第三章： 數據鏈路層
1. 數據鏈路層使用的信道主要有兩種類型：點對點信道（一對一的點對點通信方式），廣播信道（一對多的廣播通信方式）
2. 從整個互聯網來看，局域網仍屬於數據鏈路層範圍
3. 點對點信道最常用的點對點協議PPP
4. 數據鏈路層的三個基本問題：封裝成幀、透明傳輸和差錯檢測
5. 兩臺主機通過互聯網進行通信時數據鏈路層所處地位如圖
（注意路由器在轉發分組時使用的協議棧只有下面的三層，根據所使用的路由選擇協議的不同，也有可能需要使用運輸層協議），
鏈路路徑：H1的鏈路層-R1的鏈路層-R2的鏈路層-R3的鏈路層-H2的鏈路層
H1-R1,R1-R2,R2-R3,R3-H2這四段不同的鏈路層可能採用不同的數據鏈路層協議
3.1 使用點對點信道的數據鏈路層
3.1.1 數據鏈路和幀
1. 鏈路：是指從一個結點到相鄰結點的一段物理線路（有線或無線），而中間沒有任何其他的交換結點。
2. 數據鏈路：在一條線路上傳輸數據時，除了必須有一條物理線路外，還必須有一些必要的通信協議來控制這些數據的傳輸，若把實現這些協議的硬件和軟件加到鏈路上，就構成了數據鏈路，現在最常用的方法是使用網絡適配器（既有硬件，也包括軟件）來實現這些協議，一般的適配器都包括了數據鏈路層和物理層這兩層功能
3. 點對點信道的數據鏈路層的協議數據單元：幀
4. 網絡層協議數據單元：IP數據報（或簡稱爲數據報、分組或包）
5. 點對點信道的數據鏈路層主要通信步驟
（1）結點A的數據鏈路層把網絡層交下來的IP數據報添加首部和尾部封裝成幀
（2）結點A把封裝好的幀發送給結點B的數據鏈路層
（3）若結點B的數據鏈路層收到的幀無差錯，則從收到的幀中提取出IP數據報交給上面的網絡層；否則丟棄這個幀
3.1.2 三個基本問題（封裝成幀、透明傳輸和差錯檢測）
（1） 封裝成幀
1. 封裝成幀：就是在一段數據的前後分別添加首部和尾部，這樣就構成了一個幀
2. 幀長：幀長 = 幀的數據部分長度 + 幀首部長度 + 幀尾部長度 （提高幀的傳輸效率應使幀的數據部分長度儘可能大）
3. 首部和尾部作用：（1）幀定界-確定幀的界限，（2）包含必要的控制信息
4. 最大傳輸單元MTU：鏈路層協議規定的所能傳送的幀的數據部分長度上限 （如linux上可以去/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth0下查看或配置）
5. 幀定界符：當數據是可打印的ASCII碼（ASCII碼是7位編碼，共可組成128種不同的ASCII碼，其中可打印的有95個，而不可打印的控制字符有33個）組成的文本文件時，幀定界可以使用特殊的幀定界符
6. 可打印字符：即可以從鍵盤上輸入的字符（因而也是可打印的），我們使用的標準鍵盤有47個鍵可輸入94個字符，加上空格鍵共95個
7. 帶有SOH和EOT的纔是一個完整的幀（start of header/end of transmission）
（2）透明傳輸
1. 所傳輸的數據中的任何8bit的組合一定不允許和用作幀定界的控制字符的bit編碼一樣，否則出現幀定界錯誤
2. 透明傳輸：當傳送的幀是用文本文件組成的幀時（文本文件種字符都是從鍵盤輸入的），其數據部分顯然不會出現像SOH/EOT這樣的幀定界控制字符，可見不管從鍵盤上輸入什麼字符都可以放在這樣的幀中傳輸過去，因此這樣的傳輸就是透明傳輸。
3. 數據部分是非ASCII碼的文本文件時（如二進制代碼的計算機程序或圖像等），數據部分某字節的二進制可能和SOH/EOT控制字符一樣，此時會錯誤的接收幀並丟棄剩下部分。
4. 透明：表示某一個實際存在的事物看起來卻好像不存在一樣（如我們看不見我們前面有塊100%透明的玻璃一樣）
5. 字節（符）填充：將數據部分可能出現的控制字符SOH/EOT前面插入轉義字符ESC，如果轉義字符也包含在數據當中，解決辦法是在轉義字符前再插入一個轉義字符。
（3）差錯檢測
1. 比特差錯：比特在傳輸過程中可能會產生差錯-1可能變爲0，0也可能變爲1
