三、OSI第二层：数据链路层

Layer2:Data Link Layer

• Overview
• Ethernet and CSMA/CD
  • LLC and MAC Sub-layers
  • Media Access Control in MAC Sub-layer
• Wireless LAN and CSMA/CA
• Layer 2 Devices

一、数据链路层 Overview

• 数据链路层使用的信道：
  • 点对点信道：一对一
  • 广播信道：一对多
• 本章研究：局域网的数据链路层的技术标准
• 主要是以太网的介质和无线网的介质两大类。
  

1. 物理层和数据链路层的区别

• 第一层
  • 无法与上层通信
  • 无法确定哪台主机将会传输或接受二进制数据
  • 无法命名或标识主机
  • 仅仅能描述比特流
• 第二层
  • 通过LLC与上层通信
  • 通过MAC确定
  • 通过寻址或命名过程来实现
  • 通过帧来组织/分组比特

2. 数据链路层 Data Link Layer

1. 问题：如何在不稳定(instable)的链路上正确传输数据？
2. 数据链路层提供
   • 网络介质访问:
   • 跨媒体物理传输(transmission)
3. 第二层协议明确了
   • 在链路上交换的数据格式
   • 链路上的两个节点的行为
4. 在数据链路层，过程就是协议。
5. 在两端校验，帧是否正确，如果正确则交付第三层，否则进行相应的处理

3. 局域网和数据链路

1. 主要工作
   • 错误识别(notification)
   • 网络拓扑(Network topology)
   • 流控制(Flow control)
2. 第一层和第二层的不同:
   • 第一层不可以访问更高层(upper-level layers)，而第二层是通过逻辑链路LLC(Logical Link Control)访问更高层
   • 第1层无法决定哪个主机将发送(transmit)或接收(receive)来自组的二进制数据；第2层使用媒体访问控制MAC（Media Access Control）做到这一点，共用总线链路
   • 第1层无法命名或识别计算机；第2层使用寻址(或命名)过程，以太网场景下
   • 第1层只能描述比特流；第2层使用**成帧（framing）**对比特进行组织或分组。

4. 第二层提供的服务

1. 提供给网络层的三层服务
   1. (最弱，最不靠谱的)没有确认(acknowledgement)的无连接(Connectionless)服务
      • 发送取出就行，不用等收到确认
      • 可靠(Reliable)的链接(上层以确保数据正确性)
      • 实时任务，比较高效
      • 适用于大多数局域网
   2. 带有确认的无连接服务：
      • 不可靠的链接，例如无线网络：需要保证一定的通信质量(比如无线网络的传输)，同时会损失一定的性能。
   3. 带有确认的连接服务
      • 比如蓝牙:需要先确定绑定关系才能进行通信
      • 手机和手机之间的蓝牙连接需要确定一些信息
2. 三种服务的连接的不同和区别:
   • 无线连接有确认的过程，有线连接没有
   • 网线连接:我们通信的对象是路由器，由路由器进行转发
   • PPPoP是路由器和远端的服务器的连接
   • 有线无线都接给路由器，都需要连接，但是无线网相对有线网需要确认(包确认)

5. 常见的局域网的介质访问控制(Media Access Control in common LANs)

1. 以太网(Ethernet):
   • 逻辑：总线拓扑(信息流在线性总线上)
   • 物理：星形或扩展星形(连线为星形)
2. 令牌环(Token Ring):
   • 逻辑：环拓扑(信息流在一个环中)
   • 物理：星形拓扑(以星形连接)
   • 使用令牌传递机制来控制网络访问
3. 光纤分布式数据接口(FDDI, Fiber Distributed Data Interface):
   • 逻辑：环拓扑(信息流在一个环中)
   • 物理：双环拓扑(作为双环连接)
   • 光纤作为传输介质，曾经很常用，后来被以太网有线接入逐渐替代

