TCP/IP之数据链路

如果没有数据链路层，基于TCP/IP的通信无从谈起。

数据链路层的协议定义了通过通信媒介互联的设备之间传输的规范。其中，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。数据链路层处理的数据不是单纯的二进制序列，而是它们的集合称为“帧”的块进行传输。

数据链路层的相关技术：MAC寻址、介质共享、非公有网络、分组交换、环路检测、VLAN等。

传输方式的数据链路：以太网、WLAN、PPP等

数据链路的段：是指一个被分割的网络。

网络拓扑：指网络的连接和构成的形态。拓扑类型包含了总线型、环形、星型、网状型等。拓扑一词不仅用于直观可见的配线方式上，也用于逻辑上网络的组成结构。

 

MAC地址

MAC地址用来识别数据链路中互连的节点。通过MAC地址判断目标地址。在总线型与环路型的网络中，先暂时获取所有目标站的帧，然后再通过MAC寻址。如果是发给自己的就接收，如果不是就丢弃（在令牌环的这种情况下，依次转发给下一个站）。

MAC 地址长48 比特，在使用网卡(NIC) 的情况下，MAC 地址一般会被烧入到ROM 中。因此，任何一个网卡的MAC 地址都是唯一，在全世界都不会有重复。

48比特即48位二进制表示的MAC地址，能表示的总量有2^48。MAC地址一般使用十六进制表示，那么表示的总量写法是16^12，也就是说十六进制变为了12位，每1位十六进制对应了4位二进制。例如：总共12位十六进制，每2位十六进制为一组，总共6组。

十六进制MAC地址实际在网络中的流动顺序：以组为顺序，靠前的一组先走，但是组内的2位换成的8位二进制需要转换前后顺序，也就是倒序流动。如下图：

MAC地址不唯一的例外情况：人们可以在微机板上自由设置自己的MAC地址；如果一台主机启动多个虚拟机，由于没有硬件的网卡只能由虚拟软件自己设定MAC 地址给多个虚拟网卡，这时就很难保证所生成的MAC 地址是独一无二的了。实际上，即使MAC 地址相同，只要不是同属一个数据链路就不会出现问题。

共享介质型网络

从通信介质的使用方法来看，网络可分为共享介质型和非共享介质型。

定义：指由多个设备共享一个通信介质的一种网络。

典型：以太网网络和FDDI网络

工作方式：设备之间使用同一个载波信道进行发送和接收。因此基本上采用半双工方式，并且要对介质进行访问控制。

介质访问控制的方式有两种：争用方式和令牌传递方式。

（1）争用方式

定义：指争夺获取数据传输的权力，也叫CSMA（载波监听多路访问）。

特点：网络中的各个站（数据链路的节点）采用先到先得的方式占用信道发送数据，如果多个站同时发送帧，则会产生冲突现象，会导致网络拥堵和性能下降。

原理：

（2）令牌传递方式

定义：沿着令牌环发送一种叫做“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。

特点：不会发生冲突，通过循环平等获得令牌的机会，网络拥堵也不会性能下降，网络宽松情况下，数据链路的利用率不能达到100%。

原理：

非共享介质网络

定义：指不共享介质，是对介质采取专用的一种传输控制方式，网络中的每个站直连交换机，由交换机负责转发数据帧。

工作方式：发送端和接收端不共享通信介质，大多数情况下采用全双工通信方式。

特点：不会发生冲突，不需要CSMA/CD机制，但是依赖交换机正常工作。

典型：ATM、以太网当前主流方式。

原理：

通信方式

半双工通信

定义：只发送或只接收的通信方式。类似于无线电收发器，若两端同时说话，是听不见对方说的话的。

举例：采用CSMA/CD 方式的以太网。首先要判断是否可以通信，如果可以就独占通信介质发送数据。因此，它像无线电收发器一样，不能同时接收和发送数据。

全双工通信

定义：允许在同一时间既可以发送数据也可以接收数据。类似于电话，接打双方可以同时说话。

举例：使用交换机与双绞线电缆（亦或光纤电缆）的以太网，既可以通过交换机的端口与计算机之间进行一对一的连接，也可以通过相连电缆内部的收发线路“分别进行接收和发送数据。因此，交换机的端口与计算机之间可以实现同时收发的全双工通信。

MAC寻址

以太网交换机：在使用同轴电缆（CSMA/CD）的共享介质型以太网网络中，同一时间只能有一台只能有一台主机发送数据。当连网的主机数量增加，通信新能明显下降。