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shug的笔记集合

数据链路层

Ethernet（以太网）介绍

概述

以太网（Ethernet）是一种广泛使用的局域网（LAN）技术，最初由Xerox公司在20世纪70年代开发。它定义了连接设备之间的数据传输标准，确保数据能够在局域网内高效、可靠地传输。以太网现已成为全球范围内最普遍的网络技术。

主要特点

  1. 高速度：现代以太网技术支持从10 Mbps（百万比特每秒）到100 Gbps（十亿比特每秒）甚至更高的数据传输速率。
  2. 易于部署：以太网硬件（如网卡、交换机、路由器）普遍可用，安装和配置相对简单。
  3. 可靠性：使用冗余结构和错误检测机制（如CRC校验），确保数据传输的可靠性和完整性。
  4. 扩展性：支持多种拓扑结构（星型、总线型、环型），适应不同规模的网络需求。

以太网的标准

以太网的标准由IEEE（电气电子工程师学会）802.3工作组定义。主要标准包括：

  1. 10BASE-T：10 Mbps，双绞线。
  2. 100BASE-TX（快速以太网）：100 Mbps，双绞线。
  3. 1000BASE-T（千兆以太网）：1 Gbps，双绞线。
  4. 10GBASE-T：10 Gbps，双绞线。
  5. 100GBASE-X：100 Gbps，多模/单模光纤。

以太网帧格式

以太网帧是以太网数据传输的基本单位。典型的以太网帧格式如下：

  1. 前导码 (Preamble)：7字节的10101010序列，用于同步发送和接收设备之间的时钟。
  2. 帧开始定界符 (SFD, Start Frame Delimiter)：1字节的10101011序列，标志帧的开始。
  3. 目标地址 (Destination MAC Address)：6字节，表示帧的接收设备的MAC地址。
  4. 源地址 (Source MAC Address)：6字节，表示发送设备的MAC地址。
  5. 类型/长度 (Type/Length)：2字节，指示网络层协议类型或帧长度。
  6. 数据和填充 (Data and Padding)：46-1500字节，包含实际传输的数据和必要的填充字节（如果数据小于46字节）。
  7. 帧校验序列 (FCS, Frame Check Sequence)：4字节，包含循环冗余校验（CRC）码，用于检测帧内的错误。

以太网帧格式图示：

+-----------+------+-------------------+----------------+----------------+----------------+----------------+----------------+
| Preamble  | SFD  | Destination MAC   | Source MAC     | Type/Length    | Data and      | Frame Check   |
| (7 bytes) | (1   | Address (6 bytes) | Address (6     | (2 bytes)      | Padding (46-  | Sequence (4   |
|           | byte)|                   | bytes)         |                | 1500 bytes)   | bytes)        |
+-----------+------+-------------------+----------------+----------------+----------------+----------------+

工作原理

  1. 介质访问控制：

    • CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)：传统以太网使用CSMA/CD机制，设备在发送数据前先监听网络，确保没有其他设备在发送。一旦检测到冲突，设备会停止发送，等待随机时间后重试。现代以太网多使用交换机，避免冲突。

  2. 交换和路由：

    • 交换机：通过交换机将设备连接在一起，交换机根据MAC地址表进行数据帧的转发，避免了冲突域，提升了网络性能。
    • 路由器：用于连接不同子网，将数据包在不同网络之间转发。

应用

以太网广泛应用于家庭、企业、数据中心等各种网络环境，支持有线和无线网络连接（如Wi-Fi）。它的高性能、可靠性和灵活性使其成为现代网络技术的基石。

PPP协议（Point-to-Point Protocol）介绍

概述

PPP（Point-to-Point Protocol，点对点协议）是一种数据链路层协议，主要用于在两个直接相连的网络节点之间传输多种网络层协议的数据。它广泛应用于拨号连接、专线连接和VPN连接等场景，提供了可靠的数据传输和多种网络层协议的封装支持。

主要特点

  1. 多协议支持：PPP支持多种网络层协议，包括IPv4、IPv6、IPX、AppleTalk等。
  2. 链路控制：PPP提供链路配置、维护和终止的机制，确保连接的稳定性和可靠性。
  3. 错误检测：PPP使用循环冗余校验（CRC）来检测数据传输中的错误。
  4. 身份验证：PPP支持多种身份验证方法，如PAP（Password Authentication Protocol）和CHAP（Challenge Handshake Authentication Protocol）。

PPP的组件

PPP协议由以下几个主要组件组成：

  1. PPP帧格式：定义了数据帧的结构，用于数据封装和传输。
  2. 链路控制协议 (LCP, Link Control Protocol)：用于配置、测试和管理数据链路连接。
  3. 网络控制协议 (NCP, Network Control Protocol)：用于配置和管理不同的网络层协议。