6. 介质访问控制方法 Access Methods for Media-Access Control

1. 确定性轮流 Deterministic —— taking turns
   • Token Ring 和 FDDI(Fiber Distributed Data Interface)
2. 争用式 Non-deterministic (probabilistic) —— 先到先得 first come, first sesrved
   • Ethernet/802.3

6.1 确定性轮流 Deterministic MAC Protocols

1. 一个特殊的数据令牌token在环中循环(circulates)。
2. 当主机host收到令牌时，它可以传输数据而不是令牌。这称为“夺取(seizing)令牌”。
3. 当传输的帧回到发送者时，站点会传输一个新的令牌；
   • 帧会从环中移除或剥离。(stripped)。

6.2 非确定性MAC协议 Non-Deterministic MAC Protocols

• 【重要！】此MAC协议称为载波监听多路访问/碰撞检测(CSMA/CD)，即带冲突检测的载波侦听多路访问
  • Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
• 为了使用这种共享介质(shared-medium)技术，以太网允许网络设备为传输权进行仲裁(arbitrate)。

7. 局域网数据传输(Transmitison)方式: 三种

1. 单播(unicast)
   • 将单个数据包从源发送到网络上的单个目标
2. 多播(multicast)
   • 由发送到网络上特定节点子集的单个数据包组成，这些节点都有同样的进程进行响应
   • 发送单个数据包到网络上的特定子集节点。
3. 广播(broadcast)
   • 由单个数据包组成，该数据包传输到网络上的所有节点。(广播的目的地址是0x11111111)
   • 发送单个数据包到网络上的所有节点

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二、 以太网 和 带冲突检测的载波侦听多路访问 Ethernet and CSMA/CD

（一）逻辑链路和介质访问控制子层 LLC and MAC Sub-layers

• (Logical Link Control)(Media Access Control)

1. 无缘电缆的方式传播电波:以太网
2. 帧传播速度提高了
3. 帧的标准没有改变

1. 局域网标准

• 定义物理媒体（如双绞线、光纤）和用于将设备连接到媒体的连接器
• 定义设备在数据链路层的通信方式
• 数据链路层定义了如何在物理介质上传输数据。
• 数据链路层还定义了如何封装(encapsulate)特定协议的流量(traffic)，以使去往不同上层协议的流量在到达堆栈时可以使用相同的通道进行传输。
  
• IEEE 802.2 对应 LLC，以太网则覆盖物理层和链路层

1. IEEE 将数据链路层分为两部分：
   • 媒体访问控制（MAC）（转换为媒体）
   • 逻辑链路控制（LLC）（过渡到网络层）
2. 乍一看，IEEE 标准似乎以两种方式违反了 OSI 模型。
   1. 定义了自己的层（LLC）：
      • IEEE标准定义了逻辑链路控制（LLC）层，包括其接口等，这似乎与OSI模型的层次结构不一致。
   2. MAC层标准跨越了第2层和第1层的接口：
      • IEEE 802.3（以太网）和802.5（令牌环）标准似乎跨越了数据链路层（第2层）和物理层（第1层）的接口。
3. 但是，802.3 和 802.5 定义了用于构建特定技术的命名，框架和媒体访问控制规则，都规范了对应的方案，不同方案不同解决标准

2. MAC & LLC

• MAC子层负责数据链路层的 物理传输 和 访问控制，其主要作用是确保数据能够有效地从源设备传送到目标设备。

1. MAC子层(802.3)
   • 定义如何在物理线路上传输帧(frames)
   • 处理物理寻址
     • 在MAC子层中，设备是通过 MAC地址 来唯一标识的，MAC地址是硬件设备的唯一标识符，每个网络接口控制器（NIC）都有一个固定的MAC地址。当数据帧从一个设备发送到另一个设备时，MAC子层根据目标设备的MAC地址进行物理寻址。
   • 定义网络拓扑
   • 定义线路规则(discipline)

