思维导图

数据链路层

三、数据链路层

数据链路层基础概论

数据链路层概念

数据链路层是在物理层和网络层之间的协议，提供相邻结点的可靠数据传输。

帧的概念

数据链路层的协议数据单元

协议数据单元（PDU）是在计算机网络中用来传递信息的基本单元。它表示在不同层次的网络协议栈中，数据被封装的最小单元。在数据链路层，PDU被称为帧（Frame）。
组成
- 帧头
  - 源MAC地址、目的MAC地址、类型
- 数据
- 帧尾
  - 校验

以太网数据帧中的MAC和LLC

以太网（Ethernet）：
以太网是一种计算机网络技术，用于在局域网（LAN）中进行数据通信。它是最常见和广泛使用的有线局域网技术之一。以太网的设计目标是在高性能、低成本和易用性之间找到平衡，使得计算机和其他设备能够方便地共享信息。
以太网数据帧：
以太网数据帧是在以太网中用于在网络中传输数据的基本单位。数据帧是在数据链路层（第二层）中定义的，由以太网协议规定了帧的结构。

MAC

MAC（Media Access Control）：
MAC是数据链路层的子层，负责控制和管理网络适配器（Network Adapter）的访问媒体（如以太网）的方式。每个网络适配器都有一个唯一的MAC地址，这个地址用于在局域网中标识该设备。
通俗解释：想象一下，MAC就像是人的身份证号码，是唯一的标识符。在网络中，每个设备（如计算机、手机）都有一个MAC地址，就像是设备的身份证号，用来在网络中唯一标识这个设备。
- MAC介质访问控制
- 作用
  - 数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，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。
LLC

LLC（Logical Link Control）：
LLC是数据链路层中的另一个子层，主要负责处理逻辑链路的控制，包括流控制、错误检测、帧同步等。它提供了一个接口，使网络层以上的协议能够透明地使用数据链路层的服务，而不需要关心底层的物理细节。
通俗解释： LLC就像是一位中间管理者，负责协调上层的需求和下层的实际操作。它帮助确保数据链路层的稳定运行，同时提供给上层一个方便的接口，使得上层的协议不必过多地考虑底层的细节问题。
- LLC逻辑控制访问
- 作用
  - LLC子层的主要功能为传输可靠性保障和控制，数据包的分段与重组，数据包的顺序传输。
注解
- 该协议位于OSI七层协议中数据链路层，数据链路层分为上层LLC（逻辑链路控制），和下层的MAC（媒体访问控制），MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC（逻辑链路控制）层。

数据链路层的两种传输方式

单播
广播

数据链路层的三个基本问题

封装成帧
- 封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个帧，接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束。
透明传输
- 透明传输是指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。
差错检测
- 收到正确的帧就要向发送端发送确认，发送端在一定的期限内若没有收到对方的确认，就认为出现了差错，因而就进行重传，直到收到对方的确认为止。

以太网中的设备

集线器

集线器是一个网络设备，用于连接局域网中的多个设备，它通过将所有连接到它的节点集中到一个中心点来实现网络的连接。这种工作方式也被称为“星型拓扑”。
具体来说，集线器有多个端口，每个端口可以连接到一个网络设备（如计算机、打印机等）。当其中一个设备发送数据时，集线器会将这个数据广播到所有其他连接的设备。这样，集线器的作用类似于一个中转站，它负责将一个设备发送的数据传递给所有其他设备。
- 集线器的英文称为“Hub”。“Hub”是“中心”的意思，集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。
交换机

交换机是一种网络设备，用于连接和管理计算机网络中的各种设备。它在网络中的作用类似于集线器，但相比之下，交换机具有更高级的功能和性能。
通俗易懂地解释交换机：
网络的交通管制官：想象一下，网络就像一座城市的交通网络，而交换机就是城市的交通管制官。交换机负责管理和调度网络中的数据流量，确保信息能够准确、高效地从一个地方传送到另一个地方。
有钥匙的邮箱：假设网络中的每个设备都是一个邮箱，而交换机就像是城市中的邮局。每个邮箱都有一个独特的“钥匙”（MAC地址），交换机知道每个设备的位置，就像邮局知道每个邮箱的地址一样。当一个设备想要发送信息给另一个设备时，交换机就像是邮局，根据“钥匙”将信息准确地送到目的地。
避免拥堵的道路管理者：交换机还可以智能地管理数据流量，就像道路管理者一样。它会观察哪条路径上的交通较少，然后选择最快的路线，避免网络拥堵。
一对一传送服务：不同于集线器，交换机具有“一对一”传送服务。当一台设备发送数据时，交换机只将数据传送到目标设备，而不是广播给整个网络。这提高了网络的效率，减少了冲突。
- 交换机（Switch）意为“开关”是一种用于电（光）信号转发的网络设备。，它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以太网交换机。
网桥
- 两个端口的交换机