PPP帧格式

PPP帧格式包括以下字段：

  1. 标志 (Flag)：1字节，值为0x7E，表示帧的开始和结束。
  2. 地址 (Address)：1字节，通常设置为0xFF，表示广播地址。
  3. 控制 (Control)：1字节，通常设置为0x03，表示无编号帧。
  4. 协议 (Protocol)：2字节，指示封装的数据的协议类型（如IP、IPX等）。
  5. 信息 (Information)：可变长度，包含实际传输的数据。
  6. 帧校验序列 (FCS, Frame Check Sequence)：2或4字节，用于错误检测的CRC码。

PPP帧格式图示：

+--------+--------+--------+--------+----------------+--------+
|  Flag  | Address| Control|Protocol|   Information  |   FCS  |
|  (0x7E)|  (0xFF)|  (0x03)| (2 bytes)| (variable) | (2/4 bytes)|
+--------+--------+--------+--------+----------------+--------+

工作原理

  1. 链路建立：使用LCP建立、配置和测试数据链路。LCP协商各种选项，如最大传输单元（MTU）、压缩协议、认证协议等。
  2. 身份验证（可选）：使用PAP或CHAP进行身份验证，确保连接的合法性和安全性。
  3. 网络层协议配置：使用NCP配置和管理网络层协议，如IP协议的IPCP（IP Control Protocol）。
  4. 数据传输：在链路建立和配置完成后，开始数据的封装和传输。PPP帧在链路上进行传输，接收端进行解封装和处理。
  5. 链路终止：使用LCP终止数据链路，释放资源。

常见应用

  1. 拨号网络：PPP被广泛应用于拨号连接，提供稳定的点对点网络连接。
  2. 专线连接：PPP用于专线连接，如T1/E1、DSL等，提供可靠的数据传输。
  3. VPN：PPP结合隧道协议（如PPTP、L2TP）用于建立虚拟专用网络，实现远程安全连接。

身份验证方法

  1. PAP (Password Authentication Protocol)：一种简单的身份验证方法，用户名和密码以明文方式传输，安全性较低。
  2. CHAP (Challenge Handshake Authentication Protocol)：一种更安全的身份验证方法，通过质询-响应机制进行身份验证，避免明文传输密码。

优势与不足

优势：

  • 简单易用，配置灵活。
  • 支持多种网络层协议。
  • 提供链路控制和错误检测，确保数据传输的可靠性。
  • 支持身份验证，增强连接的安全性。

不足：

  • PAP安全性较低，易受攻击。
  • 相对于现代宽带连接，PPP的传输效率较低。

概述

HDLC（High-Level Data Link Control，高级数据链路控制）协议是一种面向比特的同步数据链路层协议，用于在点对点和多点网络连接中提供可靠的数据传输。它由国际标准化组织（ISO）定义，并成为多种网络协议的基础，如PPP和X.25。

主要特点

  1. 面向比特：HDLC是一种面向比特的协议，数据以位为单位进行传输和处理。
  2. 同步传输：使用同步通信方法，提供高效的带宽利用率。
  3. 可靠传输：通过错误检测和恢复机制，确保数据的完整性和可靠性。
  4. 灵活性：支持多种链路配置，包括点对点、点对多点和环形网络。

HDLC的帧类型

HDLC协议定义了三种类型的帧，每种帧用于不同的控制和数据传输功能：

  1. 信息帧 (I-frame)：用于传输用户数据和控制信息。
  2. 监督帧 (S-frame)：用于流量控制和错误恢复。
  3. 无编号帧 (U-frame)：用于链路管理和控制。

HDLC帧结构

HDLC帧由以下字段组成：

  1. 标志字段 (Flag)：7E（01111110），表示帧的开始和结束。
  2. 地址字段 (Address)：用于标识数据链路上的发送和接收设备。
  3. 控制字段 (Control)：用于管理数据传输过程，区分三种类型的帧。
  4. 信息字段 (Information)：包含实际传输的数据，仅用于I-frame。
  5. 帧校验序列 (FCS, Frame Check Sequence)：用于错误检测的CRC码。
  6. 标志字段 (Flag)：7E（01111110），表示帧的结束。

HDLC帧结构图示：

+--------+--------+--------+----------------+--------+--------+
|  Flag  | Address| Control|   Information  |   FCS  |  Flag  |
|  (0x7E)|        |        |   (optional)   |        |  (0x7E)|
+--------+--------+--------+----------------+--------+--------+

工作原理

  1. 链路建立：通信双方通过无编号帧（U-frame）建立和初始化链路。
  2. 数据传输：使用信息帧（I-frame）传输用户数据，监督帧（S-frame）进行流量控制和错误恢复。
  3. 链路维护：在传输过程中，通信双方通过无编号帧（U-frame）进行链路管理和维护。
  4. 链路终止：通信结束后，通过无编号帧（U-frame）释放链路资源。