• LLC子层则位于MAC子层之上，主要负责对数据的逻辑控制与协议管理

2. LLC 子层(802.2)
   • 为不同的上层协议提供逻辑上的标识，然后将其封装encapsulates，兼容不同介质的访问
     • LLC会在数据帧中添加适当的标识符，使得上层协议能够知道数据的类型。
   • 使用SAP（Service Access Point）标识符用于标识数据包的接收方。
     • 它帮助MAC层识别数据包的目的地协议，指示它应该交给哪个上层协议进行处理。
   • LLC帧的类型取决于上层协议期望的标识符，对于上层服务进行支持
   • LLC已经比较规范了，后来有的厂商已经放弃继续做

（一.1）Media Access Control Sublayer 介质访问控制子层

• 以字节为单位进行帧结构描述
  • 确保数据能够正确封装和解封装。
• 有802.3的规范和以太网的规范
• MAC 介质访问控制子层的帧结构
  • 控制多个设备如何共享同一物理介质，避免冲突和碰撞。
• 物理地址寻址：
  • 使用MAC地址（物理地址）来唯一标识网络设备，确保数据帧能够正确传输到目标设备。

1. 前导码Preamble（8字节）

1. 格式：从1和0的交替(alternating)模式开始，称为前同步码(preamble)。
   • 告诉接收方，要来数据了，因为不是预约发数据的模式，这个码就是为了保证对方有相应准备时间，
   • 前面7个字节是0x10101010，用于进行时钟同步
   • Start Frame Delimiter (SFD)（前导码）：最后一个字节是0x10101011，表示帧的开始，并且为接收方提供时钟同步的最后信号。
2. 作用：
   • 使用曼彻斯特编码的方案，无传输的时候是0电平的
   • 前同步码告诉接收站一帧即将到来。

2. 目标和源物理地址字段 Dest.add. 和 Source add.（6字节+6字节）

1. 目的地址：单播地址，组播地址或广播地址。
   • 用于标识接收数据的设备的MAC地址
2. 源地址：始终是单播地址。
   • 用于标识发送数据的设备的MAC地址。

• MAC地址：6个字节目的地址(Dest.add) 6个字节源地址(Source.add.)，和第三层第四层报文有差别
• 先看目的地址的好处:交换机等看到目的地址就可以进行判断，提高效率

3. 长度字段Length（2字节）

• 长度字段指示在该字段之后且在帧检查序列字段(FCS)之前的数据字节数。
• 确保接收方知道数据字段的长度，从而能够正确地解析和处理数据。

4. 数据字段Data（字节长度可变）

• 数据字段包含要发送的信息。
• 若数据小于46字节，必须通过 填充 零来满足最小长度要求，确保帧的大小达到64字节。
• 以太网帧头部的前8个字节（如MAC地址、类型字段等）不算作数据字段内容。
• 发送多个64字节大小的帧可以确保链路带宽的有效利用，尤其在100M带宽的链路上，发送这些帧需要512微秒，占据了完整的传输带宽。

5. FCS字段（4个字节）

• FCS（Frame Check Sequence，帧检验序列）
• FCS字段(四个字节)包含一个循环冗余校验值(CRC，cyclic redundancy check)
  • 用于检测数据帧在传输过程中是否发生了错误
  1. 发送设备生成CRC。
  2. 接收设备重新计算CRC，以检查在传输过程中帧是否发生了损坏。

（一.2）LLC 逻辑链路控制子层

• 通信管理：逻辑链路控制（LLC）子层管理设备之间在单一链路上的通信。
• 支持连接和无连接服务：
  • 无连接服务：类似于不需要建立正式连接的通信方式（例如UDP协议）。数据直接被发送，没有需要额外的握手或确认过程。
  • 面向连接的服务：类似于需要事先建立连接的通信方式（例如TCP协议）。在数据传输前，设备需要进行连接建立、数据确认等操作。
• LLC子层允许数据链路层的一部分独立于现有技术进行工作。
  • 单个LLC子层可以与不同的MAC子层兼容。
• LLC子层的位置：位于MAC之上
  • MAC层与物理层交互, LLC层与网络层交互

