談談網路協議 - 資料鏈路層（ Data Link）

悠悠清風~發表於2021-08-13
協議

資料鏈路層（ Data Link）

  • 鏈路：從1個節點到相鄰節點的一段物理線路（有線或無線），中間沒有其他交換節點

    案例

    上圖可以看出，總共由5條鏈路組成：

    • 第1條：計算機0 => 路由器0，使用CSMA/CD協議，中間雖然有經過集線器，但集線器沒有任何功能，就相當於一條網線
    • 第2條：路由器0 => 路由器1，使用PPP協議
    • 第3條：路由器1 => 路由器2，使用PPP協議，與上一條的資料有區別就是目標MAC與源MAC地址都會發生變化
    • 第4條：**路由器2 ** => 交換機0，使用CSMA/CD協議
    • 第5條：**交換機0 ** => 計算機1，使用CSMA/CD協議，與第4條的資料完全一樣，交換機只做判斷轉換髮哪臺裝置

  • 資料鏈路：在一條鏈路上傳輸資料時，需要有對應的通訊協議來控制資料的傳輸

    • 不同型別的資料鏈路，所用的通訊協議可能是不同的
      • 廣播通道：CSMA/CD協議（比如同軸電纜、集線器等組成的網路）
      • 點對點通道：PPP協議（比如2個路由器之間的通道）

  • 資料鏈路層的3個基本問題

    • 封裝成幀
    • 透明傳輸
    • 差錯檢驗

封裝成幀

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  • 幀（Frame）的資料部分
    • 就是網路層傳遞下來的資料包（IP資料包，Packet）
  • 最大傳輸單元MTU（Maximum Transfer Unit）
    • 每一種資料鏈路層協議都規定了所能夠傳送的幀的資料長度上限
    • 乙太網的MTU為1500個位元組

透明傳輸

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  • 使用SOH（Start Of Header）作為幀開始符
  • 使用EOT（End Of Transmission）作為幀結束符
  • 資料部分一旦出現了SOH、EOT，就需要進行轉義
    • 對中間出現了SOH、EOT的資料後面新增 ESC 標識，有了這個標識就知道前面的資料是不是開始或結束符了
    • 到了接收端拆包的時候會先去掉轉義字元，還原資料，這個過程被稱為：透明傳輸

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差錯檢驗

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  • FCS 是根據資料部分 + 首部計算得出的，主要用於資料完整性校驗
    • 在傳送端生成 FCS
    • 在接收端再通過同樣的演算法生成 FCS，再去判斷是現有的 FCS 是否一至，一至資料則是完整的
  • 注：Ethernet（乙太網） V2的版本是沒有 幀開始符和 幀結束符的，後面會講

CSMA/CD 協議

  • CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detectio）
    • 載波偵聽多路訪問/衝突檢測 （多路訪問：廣播）
  • 使用了CSMA/CD的網路可以稱為是乙太網（Ethernet），它傳輸的是乙太網幀
    • 乙太網幀的格式有：Ethernet V2標準、IEEE的802.3標準
    • 使用最多的是：Ethernet V2標準
  • 為了能夠檢測正在傳送的幀是否產生了衝突，乙太網的幀至少要64位元組
    • 如果小於 64位元組，那樣就監聽不到衝突了，衝突監聽如下：
      • 當兩邊都在傳送資料，資料在鏈路中間相撞的時候如何判斷資料是從哪裡發過來的，再重發呢？
      • 如果兩段資料都很短，那在中間碰撞肯定是不知道資料是從哪裡發過來的
      • 如果資料很長，在中間碰撞的時候，這邊還有資料沒傳送完還在繼續傳，這個時候就能知道資料當前是從哪裡發出的，並且能中斷並重發
  • 用交換機組建的網路，已經支援全雙工通訊，不需要再使用CSMA/CD，但它傳輸的幀依然是乙太網幀
    • 所以，用交換機組建的網路，依然可以叫做乙太網

Ethernet（乙太網） V2幀的格式

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  • 首部：目標MAC（6位元組）+源MAC（6位元組） + 網路型別 （2位元組）（IPV4/IPV6，用二進位制表式 4 / 6）
  • 尾部：FCS （4位元組）（差錯檢驗值）
  • 乙太網幀：首部 + 資料 + FCS（尾部）
  • 幀 最小為 64 位元組
  • 資料的長度至少是：64 – 6 – 6 – 2 – 4 = 46位元組，最多 1500
  • 注：V2版本是沒有 幀開始符 和 幀結束符的
    • 使用的曼徹斯特編碼，接收端接收幀過程，只要發現沒有訊號跳變，就認為是幀結束
    • 將乙太網幀傳到物理層後，會在前面再加上8位元組的頭部資料，前7位元組為前同步碼（處理時鐘同步之類的），後1位元組為 幀開始定界符

Ethernet (乙太網) V2標準

  • 當資料部分的長度小於46位元組時

    • 資料鏈路層會在資料的後面加入一些位元組填充，填充至46位元組
    • 接收端會將新增的位元組去掉

  • 長度總結

    • 乙太網幀的資料長度：46~1500位元組
    • 乙太網幀的長度：64~1518位元組（目標MAC +源MAC + 網路型別 + 資料 + FCS）

網路卡

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  • 網路卡是具有 物理層和資料鏈路層的功能
    • 物理層：物理連線和資料訊號同步、資料的編碼與解碼
    • 資料鏈路層：幀的封裝與拆封、幀的差錯校驗、介質訪問控制（CSMA/CD）
  • 網路卡接收到一個幀，首先會進行差錯校驗，如果校驗通過則接收，否則丟棄
  • Wireshark抓到的幀沒有FCS ，因為它抓到的是差錯校驗通過的幀（幀尾的FCS會被硬體去掉）
    • Wireshark抓不到差錯校驗失敗的幀

PPP協議（Point to Point Protocol）

  • 點到點協議

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  • Address欄位：圖中的值是0xFF，形同虛設，點到點通道不需要源MAC、目標MAC地址
  • Control欄位：圖中的值是0x03，目前沒有什麼作用
  • Protocol欄位：內部用到的協議型別
  • 幀開始符、幀結束符：0x7E

PPP協議 - 位元組填充

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  • 當資料中含有7D或7E時，為了解決資料衝突的問題，將對應資料進行轉義
    • 將 0x7E 替換成 0x7D5E
    • 將 0x7D 替換成 0x7D5D

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