数据链路相关技术

MAC地址

MAC地址用于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。其中IEEE指的是美国电气和电子工程师协会，也叫“I triple E”。IEEE802是制定局域网标准化相关规范的组织。其中IEEE802.3是关于以太网（CSMA/CD）的国际规范。
其他诸如无线LAN、蓝牙等设备中也是用相同规格的MAC地址。

MAC地址长48比特，结构如下图：

在使用网卡（NIC）的情况下，MAC地址一般会被烧入到ROM（Read Only Memory只读内存）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。

上图中的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。

半双工通信与全双工通信

半双工通信指的是，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，如下图：

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，它像是无线电收发器一样，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（亦或是光纤电缆）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，如下图：

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。
1.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。如下图：

在一部分以太网中，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。

CSMA/CD具体工作原理如下图：

2.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，而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。
令牌传递方式如下图：

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，又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。

根据MAC地址转发

在使用同轴电缆的以太网（10BASE5、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，就会出现一款新的网络设备：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。如下图：

由于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。

以太网

可以把以太网理解成上文中的图片的交换机。
以太网（Ethernet）一词源于Ether（以太），意为介质。在爱因斯坦提出量子力学之前，人们普遍认为宇宙空间充满以太，并以波的形式传送着光。
在众多数据链路中最为著名、使用最广泛的莫过于以太网（Ethernet）。它的规范简单，易于NIC（网卡）及驱动程序实现。因此，在LAN普及初期，以太网网卡相对其他网卡，价格也比较低廉。这也同时促进了以太网自身的普及。从最初的10Mbps、1Gbps、10Gbps到后来的40Gbps/100Gbps以太网已能够支持高速网络。现在，以太网已成为最具兼容性与未来发展性的一种数据链路。

以太网最早是由美国的Xerox公司与前DEC公司设计的一种通信方式，当时命名为Ethernet。之后由IEEE802.3委员会将其规范化。但是这两者之间对以太网网帧的格式定义还是有所不同。因此，IEE802.3所规范的以太网有时又被称为802.3以太网。

以太网的连接形式
在以太网普及之初，一般采用多台终端使用同一根同轴电缆的共享介质型连接方式，如下图：

而现在，随着互连设备的处理能力以及传输速度的提高，一般都采用终端与交换机之间独占电缆的方式实现以太网通信，如下图：

以太网的分类
以太网因通信电缆的不同及通信速度的差异，衍生出了众多不同的以太网类型。
10BASE中的“10”，100BASE中的“100”，1000BASE中的“1000”以及10GBASE中的“10G”，分别指10Mbps、100Mbps、1Gbps以及10Gbps的传输速度。而追加于后面的“5”。“2”。“T”，“F”等字符表示的是传输介质。在传输速度相同而传输所用电缆不同的情况下，可以连接哪些允许更换传输介质的中继器或集线器。而在传输速度不同的情况下，则必须采用那些允许变更速度的设备如网桥、交换集线器或路由器。如下图：

以太网帧格式
以太网帧前端有一个叫做前导码（Preamble）的部分，它由0,1数字交替组合而成，表示一个以太网帧的开始，也是对端网卡能够确保与其同步的标志。如下图：

前导码末尾是一个叫做SFD（Start Frame Delimiter）的域，它的值是“11”。在这个域之后就是以太网帧的本体。前导码与SFD合起来占8个字节。

以太网帧本体的前端是以太网的首部，它总共占14个字节。分别是6个字节的目标MAC地址、6个字节的源MAC地址以及2个字节的上层协议类型。


紧随帧头后面的是数据。一个数据帧所能容纳的最大数据范围是46~1500个字节。帧尾是一个叫做FCS（Frame Check Sequence，帧检验序号）的4个字节。

在目标MAC地址中存放了目标工作站的物理地址。源MAC地址中则存放构造以太网帧的发送端工作站的物理地址。

类型通常跟数据一起传送，它包含用以标识协议类型的编号，即标明以太网的再上一层网络协议的类型。在这个字段的后面，则是该类型所标识的协议首部及其数据。关于主要的协议类型如下图：

无线通信

无线通信通常使用电磁波、红外线、激光等方式进行传播数据。一般在办公室的局域网范围内组成的较高速的连接成为无线局域网。

无线通信不需要网线或其他可见电缆。因此，早期无线通信主要用于轻量级的移动设备。然而随着无线通信速度的不断提升，以及无线通信本身能够降低配线成本的优势，它很快在办公室、家庭、店铺以及车站和机场等环境中被广泛使用。

无线通信的种类
无线通信，依据通信距离可分为如下图所列出的类型，如下图：

IEEE802委员会制定了无线PAN（802.15）、无线LAN（802.11）、无线MAN（802.16）以及无线RAN（802.22）等无线标准。无线WAN的最典型代表就是手机通信。手机通过基站（也就是你们本地的信号塔）能够实现长距离通信。

看一下无线LAN的连接如下图：