1. LLC子层：封装

1. LLC接收网络协议数据（数据包，packet），并添加更多的控制信息，帮助将数据包传递到目的地。
2. 它在每端添加了IEEE 802.2标准中的两个地址组件，以标识上层协议：
   • 目标服务接入点（DSAP）
   • 源服务接入点（SSAP）
3. 然后，这些重新封装的数据会传递给MAC子层，进行进一步的数据封装。

（二） MAC子层上的介质访问控制 Media Access Control in MAC Sub-layer

1. 十六进制数(Hexadecimal)作为MAC地址

• MAC地址
  • MAC地址为48位
  • 始终表示为12个十六进制数字。
  • 分隔符：MAC地址的各个字节之间通常用冒号（:）或连字符（-）分隔。
• MAC地址的组成部分
  1. 组织唯一标识符（OUI）：
     • 前6个十六进制数字（从左到右），由IEEE管理，用于标识制造商或供应商，这部分被称为组织唯一标识符（OUI）。
     • 例如：00:1A:2B。
  2. 接口序列号：
     • 剩下的6个十六进制数字组成了接口序列号，由具体的供应商管理，用于唯一标识设备。
     • 例如：3C:4D:5E。

2. 以太网802.3广播

• 以太网802.3广播是指在以太网网络中，将数据帧发送给网络中的所有设备。

1. 广播Broadcast
   • 目标MAC：48位全1(FFFF.FFFF.FFFF)
     • 保证所有设备都能收到这个地址
     • 会导致非目的主机进行地址解析
2. 广播会不必要地打断 电台(stations)，从而严重影响电台的性能
3. 因此，仅在以下情况下才使用广播：
   • 目的地的MAC地址未知
   • T目的地是所有主机
4. 非必要情况下我们不希望有很多广播，有可能会导致广播风暴

3. 帧结构 Framing

• 帧结构是 数据链路层（Layer 2） 的封装过程。
• 一帧A frame是数据链路层协议数据单元（PDU）。
• 一帧由多个部分（字段）组成，每个字段由字节构成。
  • 帧开始字段（frame start field）
  • 地址字段（address field）
  • 长度/类型/控制字段（length/type/control field）
  • 数据字段（data field）
  • 帧检验序列字段（frame check sequence field）
  • 帧停止字段（frame stop field）
    

4. 以太网的MAC机制 CSMA/CD

1. 历史（略）
2. CSMA/CD（载波侦听多路访问/碰撞检测）
   • 使用CSMA机制来判断主机是否应该发送数据。
   • 在传输过程中，同时监听信道。
     • 当检测到碰撞时，广播干扰信号jam signal。
     • 回退算法，确定发生碰撞的站点何时可以重新发送数据。

5. 以太网操作

1. 以太网是广播网络，也就是说，每个站都可以看到所有帧，而不管它们是否是目的地
2. 通过 MAC 地址判断站点是否为目的地
3. 目标站在 OSI 层上发送数据。其他节点丢弃（discard）帧
   

• 上图中1是总线拓扑，1发送的数据帧会传达给所有在这个总线上的设备，非目的主机检查目的地址和本机MAC地址不同，则会将该帧丢弃。

6. 广播操作步骤

1. 听然后传送
2. 广播 jam 信号
3. 发生碰撞(Collision)
4. 设备退回(back off)适当的时间，然后重新传输(retransmit)发生冲突的设备
   • 根据特定的回退算法
     