流量控制和错误恢复

HDLC协议通过以下机制实现流量控制和错误恢复：

  1. 滑动窗口机制：使用滑动窗口协议控制数据帧的发送和确认，提高传输效率。
  2. 确认和重传：接收方通过监督帧（S-frame）确认接收到的数据帧，发送方在超时未收到确认时进行重传。
  3. 错误检测：使用帧校验序列（FCS）进行错误检测，确保数据传输的完整性。

HDLC的操作模式

HDLC定义了三种操作模式，以适应不同的网络拓扑和应用需求：

  1. 正常响应模式 (NRM, Normal Response Mode)：主站控制通信，次站只能在被轮询时发送数据，适用于主从结构的网络。
  2. 异步平衡模式 (ABM, Asynchronous Balanced Mode)：所有站点平等，可以主动发送数据，适用于点对点和环形网络。
  3. 异步响应模式 (ARM, Asynchronous Response Mode)：主站控制通信，次站在任何时间可以发送数据，适用于主从结构的网络，但比NRM更灵活。

应用

HDLC协议广泛应用于各种网络环境，包括：

  1. 广域网（WAN）：在广域网中，HDLC用于路由器和交换机之间的同步通信。
  2. 卫星通信：HDLC用于卫星通信中的数据传输，提供可靠的链路层控制。
  3. 工业控制：在工业自动化和控制系统中，HDLC用于设备之间的数据通信。

优势与不足

优势：

  • 面向比特的协议，适应性强。
  • 支持同步通信，带宽利用率高。
  • 提供可靠的数据传输和错误恢复机制。
  • 灵活的操作模式，适应多种网络拓扑。

不足：

  • 实现复杂度较高。
  • 需要同步时钟，适用于同步通信环境。
  • 对于低带宽和高延迟的网络，效率可能较低。

概述

LLC（Logical Link Control，逻辑链路控制）协议是数据链路层的上层子层，由IEEE 802.2标准定义。它在数据链路层和网络层之间提供接口，负责处理数据链路层的逻辑链路控制功能，支持多种网络协议在同一物理链路上传输。

主要功能

  1. 多协议支持：LLC使得同一物理网络可以同时传输多种网络层协议的数据，如IP、IPX等。
  2. 错误控制：LLC提供帧的错误检测和重传机制，确保数据的可靠传输。
  3. 流量控制：通过滑动窗口协议实现流量控制，防止发送方过快发送数据导致接收方缓存溢出。
  4. 链路管理：LLC管理逻辑链路的建立、维护和释放，确保数据链路层的正常运行。

LLC帧格式

LLC帧格式包括三个主要字段：目的服务访问点（DSAP）、源服务访问点（SSAP）和控制字段。以下是LLC帧的结构：

  1. DSAP (Destination Service Access Point)：1字节，指示目的网络层协议。
  2. SSAP (Source Service Access Point)：1字节，指示源网络层协议。
  3. 控制字段 (Control Field)：1或2字节，表示帧的类型和控制信息。
  4. 信息字段 (Information Field)：可变长度，包含实际传输的数据。
  5. 帧校验序列 (Frame Check Sequence, FCS)：用于错误检测。

LLC帧格式图示：

+------+------+-------------+----------------+------+
| DSAP | SSAP | Control     | Information    |  FCS |
| (1B) | (1B) | (1-2 Bytes) | (Variable)     | (4B) |
+------+------+-------------+----------------+------+

控制字段

LLC协议的控制字段根据帧的类型分为以下三种：

  1. 信息帧（I-frame）：用于传输用户数据和一些控制信息。控制字段包含发送序列号和接收序列号。
  2. 监督帧（S-frame）：用于流量控制和错误恢复。控制字段包含帧的功能码（如接收就绪、拒绝等）。
  3. 无编号帧（U-frame）：用于链路管理和控制。控制字段包含命令和响应的代码。

工作原理

  1. 链路建立：LLC在数据链路层建立逻辑连接，通过交换U-frame进行链路初始化和配置。
  2. 数据传输：使用I-frame传输用户数据，S-frame进行流量控制，确保数据传输的可靠性。
  3. 链路维护：在数据传输过程中，LLC通过U-frame和S-frame管理和维护逻辑链路。
  4. 链路终止：数据传输完成后，通过交换U-frame释放逻辑链路资源。

LLC操作模式

LLC协议定义了三种操作模式，以适应不同的网络需求：

  1. 无连接无确认服务（Type 1）：不建立连接，直接发送数据帧，不需要确认和重传。
  2. 面向连接服务（Type 2）：建立逻辑连接，传输数据时需要确认和重传，确保数据的可靠性。
  3. 无连接有确认服务（Type 3）：不建立连接，但每个数据帧需要接收方确认，提供基本的可靠性保证。

