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「TCP/IP」計算機網路之應用層

「TCP/IP」計算機網路之傳輸層

「TCP/IP」計算機網路之體系結構

「TCP/IP」計算機網路之鏈路層

1、協議

資料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資料都是以

IP資料報

為傳送單位的，網路層的IP資料報傳送到資料鏈路層就成為幀的資料部分，在幀的資料部分的前面和後面新增上首部和尾部，構成一個完整的

幀

。

每一種鏈路層協議都規定了幀的資料部分的長度上線——

最大傳送單元MTU

（Maximum Transfer Unit）。

1。2 透明傳輸

透明傳輸，即無論什麼樣的位元流都能夠透過資料鏈路層傳輸。

幀的開始和結束標記是專門指明的控制字元，因此，所傳輸的資料中的任何8位元組合一定不允許和這些控制字元的編碼相同，否則就會出現幀的定界錯誤。

解決這種矛盾的方法是，將資料中可能出現的控制字元的前面插入跳脫字元“ESC”，而在接收端再刪除該跳脫字元，這種方法被稱為

位元組填充

。

1。3 差錯檢測

現實的通訊線路都不會是理想的，位元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。為了保證資料傳輸的可靠性，必須採用各種差錯檢測措施。目前在資料鏈路層廣泛使用的是

迴圈冗餘檢驗CRC

（Cyclic Redundancy Check）。

2、點對點協議PPP

對於點對點的鏈路，

PPP

（Point-to-Point Protocol）是目前使用最廣泛的資料鏈路層協議。

我們知道，因特網使用者通常都要連線到某個ISP才能接入到因特網。PPP協議就是使用者計算機和ISP進行通訊時所使用的資料鏈路層協議。

PPP協議由三個部分組成：

一個將IP資料報封裝到序列鏈路的方法。

一個用來建立、配置和測試資料鏈路連線的

鏈路控制協議LCP

（Link Control Protocol）。

一套

網路控制協議NCP

（Network Control Protocol）。

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

當用戶通訊完畢時，NCP釋放網路層連線，收回原來分配出去的IP地址。接著，LCP釋放資料鏈路層連線。最後釋放的是物理層的連線。

3、區域網的資料鏈路層

區域網最主要的特點是：網路為一個單位所擁有，且地理範圍和站點數目均有限。

區域網具有廣播功能，從一個站點可很方便地訪問全網，區域網上的主機可共享連線在區域網上的各種硬體和軟體資源。區域網按照拓撲結構可分為

匯流排結構

、

環型結構

、

星型結構

、

網狀結構

、

樹型結構

以及

混合型結構

。

4、乙太網

乙太網最初是美國施樂公司研製的基於基帶匯流排的區域網，以曾經在歷史上表示傳播電磁波的以太（Ether）來命名。

DIX Ethernet V2 是世界上第一個區域網產品（乙太網）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 區域網簡稱為“乙太網”

。

為了使資料鏈路層能更好地適應多種區域網標準，802 委員會就將區域網的資料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，不管採用何種協議的區域網對LLC 子層來說都是透明的。

乙太網在區域網市場中已取得了壟斷地位，並且幾乎成了區域網的代名詞，由於因特網發展很快而TCP/IP體系中經常使用的區域網只剩下DIX Ethernet V2而不是IEEE 802。3 標準中的區域網，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，很多廠商生產的介面卡上僅裝有MAC協議而沒有LLC協議。

計算機與外界區域網的連線是透過介面卡。介面卡上裝有處理器和儲存器，介面卡和區域網之間的通訊是透過電纜或雙絞線以序列傳輸方式進行的，而介面卡和計算機之間的通訊則是透過計算機主機板上的I/O匯流排以並行傳輸方式進行的。因此，介面卡的一個重要功能就是要進行資料序列傳輸和並行傳輸的轉換。

介面卡接收和傳送各種幀時不使用計算機的CPU。當介面卡收到正確的幀時，它就使用中斷來通知該計算機並交付給協議棧中的網路層；當計算機要傳送IP資料報時，就由協議棧把IP資料報向下交給介面卡，組裝成幀後傳送到區域網。

需要注意，計算機的硬體地址就在介面卡的ROM中，而計算機的IP地址則在計算機的儲存器中。

5、CSMA/CD協議

為了通訊的簡便，乙太網採取了以下兩種措施：

第一，採用無連線的工作方式，即不必先建立連線就可以直接傳送資料。因此，乙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，乙太網傳送的資料都是用

曼徹斯特編碼

的訊號。

我們知道，總線上只要有一臺計算機在傳送資料，匯流排的傳輸資源就被佔用，因此，在同一時間只能允許一臺計算機發送資訊，否則各計算機之間就會相互干擾，結果大家都無法正常傳送資料。