7. 以太网的 CSMA/CD

1. 首先host设备要发送数据
2. 开始侦听链路是非忙，如果忙，则过一阵来再看看
3. 如果不忙，则开始准备发送
   • 如果有冲突，则到 9，表示有冲突发送，广播一个 jam signal，把自己尝试的次数 + 1（重发有一定限度）
   • 尝试次数过多（11），会像上层协议传输网络不可用（12）
   • 尝试次数还可，则到 13 计算一个回退时间，来再次尝试，回退时间单位，会保证 A 和 D 的时间差能保证第一个人已经用完电路来避免冲突。
4. 如果没有错误，则一直传输到结束为止

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三、无线局域网Wireless LAN和CSMA/CA

（一）无线（Wireless）局域网

1. 无线局域网

• 基于单元的通信
• 电台发送的信号只能被附近的电台接收
• 短距离传输

2. 无线局域网标准

• Wireless LAN Standard
  • IEEE 802.11
    • 一种关键技术：直接序列扩频（DSSS）
    • DSSS适用于在1到2 Mbps范围内运行的无线设备。
    • DSSS可以在高达11 Mbps的速率下运行，但在超过2 Mbps时将不被视为合规。
    • 也称为Wi-Fi™。
  • IEEE 802.11b
    • 提高了传输能力，达到11 Mbps。
    • 所有802.11b系统向后兼容，支持802.11的1 Mbps和2 Mbps数据速率，仅适用于DSSS。
    • 通过使用不同于802.11的编码技术实现更高的数据吞吐率。
    • 在2.4 GHz频段内运行。
  • IEEE 802.11a
    • 覆盖在5 GHz传输频段内运行的无线局域网设备。
    • 使用5 GHz频段。
    • 802.11a能够提供54 Mbps的数据吞吐量，并且通过称为“速率倍增”的专有技术实现了108 Mbps。
    • 实际上，更标准的速率为20-26 Mbps
  • IEEE 802.11g
    • 提供与802.11a相同的吞吐量（54 Mbps），但向后兼容802.11b。
    • 使用正交频分复用（OFDM）技术。
  • IEEE 802.11n
    • 下一代无线局域网（WLAN）。
    • 提供比802.11g双倍的带宽，即108 Mbps，理论上可达500-600 Mbps。

3. Wireless LAN Topology 拓扑

1. 基础设施模式（Infrastructure Mode）

• 定义：设备通过无线接入点（AP）连接到网络。
• 特点：
  • 中心化管理：所有通信都通过AP进行。
  • 更适合大规模网络：支持更多设备和更广的覆盖范围。
  • 提供更高的安全性和管理功能。

2. 自组织模式（Ad-hoc Mode）

• 定义：设备直接相互连接，不需要AP。
• 特点：
  • 点对点通信：设备之间直接通信。
  • 适合小规模网络：适用于临时或小范围的网络。
  • 部署简单：无需额外的网络设备。

4. 访问过程（Accessing Procedure）

• 在 WLAN 中激活客户端时，它将开始“侦听”与之“关联”的兼容设备
• 这被称为“扫描”
  • 主动扫描
  • 被动扫描

4.1. 主动扫描 Active scanning

• 导致从寻求加入网络的无线节点发送探测（probe）请求。
• 探测请求将包含它希望加入的网络的服务集标识符（SSID）
• 当找到具有相同 SSID 的**接入点（AP）**时，该 AP 将发出探测响应
• 完成认证和关联步骤。

4.2. 被动扫描 Passive scanning

1. 客户端监听接入点（AP）广播的信标帧。这些帧由AP（基础设施模式）或对等节点（自组织模式）发送。
2. 当节点接收到包含要尝试加入的网络的 SSID 的信标时，将尝试加入该网络。
3. 被动扫描是一个连续的过程，节点可能会随着信号强度的变化与AP关联或取消关联。

5. 无线局域网的帧结构

• WLAN不使用标准的802.3帧。
• 有三种类型的帧：
  • 控制帧（Control Frames）
  • 管理帧（Management Frames）
  • 数据帧（Data Frames，只有数据帧类似于802.3帧）
• 无线数据帧和802.3帧的有效载荷为1500字节。
  • 然而，以太网帧不得超过1518字节，而无线帧可以大到2346字节。
  • 通常无线局域网帧的大小将限制在1518字节，因为它最常连接到有线以太网网络。

