CCNA C7 数据链路层Word格式文档下载.docx

1、帧 数据链路层 PDU节点 在第 2 层对连接到公共介质的网络设备的称谓媒体/介质（物理）* 用于在两个节点之间传输信息的物理手段网络（物理）* 连接到公共介质的两个或多个节点数据链路层负责通过物理网络的介质在节点之间交换帧。* 必须理解本章节内容中的“介质”的含义。在本文中，这个词是指实际传送代表所传输数据的信号的物质。介质是用于传输信号的铜线、光纤或大气。本章中的介质 （media） 和谈及数字内容和多媒体时用到媒体 （media） 一词不同，后者指诸如音频、动画、电视和视频之类的内容编排。* 物理网络不同于逻辑网络。逻辑网络是在安排分层编址方案时在网络层定义的。物理网络表示公共介质上各设

2、备的互连。有时，物理网络也称作网段。第 $PAGEVAR 页 2:上层对介质的访问如前文所述，网络模型可以使各个层的正常运作极少受其它层功能的影响。数据链路层负责将数据放置到网络上并从网络接收数据，从而缓解了上层的压力。该层提供了各种服务来支持数据传输经过的各介质的通信过程。在任意指定的网络层数据包交换过程中，可能存在多次数据链路层和介质的转换。在路径沿途的每一跳上，中间设备（通常为路由器）从介质接收帧、解封帧，然后将数据包重新封装在适合该段物理网络介质的新帧中，再转发出去。请试想一下两台远程主机（如在巴黎的 PC 与在日本的 Internet 服务器）之间的数据通信。尽管两台主机可能通过对等

3、点网络层协议（如 IP）来相互通信，但是很可能使用了多种数据链路层协议才能使 IP 数据包通过各种 LAN 和 WAN 网络进行传输。两台主机之间的这类数据包交换需要数据链路层上必须有多种不同的协议。路由器中的每次转换都可能需要不同的数据链路层协议，这样才能在新介质中传输。请注意，图中各设备之间的每条链路均使用了不同的介质。PC 与路由器之间是以太网链路。各路由器是通过卫星链路相连，而笔记本电脑是通过无线链路连接到最后一个路由器。在本示例中，在 IP 数据包从 PC 传送到笔记本电脑的过程中，它将被封装为以太网帧，再经过解封、处理，然后封装为新的数据链路帧穿过卫星链路。对于最终链路，数据包将使

4、用从路由器到笔记本电脑的无线数据链路帧。数据链路层有效隔离了上层中的通信过程，避免了可能发生的端对端介质转换。从上层协议（在本示例中，为 IPv4 或 IPv6）接收数据包或把数据包发往该协议，都无需知道通信将使用何种介质。如果没有数据链路层，则网络层协议（如 IP）必须提供连接到传送路径中可能存在的各种类型介质所需的连接。而且，每当系统开发出一种新的网络技术或介质时，IP 必须做出相应调整。此过程会妨碍协议和网络介质的创新和发展。这是采用分层式方法进行联网的主要原因。数据链路层的服务范围必须包括当前使用的所有介质类型以及访问它们的方法。鉴于数据链路层所提供通信服务的数量，很难归纳出它们的功能

5、并提供一组通用服务的示例。因此，请注意：任意指定协议可能支持，也可能不支持所有此类数据链路层服务。网间基础知识 - MTU - 7.1.2 数据链路层 控制通过本地介质的传输第 2 层协议指定了将数据包封装成帧的过程，以及用于将已封装数据包放置到各介质上和从各介质获取已封装数据包的技术。用于将帧放置到介质上和从介质获取帧的技术称为介质访问控制方法。对于通过多种不同介质传输的数据，各通信过程可能需要不同的介质访问控制方法。在数据包从本地主机传送到远程主机的过程中，其遇到的各种网络环境可能具有不同的特性。例如，某个网络环境可能是由在对等的基础上争相访问网络介质的多台主机组成的。而另一个环境可能是由

