数据链路的作用及相关技术
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数据链路的作用
数据链路，指OSI参考模型中的数据链路层，有时也指以太网、无线局域网 等通信手段。
TCP/IP中对于OSI参考模型的数据链路层及以下部分（物理层）未作定义。
因为TCP/IP以这两层的功能是透明的为前提。然而，数据链路的知识对于深人 理解TCP/IP与网络起着至关重要的作用。
数据链路层的协议定义了通过通信媒介互连的设备之间传输的规范。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。此外，各个设备 之间有时也会通过交换机、网桥、中继器等中转数据。
实际上，各个设备之间在数据传输时，数据链路层和物理层都是必不可少的。
众所周知，计算机以二进制0、1来表示信息，然而实际的通信媒介之间处理的却 是电压的高低、光的闪灭以及电波的强弱等信号。把这些信号与二进制的0、1进 行转换正是物理层的责任。数据链路层处理的数据也不是单纯的 0、1序列，该层把它们集合为一个叫做“帧＂的块，然后再进行传输。
数据链路的段
数据链路的段是指一个被分割的网络。然而根据使用者不同，其含 义也不尽相同。例如，引入中继器将两条网线相连组成一个网络。
这种情况下有两条数据链路：
从网络层的概念看，它是一个网络（逻辑上)即，从网络层的 立场出发，这两条网线组成一个段。
从物理层的概念看，两条网线分别是两个物体（物理上）即， 从物理层的观点出发，一条网线是一个段。
网络拓扑
网络的连接和构成的形态称为网络拓扑(Topology)。网络拓扑包括 总线型、环型、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。两者有时可能会不一致。而目前实际的网络都是由这些简单的拓扑结 构错综复杂地组合而成的。
MAC地址
MAC地址用千识别数据链路中互连的节点。以太网或FDDI中，根 据IEEE802. 3的规范使用MAC地址。其他诸如无线LAN (IEEE802. lla/b/g/n 等）、蓝牙等设备中也是用相同规格的MAC地址。
MAC地址长48比特,结构如图所示。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地址都是唯一的,在全世界都不会有重复。
MAC地址中3 -24位（比特位）表示厂商识别码，每个NIC厂商都有特定唯 一的识别数字。25 -48位是厂商内部为识别每个网卡而用。因此，可以保证全世 界不会有相同MAC地址的网卡。
IEEE802. 3制定MAC地址规范时没有限定数据链路的类型，即不论哪种数据 链路的网络（以太网、FDDI、ATM、无线LAN、蓝牙等），都不会有相同的MAC 地址出现。
例外情况：MAC地址不一定是唯一的
在全世界，MAC地址也并不总是唯一的。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。
例如，人们可以在微机板上自由设置自己的MAC地址。再例如，一 台主机上如果启动多个虚拟机，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。
但是，无论哪个协议成员通信设备，设计前提都是MAC地址的唯一 性。这也可以说是网络世界的基本准则。
共享介质型网络
从通信介质（通信，介质）的使用方法上看，网络可分为共享介质型和非共 享介质型。
共享介质型网络指由多个设备共享一个通信介质的一种网络。最早的以太网 和FDDI就是介质共享型网络。在这种方式下，设备之间使用同一个载波信道进 行发送和接收。为此，基本上采用半双工通信方 式，并有必要对介质进行访问控制。
共享介质型网络中有两种介质访问控制方式：一种是争用方式，另一种是令 牌传递方式。
争用方式
争用方式(Contention)是指争夺获取数据传输的权力,也叫CSMA (载波监听多路访问)。
这种方法通常令网络中的各个站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。也因此会导致网络拥堵与性能下降。
在一部分以太网当中，采用了改良CSMA的另一种方式：CSMA/CD方 式。CSMA/CD要求每个站提前检查冲突，一旦发生冲突，则尽早释放信道。其具 体工作原理如下：
- 如果载波信道上没有数据流动，则任何站都可以发送数据。
- 检查是否会发生冲突。一旦发生冲突时，放弃发送数据，同时立即释放 载波信道。
- 放弃发送以后，随机延时一段时间，再重新争用介质，重新发送帧。
令牌传递方式
令牌传递方式是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。
这种方式有两个特点：一是不会 有冲突，二是每个站都有通过平等循环获得令牌的机会。因此，即使网络拥堵也 不会导致性能下降。
当然，这种方式中，一个站在没有收到令牌前不能发送数据帧，因此在网络 不太拥堵的情况下数据链路的利用率也就达不到100%。为此，衍生了多种令牌 传递的技术。例如，早期令牌释放、令牌追加等方式以及多个令牌同时循环等 方式。这些方式的目的都是为了尽可能地提高网络性能。
非共享介质网络
非共享介质网络是指不共享介质，是对介质采取专用的一种传输控制方式。
在这种方式下，网络中的每个站直连交换机，由交换机负责转发数据帧。此方式 下，发送端与接收端并不共享通信介质，因此很多情况下采用全双工通信方式 。
不仅ATM采用这种传输控制方式，最近它也成为了以太网的主流方式。通过 以太网交换机构建网络，从而使计算机与交换机端口之间形成一对一的连接，即 可实现全双工通信。在这种一对一连接全双工通信的方式下不会发生冲突，因此 不需要CSMA/CD的机制就可以实现更高效的通信。
该方式还可以根据交换机的高级特性构建虚拟局域网(VLAN, Virtual LAN)、进行流量控制等。当然，这种方式也有一个致命的弱点，那就是一旦交换机发生故障，与之相连的所有计算机之间都将无法通信。
