1、数据链路的作用

??数据链路层的协议定义了通过通信媒介互连的设备之间传输的规范。通信媒介包括双绞线电缆、同轴电缆、光纤、电波以及红外线等介质。此外各个设备之间也会通过交换机、网桥、中继器等中转数据。

数据链路层的作用.png

（1）数据链路层和网络层分段的差异

??数据链路的段是指一个被分割的网络，从网络层面看，不过数据链路有多少段，网络逻辑层面依然是一个段，而中继器就是连接网络中多个段的设备。

数据链路的段.png

（2）网络拓扑

??网络的连接和构成的形态成为网络拓扑。
??常见的网络拓扑有：总线型、星型、环型、网状型、混合型。

网络拓扑.png

2、数据链路层的信道

??数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

① 点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。
② 广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。

2.1 使用点对点信道的数据链路层

链路跟数据链路的区别

??链路，就是从一个结点到相邻结点的一端物理线路（有线或无线），中间没有任何其他交换结点。
??数据链路，当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输，把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。

3、数据链路相关的技术

（1）MAC 地址

??MAC 地址用于识别数据链路层中的节点。

MAC地址.png

??MAC 地址 48 比特，在使用网卡的情况下，MAC 地址一般会烧入到 ROM 中，任何一个网卡的 MAC 地址都是唯一的，格式如下：

MAC地址格式.png

（2）根据通信介质对网络分类

??从通信介质的使用方法上，网络可分为共享介质型网络和非共享介质型网络。

• 共享介质型网络

??共享介质型网络指多个设备共享一个通信介质的一种网络。最早的以太网和 FDDI 解释介质共享型网络。在这种方式下，设备之间使用同一个载波信道进行发送和接收，使用半双工的通信方式（不能同时发送和接收数据），物理介质一般是同轴电缆。

??共享介质型网络中有两种介质访问方式：争用方式、令牌传递方式。

① 争用方式

??使用 CSMA/CD （载波监听多路访问/碰撞检测）协议，该协议要求每个站提前检查冲突，一旦发生冲突，则尽早释放信道，工作原理：

• 如果载波信道上没有数据流动，则任何站都可以发送数据；
• 检查是否会发生冲突。一旦发生冲突，放弃发送数据，同时立即释放载波信道；
• 放弃发送以后，随机延时一段时间，再重新争用介质，重新发送帧。

CSMACD工作原理.png

② 令牌传递方式

??令牌传递方式是沿着令牌环发送一种 “令牌” 的特殊报文，是控制传输的一种方式，只有获得令牌的站才能发送数据。

??优点：不会有冲突，每个站都有通过平等循环获得令牌的机会，即使网络拥堵也不会导致性能下降。
??缺点：站在没有收到令牌之前不能发送数据，数据链路的利用率达不到100%。

令牌传递方式.png

• 非共享介质型网络

??不共享介质，对介质采取专用的一种传输方式。网络中每个站通过双绞线直连交换机，由交换机转发数据帧，采用全双工通信方式，发送端和接收端不共享通信介质。

优点：不需要 CSMA/CD 机制就能实现更高效的通信，可以通过交换机的高级特性构建虚拟局域网（VLAN）、进行流量控制等。
缺点：一旦交换机发生故障，与之相连的所有计算机都无法通信。

8-非共享介质型网络.png

（3）网桥的自学习

??网桥是在数据链路层上连接两个网络的设备，而交换集线器的每个端口都可以看成是一个网桥，交换集线器也叫做以太网交换机。

??网桥会根据数据链路层中数据帧的目标 MAC 地址，决定从哪个网络接口发送数据，参考、用以发送接口的表叫地址转发表，该表记录了 MAC 地址跟端口的映射关系，表中的数据是通过自学习获得的。

??自学习的过程：数据链路层的每个点在接到包时，会从中将源 MAC 地址以及曾经接收该发送的数据包的接口作为对应关系记录到转发表中。

交换机的自学原理.png

??交换集线器的局限性：MAC 地址没有层次性，当整个数据链路中的网络设备增加时，转发表也会随之变大，检索表所用的时间也越来越长。当连接多个终端时，有必要将网络分成多个数据链路，采用类似网络层的 IP 地址一样对地址进行分层管理。