6、两个设备之间的直接连接组成的，数据就是通过此连接井然有序地按比特顺序流动。数据链路层协议所描述的介质访问控制方法定义了网络设备访问网络介质的过程以及在不同网络环境中传输帧的过程。作为终端设备的节点使用适配器来连接到网络。例如，要连接到 LAN，设备将使用适当的网络接口卡 （NIC） 来连接到 LAN 介质。适配器管理着成帧和介质访问控制的方式。在类似路由器这样的设备中，介质类型可能会因各种连入的网络而变，此时系统将使用路由器上的不同物理接口把数据包封装到适当的帧中，并使用适当的介质访问控制方式来访问各条链路。图中的路由器具有连接到 LAN 的一个以太网接口和连接到 WAN 的一个串行接口。在处

7、理帧的过程中，路由器将使用数据链路层服务从某个介质接收帧，再将它解封到第 3 层 PDU，然后将 PDU 重新封装到新帧中，再将帧放到网络下一链路的介质中。 7.1.3 数据链路层 创建帧帧是每个数据链路层协议的关键要素。数据链路层协议需要控制信息才能使协议正常工作。控制信息可能提供以下信息：哪些节点正在相互通信各节点之间开始通信和结束通信的时间节点通信期间发生了哪些错误接下来哪些节点会参与通信数据链路层使用帧头和帧尾将数据包封装成帧，以便经本地介质传输数据包。与本课程中讨论过的其他 PDU 不同，数据链路层帧包括：数据 来自网络层的数据包帧头 包含控制信息（如编址信息）且位于 PDU 开头位

8、置帧尾 包含添加到 PDU 结尾处的控制信息我们将在本章后续内容中更加详细地论述这些帧要素。转换数据格式以供传输当数据在介质上传输时，它会转换成比特流（即 1 和 0）。如果节点要接收很长的比特流，它如何确定帧的起始位置和停止位置以及哪些位代表地址？成帧技术将比特流拆分成可破解的多个分组，且将控制信息作为不同字段值插入帧头和帧尾中。此格式使物理信号具备能被节点接收且可在目的地解码成数据包的一种结构。典型字段类型包括：开始和停止指示字段 帧的开始和结束限制命名或编址字段类型字段 包含在帧中的 PDU 的类型控制 流量控制服务数据字段 帧负载（网络层数据包）帧结尾处的字段形成了帧尾。这些字段的用途

9、是错误检测和标示帧的结束。并非所有协议均包含全部此类字段。特定数据链路协议的标准定义了实际帧格式。我们将在本章结束时讨论帧格式示例。7.1.4 数据链路层 将上层服务连接到介质数据链路层是其上各层的软件进程与其下的物理层之间的连接层。因此，它使网络层数据包做好通过各种介质（铜缆、光纤或大气）向外传输的准备。在许多情况下，数据链路层均是物理实体（如以太网网络接口卡 （NIC），它会插入计算机的系统总线中并将计算机上运行的软件进程与物理介质相连。但是，网卡并不仅是一个物理实体。与网卡相关的软件可使网卡执行中间功能，即准备好传输数据并将数据编码为可在相关介质上发送的信号。数据链路子层为支持各式各样的

10、网络功能，数据链路层通常拆分成两个子层：上子层和下子层。上子层定义了向网络层协议提供服务的软件进程。下子层定义了硬件所执行的介质访问进程。通过将数据链路层拆分成两个子层，上层定义的一类帧将可以访问下层定义的不同类型的介质。在许多 LAN 技术（包括以太网）中，均是如此。两种常见 LAN 子层为：逻辑链路控制逻辑链路控制 （LLC） 放入帧中的信息用于确定帧所使用的网络层协议。此信息允许多个第 3 层协议（如 IP 和 IPX）使用相同的网络接口和介质。介质访问控制介质访问控制 （MAC） 根据介质的物理信号要求和使用的数据链路层协议类型，提供数据链路层编址和数据分界方法。7.1.5 数据链路层

