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「TCP/IP」計算機網絡之傳輸層

「TCP/IP」計算機網絡之體系結構

「TCP/IP」計算機網絡之鏈路層

1、協議

數據鏈路層協議有許多種，但是有三個基本問題則是共同的：封裝成幀、透明傳輸和差錯檢測。

1.1 封裝成幀

所有在因特網上傳送的數據都是以IP數據報為傳送單位的，網絡層的IP數據報傳送到數據鏈路層就成為幀的數據部分，在幀的數據部分的前面和后面添加上首部和尾部，構成一個完整的幀。

每一種鏈路層協議都規定了幀的數據部分的長度上線——最大傳送單元MTU（Maximum Transfer Unit）。

1.2 透明傳輸

透明傳輸，即無論什么樣的比特流都能夠通過數據鏈路層傳輸。

幀的開始和結束標記是專門指明的控制字符，因此，所傳輸的數據中的任何8比特組合一定不允許和這些控制字符的編碼相同，否則就會出現幀的定界錯誤。

解決這種矛盾的方法是，將數據中可能出現的控制字符的前面插入轉義字符“ESC”，而在接收端再刪除該轉義字符，這種方法被稱為字節填充。

1.3 差錯檢測

現實的通信線路都不會是理想的，比特在傳輸過程中可能會產生差錯：1可能會變成0，0也可能會變成1。為了保證數據傳輸的可靠性，必須采用各種差錯檢測措施。目前在數據鏈路層廣泛使用的是循環冗余檢驗CRC（Cyclic Redundancy Check）。

2、點對點協議PPP

對于點對點的鏈路，PPP（Point-to-Point Protocol）是目前使用最廣泛的數據鏈路層協議。

我們知道，因特網用戶通常都要連接到某個ISP才能接入到因特網。PPP協議就是用戶計算機和ISP進行通信時所使用的數據鏈路層協議。

PPP協議由三個部分組成：

一個將IP數據報封裝到串行鏈路的方法。

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（Link Control Protocol）。

一套網絡控制協議NCP（Network Control Protocol）。

當用戶撥號接入ISP后，就建立了一條從用戶PC機到ISP的物理連接。這時，用戶PC機向ISP發送一系列的LCP分組（封裝成多個PPP幀），以便建立LCP連接。這些分組及其響應選擇了將要使用的一些PPP參數。接著還要進行網絡層配置，NCP給新接入的用戶PC機分配一個臨時的IP地址。這樣，用戶PC機就成為一個擁有IP地址的主機了。

當用戶通信完畢時，NCP釋放網絡層連接，收回原來分配出去的IP地址。接著，LCP釋放數據鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。

3、局域網的數據鏈路層

局域網最主要的特點是：網絡為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數目均有限。

局域網具有廣播功能，從一個站點可很方便地訪問全網，局域網上的主機可共享連接在局域網上的各種硬件和軟件資源。局域網按照拓撲結構可分為總線結構、環型結構、星型結構、網狀結構、樹型結構以及混合型結構。

4、以太網

以太網最初是美國施樂公司研制的基于基帶總線的局域網，以曾經在歷史上表示傳播電磁波的以太（Ether）來命名。

DIX Ethernet V2 是世界上第一個局域網產品（以太網）的規約，在此基礎上，IEEE制定了了802.3 標準，DIX Ethernet V2 標準與 IEEE 的 802.3 標準只有很小的差別，因此可以將 802.3 局域網簡稱為“以太網”。

為了使數據鏈路層能更好地適應多種局域網標準，802 委員會就將局域網的數據鏈路層拆成兩個子層：

邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層

媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層

與接入到傳輸媒體有關的內容都放在 MAC子層，而 LLC 子層則與傳輸媒體無關，不管采用何種協議的局域網對LLC 子層來說都是透明的。

以太網在局域網市場中已取得了壟斷地位，并且幾乎成了局域網的代名詞，由于因特網發展很快而TCP/IP體系中經常使用的局域網只剩下DIX Ethernet V2而不是IEEE 802.3 標準中的局域網，因此現在802委員會制定的邏輯鏈路控制子層LLC的作用已經消失了，很多廠商生產的適配器上僅裝有MAC協議而沒有LLC協議。

計算機與外界局域網的連接是通過適配器。適配器上裝有處理器和存儲器，適配器和局域網之間的通信是通過電纜或雙絞線以串行傳輸方式進行的，而適配器和計算機之間的通信則是通過計算機主板上的I/O總線以并行傳輸方式進行的。因此，適配器的一個重要功能就是要進行數據串行傳輸和并行傳輸的轉換。

適配器接收和發送各種幀時不使用計算機的CPU。當適配器收到正確的幀時，它就使用中斷來通知該計算機并交付給協議棧中的網絡層；當計算機要發送IP數據報時，就由協議棧把IP數據報向下交給適配器，組裝成幀后發送到局域網。

需要注意，計算機的硬件地址就在適配器的ROM中，而計算機的IP地址則在計算機的存儲器中。

5、CSMA/CD協議

為了通信的簡便，以太網采取了以下兩種措施：

第一，采用無連接的工作方式，即不必先建立連接就可以直接發送數據。因此，以太網提供的服務是不可靠的交付，而是盡最大努力的交付。

第二，以太網發送的數據都是用曼徹斯特編碼的信號。

我們知道，總線上只要有一臺計算機在發送數據，總線的傳輸資源就被占用，因此，在同一時間只能允許一臺計算機發送信息，否則各計算機之間就會相互干擾，結果大家都無法正常發送數據。

以太網采用的協調方法是使用一種特殊的協議CSMA/CD，即載波監聽多點接入/碰撞檢測（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）。

