据的第一步,就是封装成帧。封装成帧是指,将传输的数据「分隔」成多组数据,每一组数据称为一个数据帧,当传输出现差错时,只需要重发数据帧,而不再重传所有的数据。

链路层的差错控制和流量处理功能,都是在组帧的基础上实现的。

点击此连接深入了解什么是透明传输以及封装成帧的方式。

二、链路层的功能

数据传输过程中,由于外界不可控因素造成的冲击噪声,会使数据的传输出现差错。

1. 差错控制

这种差错可以分为两种:「位错」「帧错」

位错就是比特位出现差错,比如1变成0,或0变成1。

帧错就是数据帧出现差错,比如帧丢失、帧重复、帧失序。

这种差错通常会用编码技术来解决,比如:奇偶校验码和海明码。

1.1 奇偶校验码

奇偶校验码根据二进制数据中「1的个数」来判断数据的完整性。

比如,数据传输前有奇数个1,传输后却变成了偶数个1,就判定数据传输出现了差错,重新发送这个数据帧。

点击此连接了解奇偶校验码的检错原理。

1.2 海明码

海明码算是奇偶校验码的升级版,是一种「多重校验」

他将数据帧分为多个小组,每个小组都进行一次奇偶校验,从而指出具体的差错位置,进而纠错。

2. 流量控制

当发送数据「过快」时,接收方就会发生「阻塞」,导致数据帧的「丢失」

因此,我们需要对发送的数据流量进行管控,也就是流量控制;

流量控制的协议有很多,我们来一个一个了解。

2.1 停止等待协议

停止等待协议很简单,每发送完一个帧就停止发送,等待对方「确认」

收到对方的确认帧后再发送下一个帧。

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停止等待协议可以保证数据不丢包或包乱序,但利用率不高。

2.2 滑动窗口协议

滑动窗口是指,在「窗口」允许的范围内,可以「同时发送多个数据」

比如,窗口的大小设置为6个,发送方发送一个数据,在没有收到确认帧的情况下,仍然可以发送第二个、第三个数据,以此类推,可以同时发送五个数据。

当同时有6个数据没有收到确认帧时,就到达了窗口的数量上限,发送方将停止发送数据,等待接收方的确认帧,每收到一个确认帧,就可以再发送一个数据。

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需要注意的是:滑动窗口的大小最好等于接收窗口的大小(大了会溢出,小了没意义)

2.2.1 后退N帧协议(GBN)

GBN协议是滑动窗口机制的一种应用协议。采用「累积确认机制」,如果某一个帧未收到确认,则重新发送窗口内这个帧以及前面的所有帧。

GBN协议有一个「缺点」,如果某个帧超时,即使之前的帧已经成功被接收,仍然会被重新发送,从而造成「资源浪费」。而选择重传协议可以解决这个问题。

2.2.2 选择重传协议(SR)

选择重传协议是滑动窗口机制的另一个应用协议,他在GBN协议的基础上取消了累积确认的机制,采用「一个数据对应一个确认帧」的方式,在窗口大小允许的范围内同时传递多个数据,只有超时的数据才会重传,未超时的数据不会重传。

三、链路层的协议

1. PPP协议

PPP协议(Point to Point Protocol),翻译成中文是「点对点协议」,是链路层的数据通信协议,检错但不纠错,是一种不可靠的传输协议。

1)通信开始时,调制解调器确认拨号,并建立物理连接。

2)而后链路控制协议(LCP)建立通信链路,发送数据帧。

3)网络控制协议(NCP)给接入的主机分配临时IP地址。

4)通信完毕时,网络控制协议(NCP)回收IP地址。

5)链路控制协议(LCP)断开通信链路。

6)最后释放物理层的连接。

四、链路层设备

物理层的集线器可扩展的「网络距离」有限,想要实现远距离的网络通信,需要借助链路层的网桥或交换机。

1. 网桥

网桥是早期的「两端口」二层网络设备,后来被更多端口的交换机取代。

网桥也叫桥接器,可以连接两个局域网,一个端口连接一个网段,根据数据帧的目的MAC地址转发到对应接口的网络。

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1.1 工作原理

1)网桥中有一个「网桥表」,保存「MAC地址」「接口」的对应关系。

2)数据帧经过网桥时,先在网桥表中搜索「源MAC地址」

  • 如果不存在,就学习新MAC地址,将地址与对应的接口保存到表中;

3)然后再搜索「目的MAC地址」

  • ​ 如果存在,就转发到地址对应的接口; ​
  • 如果不存在,就转发到其他所有的网络。

1.2 网桥和路由器的区别

网桥和路由器都是连接两个网络的设备。但网桥是「存储转发」设备,路由器是「路径选择」设备。

他们的区别主要体现在四个方面:

1)端口方面:网桥只有两个端口,而路由器最少16个端口,最多48个端口。

2)网络方面:网桥只能连接两个相同网络,而路由器可以连接多个不同的网络。

3)广播方面:网桥不隔离广播,而路由器可以隔离广播

4)工作层次方面:网桥是二层设备,不考虑使用的协议报文;而路由器是三层设备,需要处理协议和报文。

2. 交换机

交换机相当于「多端口网桥」,每个端口都具有桥接功能,根据MAC地址在多个网络间交换数据帧。

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交换机可以“学习”新的MAC地址,并存储在内部的地址表中,在发送者和接受者之间建立临时路径,完成数据的交换。

交换机的工作原理与网桥大同小异,这里不再阐述。

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