11、 标准与 TCP/IP 的上层协议不同，数据链路层协议通常不是由请求注解 （RFC） 定义的。Internet 工程任务组 （IETF） 虽然维护着 TCP/IP 协议族上层的工作协议和服务，但它没有定义该模型的网络接入层的功能和操作。TCP/IP 网络接入层相当于 OSI 数据链路层和物理层。我们将在单独的章节中具体讨论这两层。数据链路层中的工作协议和服务是由工程组织（如 IEEE、ANSI 和 ITU）和通信公司描述的。工程组织设置公共开放式标准和协议。通信公司可能设置和使用私有协议以利用新的技术进步或市场机会。数据链路层服务和规范是按基于各种技术的多种标准和各协议所应用的介质定义的。某些

12、此类标准集成了第 2 层和第 1 层服务。定义适用于数据链路层的开放式标准和协议的工程组织包括：国际标准化组织 （ISO）电气电子工程师协会 （IEEE）美国国家标准学会 （ANSI）国际电信联盟 （ITU）与大多数在软件（如主机操作系统或特定应用程序）中执行的上层协议不同，数据链路层进程将在软件和硬件中执行。该层中的各协议的实施位置为连接设备和物理网络的网络适配器电子元件。例如，计算机上实施数据链路层的设备为网络接口卡 （NIC）。对于笔记本电脑，通常使用无线 PCMCIA 适配器。每个此类适配器均是遵循第 2 层标准和协议的硬件。http:/www.iso.org/www.ieee.org

13、/www.ansi.org/www.itu.int7.2 介质访问控制技术7.2.1 将数据放到介质上规范数据帧在介质上的放置的方法称为介质访问控制。 在数据链路层协议的各种实施中，有多种控制介质访问的方法。这些介质访问控制技术定义了节点是否以及如何共享介质。介质访问控制相当于规范机动车上路的交通规则。缺少介质访问控制就等同于车辆无视所有其他行人车辆，自顾自地直接进入道路。但是，并非所有道路和入口都相同。车辆可通过并道、在停车信号处等待轮到自己或通过遵循信号灯来进入道路。驾驶员需遵循每种入口的不同规则集。同理，用于规范将帧放入介质中的方法也有很多种。数据链路层上的协议定义了访问不同介质的规则。

14、某些介质访问控制方法使用高度可控过程来确保帧可安全放置到介质上。这些方法是按各种复杂协议定义的，它们所需的机制会给网络带来开销。所用的介质访问控制方法取决于：介质共享 节点是否以及如何共享介质拓扑 节点之间的连接如何显示在数据链路层中7.2.2 针对共享介质的介质访问控制在某些网络拓扑中，多个节点共享一个公共介质。在某一时刻，可能有多个设备尝试通过网络介质发送和接收数据。有多种规则可管理这些设备共享介质的方式。对于共享介质，有两种基本介质访问控制方法：受控 每个节点各自都有使用介质的时间争用 所有节点自由竞争介质的使用权请单击图中的选项卡，查看两种方法的不同之处。受控访问共享介质如果使用受控访

15、问方法，网络设备将依次访问介质。此方法也称为定期访问或确定性访问。如果设备不需要访问介质，则使用介质的机会将传递给等待中的下一设备。如果某个设备将帧放到介质上，则直到该帧到达目的地并被处理后，其它设备才能将帧放到介质上。尽管受控访问秩序井然且提供可预测的吞吐量，但确定性方法效率过低，因为每个设备必须等待轮到自己才能使用介质。争用访问共享介质“争用”也称为非确定性访问，它允许任意设备在它有需要发送的数据时尝试访问介质。为防止在介质上造成混乱，这些方法使用载波侦听多路访问 （CSMA） 过程先检测一下介质是否正在传送信号。如果在介质上检测到来自另一节点的载波信号，则表示另一设备正在进行传输。如果尝

16、试传输的设备发现介质处于忙碌状态，它将等待并在稍后重试。如果未检测到载波信号，设备将开始传输数据。以太网和无线网络使用“争用”介质访问控制方法。CSMA 过程也可能发生故障，两个设备将会同时传输。这称为数据冲突。如果发生数据冲突，两个设备发送的数据会损坏且需重新发送。争用介质访问控制方法没有受控访问方法的开销。因而不需要用于跟踪轮到哪个设备访问介质的机制。但是，争用系统在介质使用率高的情况下无法很好地扩展。随着节点使用率和数量的增加，没有冲突地成功访问的概率不断降低。此外，由于这些冲突降低了吞吐量，需提供恢复机制来纠正错误。CSMA 通常与用于解决介质争用的方法配合使用。两种常用方法为：载波侦