5.1. 数据帧结构(802.11 无线网)

1. 帧控制
   • 帧控制信息包含 16 bit（2字节）
   • 去往AP和来自AP是我们需要重点确认
   • WEP规格，Wired Equivalent Privacy(有线等效保密)
   • 持续期:参数，很重要，CSMA/CA需要，这个信息
   • 有时间窗口，如果超时没收到信号，则进行重传
2. 数据帧的的地址分类
   1. ad hoc(无线网地址)用地址4
   2. 有基础设施(AP)用的是地址1、2、3
3. 数据帧中的地址详解
   

（二）CSMA/CA

1. 为什么我们在WLAN需要CSMA/CA？

• CSMA/CA（载波侦听多路访问/碰撞避免）是无线网络中解决碰撞问题的一种机制。
• 与有线以太网（Ethernet）中的 CSMA/CD 不同，无线网络中的 CSMA/CD 机制不起作用，原因在于无线信号的传播特性。

1. 碰撞(Collisions)可能发生在WLAN中，但是站点只能知道附近的传输，因此CSMA/CD不是一个好的选择。
   1. 隐藏站问题（Hidden Station Problem）:当A将数据传输到B时，C无法检测到A和B之间的传输，因此C可能会决定将数据传输到B并导致B发生碰撞。
   2. 暴露站问题（Exposed Station Problem）:当B将数据传输到A时，C可以检测到传输，因此C不会将数据传输到D。但这是一个错误。(听到不应该听到的信号)
      

2. 多路复用机制 Multiple Accessing Mechanism

1. 在Ethernet中：
   • 信号传输：在以太网中，信号会被传输到网络中的所有站点。
   • 碰撞检测：发送站点检测碰撞的发生。
   • 共享信道：在同一时间，只能有一个有效的帧（数据包）在信道上传输。
2. WLAN (无线局域网)
   • 信号传输：在无线局域网中，信号只会传输到靠近发送站的设备。
     • 与有线以太网不同，无线信号的传输是通过空气传播的，因此它的范围受限，通常只有靠近发送设备的站点能接收到信号。
   • MAC协议的作用：无线局域网中的 MAC（媒体访问控制）协议 必须确保仅有一个设备向接收站发送数据。换句话说，发送站和接收站之间的通信是独占的，避免多个发送站同时占用同一个信道。
   • 碰撞检测：接收方检测确定冲突。
   • 共享信道：在无线局域网中，同一时刻可以有多个有效帧在信道上传输。
     • 通过多种机制，如时间分复用（TDMA）、频分复用（FDMA）以及载波侦听与碰撞避免（CSMA/CA），无线网络能有效地让多个站点同时使用信道。

3. CSMA/CA 避免冲突的载波侦听多路访问

1. CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)
   • 发送站点在发送数据前，以控制短帧刺激接收站点发送应答短帧，使接收站点周围的站点监听到该帧，从而在一定时间内避免数据发送
2. 基本过程：
   1. A 向 B 发送 RTS（Request To Send，请求发送）帧，A 周围的站点在一定时间内不发送数据，以保证 CTS 帧返回给 A；
   2. B 向 A 回答 CTS（Clear To Send，清除发送）帧，B 周围的站点在一定时间内不发送数据，以保证 A 发送完数据；
   3. A 开始发送
   4. 若控制帧 RTS 或 CTS 发生冲突（比如A 和 C 同时向 B 发送 RTS），采用二进制指数后退算法等待随机时间，再重新开始。
3. 退避时间短的设备先传输
4. 发现冲突所有设备同时退避
5. 在ad hoc网络中比较无序，存在大量延时，比如CTS和RTS相碰撞，这种情况是比较少的，异常情况，不在本课程考虑范围内。