应用

LLC协议广泛应用于局域网（LAN），如以太网（Ethernet）、令牌环网（Token Ring）和无线局域网（WLAN）。它在这些网络中提供了灵活的多协议支持和可靠的数据传输。

优势与不足

优势：

  • 提供多协议支持，允许多个网络层协议在同一物理链路上传输。
  • 提供流量控制和错误恢复机制，确保数据传输的可靠性。
  • 灵活的操作模式，适应不同的网络需求。

不足：

  • 增加了协议栈的复杂性。
  • 在高吞吐量和低延迟要求的网络中，额外的控制和管理开销可能会影响性能。

MAC协议（Media Access Control）介绍

概述

MAC（Media Access Control，媒体访问控制）协议是数据链路层的子层之一，它负责在局域网（LAN）或广域网（WAN）中控制对物理传输介质的访问。MAC协议的主要目标是解决多设备共享同一通信介质时的冲突问题，确保数据能够有效且有序地传输。

主要功能

  1. 介质访问控制：确定网络设备何时可以发送数据，以避免数据包冲突。
  2. 地址标识：使用唯一的MAC地址标识网络中的每个设备。
  3. 帧封装和解封装：将数据封装成帧进行传输，并在接收端解封装。
  4. 错误检测：通过帧校验序列（FCS）进行数据传输中的错误检测。

MAC地址

每个网络接口卡（NIC）都有一个唯一的MAC地址，用于标识设备。MAC地址长度为48位（6字节），通常表示为十二个十六进制数，例如00:1A:2B:3C:4D:5E。

常见的MAC协议

以下是几种常见的MAC协议及其工作原理：

  1. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

    • 应用场景：主要用于以太网（Ethernet）。
    • 工作原理：
      1. 载波侦听：设备在发送数据前监听信道是否空闲。
      2. 多重访问：多个设备可以同时访问信道。
      3. 冲突检测：如果检测到冲突，停止发送数据，并等待随机时间后重试。

  2. CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

    • 应用场景：主要用于无线局域网（WLAN），如Wi-Fi。
    • 工作原理：
      1. 载波侦听：设备在发送数据前监听信道是否空闲。
      2. 冲突避免：通过等待一个随机退避时间来减少冲突的可能性。
      3. 确认机制：每次数据传输后需要接收方确认，以确保数据传输成功。

  3. 令牌环（Token Ring）

    • 应用场景：IBM的令牌环网络。
    • 工作原理：
      1. 令牌传递：网络中传递一个特殊的数据帧（令牌），只有持有令牌的设备才能发送数据。
      2. 冲突避免：通过令牌机制确保只有一个设备在任何时间可以发送数据，从而避免冲突。

  4. 时分多址（TDMA, Time Division Multiple Access）

    • 应用场景：蜂窝网络和卫星通信。
    • 工作原理：
      1. 时间分割：将信道分为多个时间片，每个设备在指定的时间片内发送数据。
      2. 同步传输：设备按照预定的时间表发送数据，避免冲突。

MAC帧结构

以太网MAC帧的基本结构如下：

  1. 前导码 (Preamble)：7字节的10101010序列，用于同步发送和接收设备之间的时钟。
  2. 帧开始定界符 (SFD, Start Frame Delimiter)：1字节的10101011序列，标志帧的开始。
  3. 目标地址 (Destination MAC Address)：6字节，表示帧的接收设备的MAC地址。
  4. 源地址 (Source MAC Address)：6字节，表示发送设备的MAC地址。
  5. 类型/长度 (Type/Length)：2字节，指示网络层协议类型或帧长度。
  6. 数据和填充 (Data and Padding)：46-1500字节，包含实际传输的数据和必要的填充字节（如果数据小于46字节）。
  7. 帧校验序列 (FCS, Frame Check Sequence)：4字节，包含循环冗余校验（CRC）码，用于检测帧内的错误。

以太网MAC帧结构图示：

+-----------+------+-------------------+----------------+----------------+----------------+----------------+
| Preamble  | SFD  | Destination MAC   | Source MAC     | Type/Length    | Data and      | Frame Check   |
| (7 bytes) | (1   | Address (6 bytes) | Address (6     | (2 bytes)      | Padding (46-  | Sequence (4   |
|           | byte)|                   | bytes)         |                | 1500 bytes)   | bytes)        |
+-----------+------+-------------------+----------------+----------------+----------------+----------------+

优势与不足

优势：

  • 提供有效的介质访问控制，减少数据冲突。
  • 支持多种网络拓扑结构，灵活性强。
  • 广泛应用于各种网络环境，如有线以太网和无线网络。

不足：

  • CSMA/CD在高负载下性能下降明显，适用于有线网络。
  • CSMA/CA由于需要等待和确认机制，可能导致延迟，适用于无线网络。
  • 令牌环网络复杂度高，成本较高，已逐渐被以太网取代。