“多點接入”就是說明這是總線型網絡，許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上，協議的實質是“載波監聽”和“碰撞檢測”。

“載波監聽”就是“發送前先監聽”，即每一個站在發送數據前先要檢測一下總線上是否有其他站在發送數據，如果有，則要等到信道空閑時再發送。

“碰撞檢測”就是“邊發送邊監聽”，即適配器邊發送數據邊檢測信道上的信號電壓的變化情況，以便判斷自己在發送數據時其他站是否也在發送數據。一旦發生了碰撞，適配器就要立即停止發送。

顯然，在使用CSMA/CD協議時，一個站不可能同時進行發送與接收，因此使用CSMA/CD協議的以太網不可能進行全雙工通信而只能進行半雙工通信。

6、MAC地址

在局域網中，硬件地址又稱為物理地址，或 MAC 地址。

IEEE 802標準為局域網規定了一種48位的全球地址，是指局域網上的每一臺計算機中固化在適配器的ROM中的地址。

IEEE 的注冊管理機構 RA 負責向廠家分配地址字段的前三個字節(即高位 24 位)。地址字段中的后三個字節(即低位 24 位)由廠家自行指派，稱為擴展標識符，必須保證生產出的適配器沒有重復地址。

適配器有過濾功能，適配器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，如果是發往本站的幀則收下，否則丟棄。發往本站的幀包括以下三種幀：

單播幀，即收到的幀的MAC地址與本站的硬件地址相同。

廣播幀，即發送給本局域網上所有站點的幀。

多播幀，即發送給本局域網上一部分站點的幀。

以太網最常用的是以太網 V2 格式的MAC幀，格式如下：

由五個字段組成。前兩個字段為目的地址和源地址。第三個字段是類型字段，用來標識上一層使用的是什么協議，以便把收到的MAC幀的數據上交給上一層的這個協議。第四個字段是數據字段，最后一個是幀檢驗序列FCS（使用CRC檢驗）。

7、局域網的擴展

7.1 集線器

使用集線器（hub）可以在物理層擴展局域網：

優點

使原來屬于不同碰撞域的局域網上的計算機能夠進行跨碰撞域的通信。

擴大了局域網覆蓋的地理范圍。

缺點

碰撞域增大了，但總的吞吐量并未提高。

如果不同的碰撞域使用不同的數據率，那么就不能用集線器將它們互連起來。

7.2 網橋

在數據鏈路層擴展局域網是使用網橋(network bridge)。

網橋工作在數據鏈路層，它根據 MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉發。

網橋具有過濾幀的功能。當網橋收到一個幀時，并不是向所有的接口轉發此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然后再確定將該幀轉發到哪一個接口。

優點

過濾通信量。

擴大了物理范圍。

提高了可靠性。

可互連不同物理層、不同 MAC 子層和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太網）的局域網

缺點

存儲轉發增加了時延。

在MAC 子層并沒有流量控制功能。

具有不同 MAC 子層的網段橋接在一起時時延更大。

網橋只適合于用戶數不太多(不超過幾百個)和通信量不太大的局域網，否則有時還會因傳播過多的廣播信息而產生網絡擁塞。這就是所謂的廣播風暴。

7.3 交換機

以太網交換機通常都有十幾個接口。因此，以太網交換機實質上就是一個多接口的網橋，可見交換機工作在數據鏈路層。

對于普通 10 Mb/s 的共享式以太網，若共有 N 個用戶，則每個用戶占有的平均帶寬只有總帶寬(10 Mb/s)的 N 分之一。使用以太網交換機時，雖然在每個接口到主機的帶寬還是 10 Mb/s，但由于一個用戶在通信時是獨占而不是和其他網絡用戶共享傳輸媒體的帶寬，因此對于擁有 N 對接口的交換機的總容量為 N * 10 Mb/s。這正是交換機的最大優點。

利用以太網交換機可以很方便地實現虛擬局域網，虛擬局域網 VLAN 是由一些局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組。每一個 VLAN 的幀都有一個明確的標識符，指明發送這個幀的工作站是屬于哪一個 VLAN。

虛擬局域網其實只是局域網給用戶提供的一種服務，而并不是一種新型局域網。

7.4 無線局域網

無線局域網常簡寫為WLAN（Wireless Local Area Network）。

1997年IEEE制定出無線局域網的協議標準802.11。是個相當復雜的標準，簡單來說，是以無線以太網的標準，使用星型拓撲，其中心叫作接入點AP（Access Point），在MAC層使用CSMA/CA協議。

凡使用系列協議的局域網又稱為Wi-Fi（Wireless-Fidelity，意思是“無線保真度”）。

標準規定無線局域網的最小構件是基本服務集BSS（Basic Service Set）。一個基本服務及BSS包括一個基站和若干移動站，所有的站在本BSS以內都可以直接通信，但在和本BSS以外的站通信時都必須通過本BSS的基站。

BSS中的基站就是接入點AP，當網絡管理員安裝AP時，必須為該AP分配一個不超過32字節的服務集標識符SSID（Service Set IDentifier）和一個信道。

一個BSS所覆蓋的地理范圍叫做一個基本服務區BSA（Basic Service Area），直徑一般不超過100米。

一個BSS可以是孤立的，也可以通過接入點AP連接到一個分配系統DS（Distribution System），然后再連接到另一個BSS，這樣就構成了一個擴展的服務集ESS（Extended Service Set）。ESS還可以為無線用戶提供到非802.x（非802.11無線局域網）的接入。這種接入是通過Portal來實現的。Portal的作用就相當于一個網橋。