• 过程
  • 为避免冲突，802.11所有站点在完成一个事务后必须等待一段时间才能进行下一个动作，这个时间被称为IFS，具体取决于帧的类型。
  • 源站需要收到确认信息CTS才能接着发送信息
  • 多个源站向目的站发RTS给目的站，目的站发现冲突，告诉各自站点，PPT处理的是RTS
    
• 实例
  • A的反应时间少，抢到使用权
  • E加入进来的话也会计算出一个退避时间
    

4. 实际数据传输率

1. 当源节点发送一个帧时，接收节点会返回一个正向确认（ACK）信号。
   • 这可能会消耗可用带宽的50%。
   • 这将导致在一个802.11b无线局域网（标称速率为11 Mbps）中，实际数据吞吐量减少到5.0到5.5 Mbps。
2. 网络的性能还会受到信号强度的影响：
   • 当信号变弱时，可能会启用自适应速率选择（ARS）。
   • 发送设备会将数据传输速率从11 Mbps降低到5.5 Mbps，再从5.5 Mbps降低到2 Mbps，或者从2 Mbps降低到1 Mbps。

四. Layer 2 Devices 第二层设备

1. NIC 网卡

1. 逻辑链路控制（Logical Link Control, LLC）：与计算机中的上层通信。
2. 媒介访问控制（Media Access Control, MAC）：提供对共享访问媒介的结构化访问，确保数据不发生冲突。
   • MAC使用不同的协议（如CSMA/CD用于以太网，CSMA/CA用于无线网络）来管理数据传输，确保数据帧能够有效地发送并避免冲突。
3. 【重要】命名（Naming）：提供唯一的MAC地址标识符。
   • 网卡的每一个接口都有一个唯一的MAC地址，这是一个48位的标识符，用于唯一标识网络接口。MAC地址确保在局域网中可以准确地找到和通信。
4. 帧定界（Framing）：作为封装过程的一部分，将比特打包成帧以便传输。
   • 帧是数据链路层传输的数据单位
   • 网卡负责将来自网络层（如IP层）的数据封装成帧，以便通过物理层进行传输。帧定界是封装过程的一部分，它确保数据在网络上传输时按照规定的格式进行封装。
5. 信号传输（Signaling）：生成信号并通过内置的收发器与媒介进行接口。
   • eg：在以太网中，网卡将数据转换成电信号通过电缆传输；在无线局域网中，网卡通过无线收发器将数据转换为电磁波并通过空气传播。

2. 网桥(Bridges)

1. 网桥将流量划分为多个段，并根据MAC地址而不是协议对流量进行过滤。
   • 桥接器并不像路由器那样根据协议（如IP协议）进行过滤，它只关注MAC地址，即设备的硬件地址。
2. 网桥可以通过减少较大的冲突域来提高网络性能。
   • 通过使用桥接器将网络划分为多个段，每个段可以独立地进行数据传输，减少了各段之间的冲突域。
3. 在从网络的一个网段到其他网段的流量较低的情况下，网桥最有效
   • 当网段之间的流量变大时，网桥会成为瓶颈(bottleneck)，并减慢通信速度。