乙太網採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

”就是說明這是匯流排型網路，許多計算機以多點接入的方式連線在一根總線上，協議的實質是“載波監聽”和“碰撞檢測”。

“

載波監聽

”就是“傳送前先監聽”，即每一個站在傳送資料前先要檢測一下總線上是否有其他站在傳送資料，如果有，則要等到通道空閒時再發送。

“

碰撞檢測

”就是“邊傳送邊監聽”，即介面卡邊傳送資料邊檢測通道上的訊號電壓的變化情況，以便判斷自己在傳送資料時其他站是否也在傳送資料。一旦發生了碰撞，介面卡就要立即停止傳送。

顯然，在使用CSMA/CD協議時，一個站不可能同時進行傳送與接收，因此使用CSMA/CD協議的乙太網不可能進行全雙工通訊而

只能進行半雙工通訊

。

6、MAC地址

在區域網中，

硬體地址

又稱為

物理地址

，或

MAC 地址

。

IEEE 802標準為區域網規定了一種48位的全球地址，是指

區域網上的每一臺計算機中固化在介面卡的ROM中的地址

。

IEEE 的註冊管理機構 RA 負責向廠家分配地址欄位的前三個位元組（即高位 24 位）。地址欄位中的後三個位元組（即低位 24 位）由廠家自行指派，稱為擴充套件識別符號，必須保證生產出的介面卡沒有重複地址。

介面卡有過濾功能，介面卡從網路上每收到一個MAC幀就先用硬體檢查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地址與本站的硬體地址相同。

廣播幀

，即傳送給本區域網上所有站點的幀。

多播幀

，即傳送給本區域網上一部分站點的幀。

乙太網最常用的是乙太網 V2 格式的MAC幀，格式如下：

由五個欄位組成。前兩個欄位為目的地址和源地址。第三個欄位是型別欄位，用來標識上一層使用的是什麼協議，以便把收到的MAC幀的資料上交給上一層的這個協議。第四個欄位是資料欄位，最後一個是幀檢驗序列FCS（使用CRC檢驗）。

7、區域網的擴充套件

7。1 集線器

使用集線器（hub）可以在

物理層擴充套件區域網

：

優點

使原來屬於不同碰撞域的區域網上的計算機能夠進行跨碰撞域的通訊。

擴大了局域網覆蓋的地理範圍。

缺點

碰撞域增大了，但總的吞吐量並未提高。

如果不同的碰撞域使用不同的資料率，那麼就不能用集線器將它們互連起來。

7。2 網橋

在資料鏈路層擴充套件區域網是使用網橋

（network bridge）。

網橋工作在資料鏈路層，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，並不是向所有的介面轉發此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然後再確定將該幀轉發到哪一個介面。

優點

過濾通訊量。

擴大了物理範圍。

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 乙太網）的區域網

缺點

儲存轉發增加了時延。

在MAC 子層並沒有流量控制功能。

具有不同 MAC 子層的網段橋接在一起時時延更大。

網橋只適合於使用者數不太多（不超過幾百個）和通訊量不太大的區域網，否則有時還會因傳播過多的廣播資訊而產生網路擁塞。這就是所謂的

廣播風暴

。

7。3 交換機

乙太網交換機通常都有十幾個介面。因此，乙太網交換機實質上就是一個多介面的網橋，可見

交換機工作在資料鏈路層

。

對於普通 10 Mb/s 的共享式乙太網，若共有 N 個使用者，則每個使用者佔有的平均頻寬只有總頻寬（10 Mb/s）的 N 分之一。使用乙太網交換機時，雖然在每個介面到主機的頻寬還是 10 Mb/s，但由於一個使用者在通訊時是獨佔而不是和其他網路使用者共享傳輸媒體的頻寬，因此對於擁有 N 對介面的交換機的總容量為 N * 10 Mb/s。這正是交換機的最大優點。

利用乙太網交換機可以很方便地實現

虛擬區域網

，虛擬區域網 VLAN 是由一些區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識別符號，指明發送這個幀的工作站是屬於哪一個 VLAN。

虛擬區域網其實只是區域網給使用者提供的一種服務，而並不是一種新型區域網。

7。4 無線區域網

無線區域網常簡寫為

WLAN

（Wireless Local Area Network）。

1997年IEEE制定出無線區域網的協議標準

802。11

。是個相當複雜的標準，簡單來說，是以無線乙太網的標準，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。

凡使用系列協議的區域網又稱為

Wi-Fi

（Wireless-Fidelity，意思是“無線保真度”）。

標準規定無線區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以內都可以直接通訊，但在和本BSS以外的站通訊時都必須透過本BSS的基站。

BSS中的基站就是接入點AP，當網路管理員安裝AP時，必須為該AP分配一個不超過32位元組的服務集識別符號

SSID

（Service Set IDentifier）和一個通道。

一個BSS所覆蓋的地理範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，也可以透過接入點AP連線到一個分配系統

DS

（Distribution System），然後再連線到另一個BSS，這樣就構成了一個擴充套件的服務集

ESS

（Extended Service Set）。ESS還可以為無線使用者提供到非802。x（非802。11無線區域網）的接入。這種接入是透過

Portal

來實現的。Portal的作用就相當於一個網橋。