17、听多路访问/冲突检测在载波侦听多路访问/冲突检测 （CSMA/CD） 中，设备监视介质中是否存在数据信号。若无数据信号，则表示介质处于空闲状态，设备可传输数据。如果随后检测到另一设备此时正在进行传输，所有设备将停止发送并在稍后重试。传统的以太网形式便是使用此方法。载波侦听多路访问/冲突避免在载波侦听多路访问/冲突避免 （CSMA/CA） 中，设备会检查介质中是否存在数据信号。如果介质空闲，设备将通过它想要使用的介质发送通知。然后，设备开始发送数据。802.11 无线联网技术即是使用此方法。注：第 9 章将详细介绍 CSMA/CD。7.2.3 针对非共享介质的介质访问控制将帧放置到介质上之前，针

18、对非共享介质的介质访问控制协议需要少量甚至不需要控制。这些协议具有更简单的介质访问控制规则和过程。点对点拓扑即是如此。在点对点拓扑中，介质仅互连两个节点。在这种情况下，节点无需与其它主机共享介质，或者确定帧的发送目的地是否为该节点。因此，数据链路层协议几乎不需要控制非共享介质的访问。全双工和半双工在点对点连接中，数据链路层必须考虑通信为半双工还是全双工。半双工通信表示设备可以通过该介质发送和接收，但无法同时执行这两个操作。以太网已建立仲裁规则，以解决多个站点尝试同时传输所产生的冲突。在全双工通信中，两个设备均可以同时通过介质进行发送和接收。数据链路层假定介质随时可供两个节点实现传输。因此，数据

19、链路层中不需要介质仲裁。只能通过学习特定协议来研究特定介质访问控制技术的详细信息。在本课程中，我们将学习使用 CSMA/CD 的传统以太网。其它技术将在稍后的课程中介绍。7.2.4 逻辑拓扑与物理拓扑网络拓扑是指网络设备及它们之间的互连布局或关系。我们可以从物理和逻辑两个角度来看网络拓扑。物理拓扑是节点与它们之间的物理连接的布局。表示如何使用介质来互连设备即为物理拓扑。我们将在本课程的后续章节中进行具体介绍。逻辑拓扑是网络将帧从一个节点传输到另一节点的方法。此布局由网络节点之间的虚拟连接组成，与其物理布局无关。这些逻辑信号路径是按数据链路层协议定义的。在控制对介质的数据访问时，数据链路层“看见

20、”的是网络的逻辑拓扑。正是逻辑拓扑在影响网络成帧和介质访问控制的类型。网络的物理或电缆拓扑很可能不同于逻辑拓扑。网络的逻辑拓扑与用于管理网络访问的机制密切相关。访问方法提供了用于管理网络访问的程序，以便所有站点均具有访问权限。如果多个实体共享同一介质，则必须使用某些机制来控制访问。需针对网络应用访问方法以规范该介质访问。稍后将详细介绍访问方法。网络中常用的逻辑拓扑和物理拓扑包括：点对点多路访问环以下各节将介绍这些拓扑的逻辑部署和相关介质访问控制方法。7.2.5 点对点拓扑点对点拓扑将两个节点直接连接在一起（如图所示）。在使用点对点拓扑的数据网络中，介质访问控制协议将非常简单。介质上的所有帧只能

21、在两个节点间传来传去。某端的节点将帧放置到介质上，然后，点对点线路另一端的节点从介质取走帧。在点对点网络中，如果数据一次只能向一个方向流动，其功能即为半双工链路。如果从各节点发出的数据能同时在链路中成功通行，则为全双工链路。数据链路层协议本可以为逻辑点对点拓扑提供更精密的介质访问控制进程，但那只会增加一些不必要的协议开销。逻辑点对点网络从物理上来说，点对点网络中通信的终端节点可以通过多种中间设备连接起来。但是，在网络中使用物理设备并不会影响逻辑拓扑。如图所示，距离较远的源节点和目的节点彼此可以间接相连。在某些情况下，节点间的逻辑连接形成了虚电路。虚电路是在网络中的两个网络设备间创建的逻辑连接。