2.1 以太网网桥的工作原理：透明网桥 Transparent Bridge

• 主要功能：是根据MAC地址来转发数据帧。

1. MAC表放到缓存的位置，刚启动时是空表，之后逐渐学习。
   • Mac地址表是有生命周期的，如果计时超过一个阈值没有刺激刷新Mac表，则会刷新表
2. “透明“指局域网中的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的
3. 即插即用，其标准是IEEE 802.1D
4. 过程：
   1. 从A发出的帧从接口x进入了网桥，则从这个接口发出帧就一定能达到A。网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，写入转发表。
   2. 在收到一个新的帧时，在转发表中匹配此帧的目的地址，找到对应的接口并转发。
   3. 在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外，还有帧进入网桥的时间，因为
      • 拓扑可能经常变化
      • 站点也可能会更换适配器(这就改变了站点的地址)
      • 站点并非总是处于工作状态
      • 把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只保留网络拓扑的最新状态信息，使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑
5. 问题：网络上的设备要发送数据但不知道目标地址时。
   • 向网络上的所有设备发送广播。因为希望数据帧能够发送到全网，尽可能到达目的地
   • 由于网络上的每个设备都必须注意此类广播，因此网桥始终会转发这些广播。
6. 广播过多会导致广播风暴，并且可能导致：
   • 网络延时(network time-outs)
   • 交通减速(traffic slowdowns)
   • 低于可接受的性能

2.2 源路由网桥 Source Route Bridge

• 透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分
• 源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中
• 原理
  • 源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由
  • 发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站
  • 源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由
  • 凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息
• 在令牌环网络中被广泛使用

3. 交换机(Switches)

1. 执行两个基本操作：
   • 切换数据帧（switching data frames）：
     • 在输入介质(medium)上接收帧，然后将其传输到输出介质
   • 维护交换操作（maintenance of switching operations）：
     • 交换器建立和维护交换表并搜索循环。 路由器构建并维护路由表和交换表。(STB协议避免回路)
2. 交换是一项通过减少流量（reduce traffic）和增加带宽（increasing bandwidth）来缓解以太网LAN拥塞(alleviates congestion)的技术.
   • 交换机创建专用的网络段或点对点连接，并在交换机内连接这些段形成虚拟网络。
   • 这被称为虚拟电路，因为它仅在两个节点需要通信时存在，并在交换机内建立。
   • 可以将每个交换端口视为一个微型网桥；这个过程称为微分段（microsegmentation）。
   • 每个交换端口为每个主机提供介质的全部带宽。
   • 大多数现代交换机支持全双工通信
3. 局域网交换机可减少冲突域的大小
4. 但是，连接到交换机的所有主机仍位于同一广播域中。
   • 也就是说，通过LAN交换机连接的所有其他节点仍将看到来自一个节点的广播。

4. 冲突域的分段方式

4.1 网桥对冲突域的分段

• 使用网桥对以太网局域网（LAN）进行分段，可以为每个用户提供更多带宽，因为每个网段上的用户更少。
• 网桥会增加网络的延迟（latency）（10%到30%），因为在转发数据之前需要进行决策过程。
• 网桥被认为是存储转发设备（store-and-forward device），因为它必须先接收完整的帧并**验证循环冗余校验（CRC）**后才能进行转发。

4.2 交换机对冲突域的分段

1. 交换机转发的速度明显快于网桥，因为交换机在硬件中进行切换，而网桥在软件中进行切换。
2. 可以使用交换机连接10 Mbps以太网LAN 和 100 Mbps以太网LAN。
3. 在交换式以太网实现中，可用带宽接近100％。
4. 共享以太网网络的容量不足其全部容量的30％至40％时，其性能最佳。(因为CSMA/CD)
5. 一些交换机支持直通交换cut-through switching，这减少了延迟和延迟，而网桥仅支持存储转发交换store-and-forward switching(存储转发，存下来检验转发)。
   • 直通交换:快速转发，不做校验，只看前6字节的MAC地址。
   • 局域网:网速比较快，传输速率高，网线比较短，可以认为是基本没有错误的，所以可以进行直通转发

4.3 路由器对冲突域的分段

• 路由器可以创建最高级别的分段：
  • 创建更小的冲突域。
  • 创建更小的广播域：路由器不会转发广播，除非被编程为这样做。
• 路由器通过检查数据包上的目标逻辑地址，并在其路由表中查找转发指令来完成数据包的转发。
• 由于路由器执行的功能比网桥更多，它们的操作延迟率更高。
• 路由器可以作为网关：
  • 用于连接不同的网络介质和不同的局域网技术。