半双工与全双工通信
半双工是指，只发送或只接收的通信方式。它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。
而全双工不同，它允许在同 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。
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。
同样是以太网，在使用交换机与双绞线电缆（亦或光纤电缆） 的情况下，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。
根据MAC地址转发（介质共享网络中的交换集线器）
在使用同轴电缆的以太网(lOBASES、10BASE2)等介质共享网络中，同一 时间只能有一台主机发送数据。当连网的主机数量增加时，通信性能会明显下降。 若将集线器或集中器等设备以星型连接，就出现了一款新的网络设备——交换集 线器，这是一种将非介质共享型网络中所使用的交换机用在以太网中的技术，交 换集线器也叫做以太网交换机。
以太网交换机就是持有多个端口的网桥。它们根据数据链路层中每个帧的 目标MAC地址，决定从哪个网络接口发送数据。这时所参考的、用以记录发送接 口的表就叫做转发表(Forwarding Table)。
这种转发表的内容不需要使用者在每个终端或交换机上手工设置，而是可以 自动生成。数据链路层的每个通过点在接到包时，会从中将源MAC地址以及曾经 接收该地址发送的数据包的接口作为对应关系记录到转发表中。以某个MAC地址 作为源地址的包由某一接口接收，实质上可以理解为该MAC地址就是该接口的目 标。因此也可以说，以该MAC地址作为目标地址的包，经由该接口送出即可。这 一过程也叫自学过程。
由千MAC地址没有层次性，转发表中的入口个数与整个数据链路中所有网 络设备的数量有关。当设备数量增加时，转发表也会随之变大，检索转发表所用 的时间也就越来越长。当连接多个终端时，有必要将网络分成多个数据链路，采 用类似于网络层的IP地址一样对地址进行分层管理。
交换机转发方式
交换机转发方式有两种，一种叫存储转发，另一种叫直通转发。
存储转发方式检查以太网数据帧末尾的FCS位后再进行转发。因 此，可以避免发送由于冲突而被破坏的帧或噪声导致的错误帧。
直通转发方式中不需要将整个帧全部接收下来以后再进行转发。只 需要得知目标地址即可开始转发。因此，它具有延迟较短的优势。但同 时也不可避免地有发送错误帧的可能性。
环路检测技术
通过网桥连接网络时，一旦出现环路该如何处理？这与网络的拓扑结构和所 使用的网桥种类有直接关系。最坏的情况下，数据帧会在环路中被一而再再而三 地持续转发。而一旦这种数据帧越积越多将会导致网络瘫痪。
为此，有必要解决网络中的环路问题。具体有生成树与源路由两种方式。
如 果使用具有这些功能的网桥，那么即使构建了一个带有环路的网络，也不会造成 那么严重的问题。只要搭建合适的环路，就能分散网络流量，在发生某一处路由 故障时选择绕行，可以提高容灾能力。
生成树方式
该方法由IEEE802. lD定义。每个网桥必须在每1-10秒内相互交换BPDU (Bridge Protocol Data Unit)包，从而判断哪些端口使用哪些不使用，以便消除环 路。一旦发生故障，则自动切换通信线路，利用那些没有被使用的端口继续进行 传输。
例如，以某一个网桥为构造树的根(Root) , 并对每个端口设置权重。这一权 重可以由网络管理员适当地设置，指定优先使用哪些端口以及发生问题时该使用 哪些端口。
生成树法其实与计算机和路由器的功能没有关系，但是只要有生成树的功能 就足以消除环路。
IEEE802. 1D中所定义的生成树方法有一个弊端，就是在发生故障切换网络时 需要几十秒的时间。为了解决这个用时过长的问题，在IEEE802. lW中定义了一 个叫RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol)的方法。该方法能将发生问题时的恢复 时间缩短到几秒以内。
源路由法
源路由法最早由IBM提出，以解决令牌环网络的问题。该方式可以判断发送数据的源地址是通过哪个网桥实现传输的，并将帧写入RIF (Routing Information Field)。网桥则根据这个RIF信息发送帧给目标地址。
因此，即使网桥 中出现了环路，数据帧也不会被反复转发，可成功地发送到目标地址。在这种机 制中发送端本身必须具备源路由的功能。
VLAN
进行网络管理的时候，时常会遇到分散网络负载、变换部署网络设备的位置 等情况。而有时管理员在做这些操作时，不得不修改网络的拓扑结构，这也就意 味着必须进行硬件线路的改造。然而，如果采用带有VLAN技术的网桥，就不用 实际修改网络布线，只需修改网络的结构即可。VLAN技术附加到网桥/2层交换 机上，就可以切断所有VLAN之间的所有通信。因此， 相比一般的网桥/2层交换机，VLAN可以过滤多余的包，提高网络的承载效率。
那么VLAN究竟是什么？该交换机按照其端口区分了多个网 段，从而区分了广播数据传播的范围、减少了网络负载并提高了网络的安全性。 然而异构的两个网段之间，就需要利用具有路由功能的交换机（如3层交换机）， 或在各段中间通过路由器的连接才能实现通信。
对这种VLAN进行了扩展，又定义了IEEE802. lQ的标准（也叫TAG VLAN), 该标准允许包含跨越异构交换机的网段。TAG VLAN中对每个网段都用 一个VLAN ID的标签进行唯一标识。在交换机中传输帧时，在以太网首部加入这 个VID标签，根据这个值决定将数据帧发送给哪个网段。
随着VLAN技术的应用，不必再重新修改布线，只要修改网段即可。当然， 有时物理网络结构与逻辑网络结构也可能会出现不一致的情况，导致不易管理。 为此，应该加强对网段构成及网络运行等的管理。