数据链路层的通信协议

冲突域和广播域

注（网段概念）：

网段：
- 网段是指在计算机网络中，由于特定的网络配置，一组具有相同网络地址的设备所组成的一个逻辑分区。在IPv4协议中，网络地址由网络号和主机号组成，而同一网络号的设备被认为在同一个网络段内。
- 网段是网络划分的逻辑概念，而实际上网络中的设备是通过子网掩码来判断彼此是否属于同一网段。
- 在一个网络中，通过设定相同的子网掩码，可以将设备分为若干个网段，每个网段内的设备共享相同的网络地址前缀。
- 网段的划分有助于提高网络的管理和性能，因为不同的网段可以有不同的网络策略和配置。
举例：
假设有一个IPv4网络，其中有IP地址为192.168.1.1和192.168.1.2的两台计算机。如果它们的子网掩码是255.255.255.0，那么它们属于同一个网段（因为网络地址是192.168.1.0），因此可以直接通信。如果有另外一组设备的IP地址是192.168.2.1和192.168.2.2，它们属于另一个网段，与第一组设备的网段是分开的。
冲突域

定义：冲突域是指在网络中，由于共享同一段物理介质（比如一根电缆），多个设备之间可能发生数据冲突的范围。
通俗解释：想象一条狭窄的桥，如果多辆车同时想通过，就可能发生交通拥堵和碰撞。在网络中，如果多个设备共享同一根电缆或介质，它们之间可能发生数据冲突，这个范围就是冲突域。
- 交换机的每一个端口都是一个冲突域；冲突域只能发生在一个网段
广播域

定义：广播域是指一个网络中能够收到同一份广播消息的所有设备的集合。
通俗解释：想象一下，当你在一个房间里大声说话，整个房间里的人都能听到。在网络中，发送广播消息就像在房间里大声说话，所有在同一个广播域内的设备都能收到这个消息。
- 交换机的所有端口都在一个广播域；广播域在一个或多个网段内发生。
区别
- 1、广播域可以跨网段
  2、在冲突域中所有的数据传输都是以广播形式；在广播域中，只有广播帧才会被所有主机接收。
  3、冲突域是基于第一层（物理层），而广播域是机于第二层（数据链路层）。
  4、HUB 所有端口都在同一个广播域，冲突域内。Swith所有端口都在同一个广播域内，而每一个端口就是一个冲突域。

虚拟局域网（实验）

VLAN（Virtual Local Area Network）即虚拟局域网，是将一个物理的LAN在逻辑上划分成多个广播域的通信技术。VLAN内的主机间可以直接通信，而VLAN间不能直接通信，从而将广播报文限制在一个VLAN内。
优点和目的
- 1.划分广播域
- 2.增强局域网的安全性
- 3.提高健壮性
- 4.灵活构建工作组
划分VLAN的方式
- 基于端口
  - 给交换机的每个接口配置不同的PVID，当一个数据帧进入交换机接口时，如果没有带VLAN标签，且该接口上配置了PVID，那么，该数据帧就会被打上接口的PVID。如果进入的帧已经带有VLAN标签，那么交换机不会再增加VLAN标签，即使接口已经配置了PVID。
    - Access
      - 只允许通过一个VLAN
    - Trunk
      - 允许通过多个VLAN
    - hybird
- 基于子网
  - 配置好子网与VLAN映射表，如果交换设备收到的是untagged（不带VLAN标签）帧，交换设备根据报文中的源IP地址信息，确定添加的VLAN ID。将指定网段或IP地址发出的报文在指定的VLAN中传输，减轻了网络管理者的任务量，且有利于管理。
- 基于MAC地址
  - 先配置好MAC地址和VLAN ID映射关系表，当终端用户的物理位置发生改变，不需要重新配置VLAN。提高了终端用户的安全性和接入的灵活性。
- 基于协议
  - 将网络中提供的服务类型与VLAN相绑定，方便管理和维护。需要对网络中所有的协议类型和VLAN ID的映射关系表进行初始配置。需要分析各种协议的地址格式并进行相应的转换，消耗交换机较多的资源，速度上稍具劣势。
- 基于匹配策略
  - 先在交换机上配置好终端的MAC地址和IP地址，并与VLAN关联。只有符合条件的终端才能加入指定VLAN。符合策略的终端加入指定VLAN后，严禁修改IP地址或MAC地址，否则会导致终端从指定VLAN中退出。

CSMA/CD

CSMA/CD即载波侦听多路访问/冲突检测，是广播型信道中采用一种随机访问技术的竞争型访问方法，具有多目标地址的特点。总线型网络传输数据
四大要点
- 1.先听再发
- 2.边听边发
- 3.冲突停止
- 4.延迟后发

PPP

点对点通信是一对一信道，因此不会发生碰撞，因此比较简单，采用PPP协议；其中PPP协议就是用户计算机和ISP(互联网服务提供商)进行通信时使用的数据链路层的协议
PPP 最初设计是为两个对等节点之间的 IP 流量传输提供一种封装协议。

CRC

循环冗余校验
是数据通信领域中最常用的一种查错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。循环冗余检查（CRC）是一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备也执行类似的算法，以保证数据传输的正确性和完整性。