22、虚电路两端上的节点相互交换帧。即使通过中间设备传输帧，情况也同样如此。虚电路是某些第 2 层技术使用的重要逻辑通信模型。数据链路协议使用的介质访问方法取决于逻辑点对点拓扑，而非物理拓扑。这表示两个节点间的逻辑点对点连接可能并不一定存在于某个物理链路各端的两个物理节点之间。7.2.6 多路访问拓扑逻辑多路访问拓扑使多个节点可通过使用相同的共享介质相互通信。在某一时刻，可将来自某个节点的数据放置到介质上。每个节点都可以看见介质上的所有帧，但是只有帧的目的节点可处理帧内容。要使多个节点共享访问介质，需使用数据链路介质访问控制方法来规范数据传输，并因此减少不同信号之间的冲突。逻辑多路访问拓扑使用的介质

23、访问控制方法通常为 CSMA/CD 或 CSMA/CA。但是，也可使用令牌传递方法。此类逻辑拓扑可使用多种介质访问控制技术。数据链路层协议指定了介质访问控制方法，以在帧控制、帧保护以及网络开销之间提供适当平衡。请播放动画，查看在多路访问拓扑中节点如何访问介质。7.2.7 环拓扑在逻辑环拓扑中，各节点依次接收帧。若帧并非发往该节点，它将把帧传递到下一节点。这将允许环使用一种受控介质访问控制技术，称为令牌传递。逻辑环拓扑中的节点从环中取下帧，检查地址，如果它并非发往该节点则将它发回环上。在环中，源节点和目的节点之间的环一周的所有节点都会检查该帧。可在逻辑环中使用的介质访问控制技术有许多种，具体取决

24、于所需的控制级别。例如，介质一次只传送一个帧。若无传输数据，信号（称为令牌）可放置在介质上，节点只有在拥有令牌后才能将数据帧放置到介质上。请记住，数据链路层“看见”的是逻辑环拓扑。实际物理布线拓扑可能是另一种拓扑。请播放动画，查看在逻辑环拓扑中节点如何访问介质。7.3 介质访问控制寻址和成帧数据7.3.1 数据链路层协议 帧请记住，虽然有许多描述数据链路层帧的不同数据链路层协议，但每种帧均都有三个基本组成部分：帧头数据帧尾所有数据链路层协议均将第 3 层 PDU 封装于帧的数据字段内。但是，由于协议的不同，帧结构以及帧头和帧尾中包含的字段会存在差异。数据链路层协议描述了通过不同介质传输数据包所

25、需的功能。协议的此类功能已集成到帧封装中。当帧到达目的地，数据链路协议从介质上取走帧后，就会读取成帧信息并将其丢弃。没有一种帧结构能满足通过所有类型介质的全部数据传输需求。如图所示，根据环境的不同，帧中所需的控制信息量也相应变化，以匹配介质和逻辑拓扑的介质访问控制需求。7.3.2 成帧 帧头的功能如图所示，帧头包含了数据链路层协议针对使用的特定逻辑拓扑和介质指定的控制信息。帧控制信息对于每种协议均是唯一的。第 2 层协议使用它来提供通信环境所需的功能。典型帧头字段包括：帧首字段 表示帧的起始位置源地址和目的地址字段 表示介质上的源节点和目的节点优先级/服务质量字段 表示要处理的特殊通信服务类型类型字段 表示帧中包含的上层服务逻辑连接控制字段 用于在节点间建立逻辑连接物理链路控制字段 用于建立介质链路流量控制字段 用于开始和停止通过介质的流量拥塞控制字段 表示介质中的拥塞以上字段名称是作为示例列出的非特定字段。不同数据链路层协议可能使用其中的不同字段。由于数据链路层协议的目的和功能与特定拓扑和介质相关，因此必须研究每种协议以详细理解其帧结构。我们会在本课程中讨论各种协议，因而可了解更多有关帧结构的信息。7.3.3 编址 帧的去向数据链路层提供了通过共享本地介质传输帧时要用到的编址方法。此层中的设备