2. 誤碼率BER：傳輸錯誤的比特佔所傳輸比特總數的比率。誤碼率與信噪比有很大關係。提高信噪比可減少誤碼率。
3. 爲提高數據傳輸可靠性，網絡傳輸數據時，必須採用各種差錯檢測措施，目前數據鏈路層廣泛使用的是循環冗餘校驗CRC。
4. CRC計算舉例：參考百度https://baike.baidu.com/item/%E5%BE%AA%E7%8E%AF%E5%86%97%E4%BD%99%E6%A0%A1%E9%AA%8C%E7%A0%81/10168758?fromtitle=CRC%E6%A0%A1%E9%AA%8C&fromid=3439037
5. 幀檢驗序列FCS：爲了進行檢錯而添加的冗餘碼（如CRC校驗碼）（注意CRC和FCS不是一個概念，CRC是一種檢錯方法，FCS是添加在數據後面的冗餘碼，且CRC不是唯一檢錯方法）
6. 模2運算：相當於異或操作
7. 傳輸無差錯，接收端CRC校驗後餘數肯定爲0（當然不排除餘數有非常非常小的概率爲0）
8. 目前廣泛使用的生成多項式：CRC-16，CRC-CCITT，CRC-32
9. 在數據鏈路層若僅僅用CRC，則只能做到對幀的無差錯接受，即凡是接收端數據鏈路層接受的幀，我們都能以非常接近於1的概率認爲這些幀在傳輸過程中沒有產生差錯。但這不是可靠傳輸，還要考慮到傳輸差錯。
10. 除了比特差錯，還有傳輸差錯：如幀丟失、幀重複、幀失序。
11. 可靠傳輸區別對待：對於通信質量良好的有線傳輸鏈路，數據鏈路層協議不適用確認和重傳機制，對於通信質量較差的無線傳輸鏈路，數據鏈路層協議使用確認和重傳機制。
3.2 點對點協議PPP
3.2.1 PPP協議的特點
1. 在通信線路質量較差的年代，在數據鏈路層使用可靠性傳輸協議如高級數據鏈路控制HDLC，但現在很少用了，目前最廣泛的是點對點協議PPP。
2. PPP協議是用戶計算機和ISP進行通信時所使用的數據鏈路層協議。
3. PPP協議是IETF在1992年制定的，1994年成爲互聯網的正式標準，RFC1661.
4. PPP協議應滿足的需求：
（1）簡單（對數據鏈路層的幀不糾錯，不需要序號，不需要控制流量，接收方每收到一個幀，就進行CRC檢驗，正確就收下這個幀，反之就丟棄）
（2）封裝成幀（PPP協議必須規定特殊的字符作爲幀定界符）
（3）透明性（數據中碰巧出現和幀定界符一樣的比特組合時，就必須採取有效措施解決）
（4）多種網絡層協議（PPP協議必須能夠在同一條物理鏈路上同時支持多種網絡層協議，如IP和IPX等）
（5）多種類型鏈路（除了支持多種網絡層協議外，還必須能夠在多種類型的鏈路上運行，串行的或並行的、同步的或異步的、低俗的或高速的、電的或光的等）
（6）差錯檢測（對接收端收到的幀進行檢測，並立即丟棄有差錯的幀，如不丟棄，該無用幀還會再網絡中轉發並浪費網絡資源）
（7）檢測連接狀態（檢測鏈路是否正常工作）
（8）最大傳輸單元（如高層協議發送的分組過長並超過MTU數值，PPP需要丟棄這樣的幀，MTU是數據鏈路層的幀可以載荷的數據部分最大長度，而不是幀的總長度）
（9）數據壓縮協商（PPP必須提供一種方法來協商使用數據壓縮算法）
5. PPPoE：1999年公佈的鏈路層協議，該協議將PPP幀再封裝在以太網幀中，數據傳輸速率較高，因此可讓多個連網用戶共享一條到ISP的寬帶鏈路（當然即便一個人用也是PPPoE協議），找到家裏網速慢的原因了，哈哈！
6. TCP/IP協議族中，可靠性傳輸由運輸層的TCP協議負責，因此數據鏈路層的PPP協議不需要進行糾錯，不需要設置序號，不需要流量控制，PPP不支持多點線路，且只支持全雙工鏈路。
7. PPP協議三個組成部分
（1）一個將IP數據報封裝到串行鏈路的方法
（2）一個用來建立、配置和測試數據鏈路連接的鏈路控制協議LCP
（3）一套網絡控制協議NCP
8. MTU默認值是1500字節，在RFC1661中MTU叫做最大接收單元MRU，TCP的早期版本也叫做NCP，這個NCP和PPP協議組成的NCP不是一回事
3.2.2 PPP協議的幀格式