（4）环路检测技术

??网桥连接网络时，一旦出现环路可能导致数据帧被反复转发，这种数据帧积累过多可能导致网络瘫痪。

网桥环路.png

??解决环路问题，有生成树法和源路由法。

• 生成树法

??每个网桥必须在每 1~10 秒内互相交换 BPDU（Bridge Protocol Data Unit）包，从而判断哪些端口使用哪些不使用，以便消除环路。一旦发生故障，则自动切换通信线路，启用没有被使用的端口继续进行传输。

生成树法.png

缺点：发生故障时，切换网络需要几十秒的时间。使用 RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）的方法能将恢复时间缩短到几秒。

• 源路由法

??判断发送数据的源地址是通过哪个网桥实现传输的，并将帧写入 RIF（Routing Information Field），网桥根据 RIF 发送帧给目标地址，因此网桥中即使出现了环路，数据帧也不会被反复转发，可成功送到目标地址。

（5）VLAN

??使用带 VLAN 功能的网桥，可以在修改网络拓扑结构时，不用实际改变网络布线。带 VLAN 功能的交换机按照其端口划分了多个网段，从而区分了广播数据传播的范围、减少了网络负载并提高了网络的安全性。

简单VLAN.png

??而连接异构网络时，要使用具有路由功能的三层交换机才能实现通信，TAG VLAN 支持这种跨越异构交换机的网段，每个网段中可能包含了多个异构网段的站点，用一个 VLAN ID 的标签来唯一标识。

TAG-VLAN.png

3、以太网

??在众多数据链路中最为著名、使用最为广泛的莫过于以太网，他的规范简单，易于 NIC 及驱动程序实现，以太网卡相对其他网卡，价格也比较低廉，这促进了以太网自身的普及，现在以太网已成为最具兼容性与未来发展性的一种数据链路。

（1）以太网的连接形式

??在以太网普及之初，一般采用多台终端使用同一根同轴电缆的共享介质型连接方式。

初期以太网.png

??而现在，随着互连设备的处理能力以及传输速度的提高，一般都采用终端与交换机之间独占电缆的方式实现以太网通信。

现代以太网.png

（2）以太网的分类

??10BASE 中 “10”、100BASE 中的 “100”、1000BASE 中的 “1000” 以及10GBASE 中的 “10G” 分别指 10Mbps、100Mbps、1Gbps 以及 10Gbps 的传输速度。而追加在后面的 “5”、“2”、“T”、“F” 等字符表示的是传输介质，一般数字表示用同轴电缆，T 表示用双绞线，F以及其他字母一般表示光纤。

以太网的主要分类和特点.png

（3）以太网的帧格式

??首先以太网帧前端有一个前导码的部门，它由0、1数字交替组合而成，表示一个以太网帧的开始，也是对端网卡能够确保与其同步的标志。

以太网帧前导码.png

??以太网帧本体的前段是以太网的首部，它总共占 14 个字节。分别是 6 个字节的目标 MAC 地址、6 个字节的源 MAC 地址以及 2 个字节的上层协议类型。

以太网帧格式.png

4、PPP

??PPP（Point-to-Point Protocol）是指点对点，即 1 对 1 连接计算机的协议。PPP 是纯粹的数据链路层的协议，与物理层没有任何关系，但是仅有 PPP 无法实现通信，还需要有物理层的支持。

（1）LCP 和 NCP

??PPP 包含了 LCP（Link Control Protocol）和 NCP（Network Control Protocol）协议。

• LCP

    在开始进行数据传输前，要先建立一个 PPP 级的连接，当这个连接建立以后就可以进行身份认证、压缩和加密。LCP 主要负责建立和断开连接、设置最大接收单元（MRU，Maximum Receive Unit）、设置验证协议以及设置是否进行通信质量的监控。
  

• NCP

    NCP 负责 IP 地址设置以及是否进行 TCP/IP 首部压缩等设备。
  

PPP连接.png

（2）PPP 的帧格式

PPP的帧格式.png

（3）PPPoE

PPPoE.png