1. PPP幀首部四個字段，尾部兩個字段，首部第一字段和尾部第二個字段都是標誌字段（爲0x7E），標誌字段表示一個幀的開始和結束，因此標誌字段就是PPP幀的定界符。具體格式參考下圖
2. 字節填充：處理信息字段中出現的和標誌字段一樣的比特，比如異步傳輸時，添加各種轉義字符，發送端填充，接收端去除。
3. 零比特填充：PPP協議用在SONET/SDH鏈路時，使用同步傳輸，此時採用該方法實現透明傳輸。
4. PPP協議的工作狀態：
3.3 使用廣播信道（一對多的通信）的數據鏈路層
1. 局域網特點：網絡爲一個單位所擁有，且地理範圍和站點數目均有限。
2. 局域網優點：廣播功能、便於擴展、提高系統的可靠性可用性和生存性。
3. 局域網傳輸媒體：雙絞線->光纖。
4. 共享信道兩個方法：靜態劃分信道（代價高，不適合局域網）、動態媒體接入控制（又稱多點接入，非固定分配，分爲隨機接入-碰撞和受控接入-輪詢兩類）。
5. 以太網兩個標準：DIX Ethernet V2（世界上第一個局域網產品規約）、IEEE 802.3（如圖3-14，把數據鏈路層拆爲邏輯鏈路控制LLC子層和媒體接入控制MAC子層，目前各廠商僅裝有MAC協議而沒有LLC協議）。
6. 適配器：主機箱內插入的一塊網絡接口板，又稱網卡（即網絡接口卡NIC），上面裝有處理器和存儲器（RAM/ROM），與局域網之間通信通過電纜或雙絞線以串行方式進行，與計算機之間通信通過計算機主板I/O總線以並行方式進行。
7. 適配器功能（作用）：進行數據串行傳輸和並行傳輸的轉換。
8. 計算機硬件地址在適配器ROM中，計算機軟件地址（IP地址）在計算機存儲器中。如圖3-15.
9. 總線的特點：當一臺計算機發送數據時，總線上的所有計算機都能檢測到這個數據，即廣播通信方式。
10. 爲了通信簡便以太網採取的兩種措施：CSMA/CD協議（載波監聽多點接入/碰撞檢測，同一時間只允許一臺計算機發送數據）、以太網發送的數據都使用曼徹斯特編碼的信號（如圖3-16，缺點是頻帶寬度比原始的基帶信號增加了一倍）。
11. 傳播時延對載波監聽的影響，如圖3-17.
12. 使用CSMA/CD協議時，一個站不可能同時進行發送和接收（但必須邊發送邊監聽信道），即不可能進行全雙工通信只能進行雙向交替通信（半雙工通信）。
13. 以太網使用截斷二進制指數退避算法來確定碰撞後重傳的時機。
14. 雙絞線以太網總是和集線器配合使用的。
15. 以太網信道被佔用的情況：如圖3-21.
16. 硬件地址又稱物理地址或MAC地址（因爲這種地址用在MAC幀中）。
17. 局域網的“地址”應當是每一個站的“名字”或標識符。（6個字節48位，IEEE標準還有個2字節16位，但是2字節對於全球範圍內的局域網適配器不夠用）
18. IEEE的註冊管理機構RA是局域網全球地址的法定管理機構，它負責分配地址字段的6各字節中的前三個字節（即高24位，世界所有廠商都需要向IEEE購買這3個字節構成的地址塊-組織唯一標識符OUI），低24位（即擴展標識符，有2的24次方）由廠家自行指派。
19. 存在部分廠商不願向IEEE的RA購買OUI，爲此IEEE把地址字段第一字節的最低第二位規定爲G/L位，G/L爲0時是全球管理（全球沒有相同地址，廠商購買的OUI都是全球管理），G/L爲1是本地管理，以太網不理會這個G/L位。
20. MAC地址分配總有用完時間，預測2020年前不會耗盡。
21. 適配器有過濾功能，從網絡上每收到一個MAC幀就先用硬件檢查MAC幀中的目的地址，如果是發往本站的則收下，反之丟棄。
22. 發往本站的幀分三種：單播幀（一對一，幀MAC地址與本站MAC地址相同）、廣播幀（一對全體，全1地址）、多播幀（一對多，發送本局域網上部分站點的幀）。
23. 混雜模式：只要“聽到”有幀在以太網上傳輸就悄悄接收下來，而不管這些幀發送哪個站。即黑客所謂的“竊聽”，有利也有弊。（比如有種網絡工具叫嗅探器就使用了設置爲混雜方式的網絡適配器）
24. 以太網V2的MAC幀格式：如圖3-22.
