第7章 OSI資料鏈結層

學習目標 在學習本章之後，讀者將可以回答下列的問題： 在資料傳輸上，資料鏈結層的通訊協定是扮演什麼角色？ 在網路媒體上，資料鏈結層是如何處理資料以進行傳輸？ 各種類型的MAC方法是如何運作？ 常見的邏輯網路拓樸為何？ 邏輯拓樸是如何決定其MAC方法？

學習目標（續） 將封包封裝成資料框以便媒體存取的目的為何？ 第2層資料框結構的目的為何？ 第2層資料框的常見欄位為何？ 在資料框中，主要的標頭和標尾欄位，包括位址、QoS、通訊協定類型和資料框檢測序列，其所扮演的角色為何？

資料鏈結層：存取媒體 在一個共用的區域媒體上進行資料的交換 連結許多較高階層的服務 將資料封裝成資料框

資料鏈結層：存取媒體（續） 較高階層服務的支援與連線 區域媒體上的傳輸控制 建立資料框 將較高階層服務連接至媒體 標準

較高階層服務的支援與連線 資料鏈結層會執行二項基本的服務： 允許較高階層使用資料框的技術，來存取媒體 使用媒體存取控制（MAC）和錯誤偵測的技術

較高階層服務的支援與連線（續） 每個躍點（hop） 從媒體上接受資料框 將資料框解封（decapsulate）成封包 建構新的資料框以符合下一個媒體所需 轉送新資料框進入到下個區段的實體網路

較高階層服務的支援與連線（續） 圖7-1　資料鏈結層範例

區域媒體上的傳輸控制 媒體存取控制方法 決定哪些網路設備可以存取網路媒體，以及哪些網路設備可以傳送資料框 高階資料連結控制（HDLC）、資料框轉送（Frame Relay）或PPP

區域媒體上的傳輸控制（續） 圖7-2　資料框的傳輸

建立資料框 控制資訊 哪些節點是彼此相互通訊 何時個別節點會開始與結束通訊 在進行通訊時，節點是否發生了錯誤 哪些節點可以接著進行通訊

建立資料框（續） 資料鏈結層的資料框包含了下列的元素： 資料：網路層的封包 標頭：控制資料，如位於PDU開頭的位址

建立資料框（續） 圖7-3　資料傳輸的格式

建立資料框（續） 典型的欄位型態包含 開始和結束標記欄位：資料框的開頭和結尾標記 定址或命名欄位：目的設備和來源設備 類型欄位：資料框所包含的PDU類型 品質：控制欄位 資料欄位：資料框的承載資料（網路層封包）

將較高階層服務連接至媒體 圖7-4　OSI層階中的硬體和軟體

將較高階層服務連接至媒體（續） 兩個子階層 較高子階層定義一些軟體的程序，以提供服務給網路層的通訊協定。 較低子階層定義供硬體的媒體存取程序

將較高階層服務連接至媒體（續） 兩種常見的LAN子階層 邏輯連結控制（LLC）會在資料框中置入一項資訊，以識別該資料框是使用哪種網路層的通訊協定 MAC會根據媒體所需的實體訊號及所採用的通訊協定，來提供資料的定址和分隔機制

標準 國際標準組織（ISO，http://www.iso.org） 電機電子工程師協會（IEEE，http://www.ieee.org） 美國國家標準局（ANSI，http://www.ansi.org） 國際電信聯盟（ITU，http://www.itu.org）

MAC技術：將資料送到媒體上 MAC的主要目的是管制資料框進出媒體 明確定義相關節點是否及如何共享 媒體 MAC方法 媒體共享：節點是否與如何去共享媒體 拓樸：節點之間的連線方式

MAC技術：將資料送到媒體上（續） 共享媒體的MAC 非共享媒體的MAC 邏輯拓樸與實體拓樸的比較

共享媒體的MAC 控制（controlled）：每個節點都會有其專屬的時間來使用該媒體。 競爭基礎（contention-based）：所有節點會相互競爭媒體的使用。

共享媒體的MAC （續） 表7-1　共享媒體的MAC方法

共享媒體的MAC （續） 共用媒體的控制存取 網路設備必須依照輪流的順序來存取媒體 排程性或決定性的存取方法

共享媒體的MAC （續） 共享媒體中以競爭為基礎的存取 每當有資料要傳送時，立刻去存取媒體 「非決定性」（nondeterministic）的方法 「載波偵測多重存取」（CSMA） 乙太網路（Ethernet）和無線網路都是使用競爭基礎的MAC

共享媒體的MAC （續） 兩部設備可能會同時傳送資料，而導致CSMA程序的失敗，稱之為碰撞（collision） 常見的協定： CSMA/CD（CSMA/collision detect） CSMA/CA（CSMA/collision avoid）

共享媒體的MAC （續） CSMA/CD CSMA/CA 設備會監視媒體，以了解是否有資料訊號的存在。如果資料訊號並不存在，則表示媒體並未被佔用，設備便可以傳輸資料。之後，如果偵測到有其它訊號存在時，表示有另一部設備在同一時間傳出資料，此時，所有的設備將會停止傳送，並且稍後再進行嘗試 CSMA/CA 設備會檢視媒體，以了解是否有資料訊號的存在。如果媒體並未被佔用，設備會在媒體上傳送一個訊號，以通知其它設備，自己將要開始使用媒體。然後，該設備便開始傳送資料

非共享媒體的MAC 不太需要非共享媒體的MAC通訊協定 點對點的拓樸（point-to-point topologies） 半雙工（half duplex） 半雙工通訊是指：設備可以在媒體上傳送和接收資料，但是不能同時執行此二項動作 全雙工（full duplex） 在全雙工通訊中，兩個設備可以同時在媒體上進行傳送和接收資料

邏輯拓樸與實體拓樸的比較 網路的拓樸是指，網路設備的安置方法或相互關係以及其間的互連方式 實體拓樸是節點的安置方法及其間的實體連線方式 所謂邏輯拓樸是指，一個網路將資料框從一個節點傳送至下一個節點的方法

邏輯拓樸與實體拓樸的比較（續） 邏輯與實體拓樸 點對點（point-to-point） 多重存取（multiaccess） 環形（ring）

邏輯拓樸與實體拓樸的比較（續） 點對點拓樸 一個點對點拓樸可以直接連接二個節點 如果一次只可以傳送一個方向，就表示它是一種「半雙工鏈結」（half-duplex link） 如果資料可以同時在二端的節點上傳送，就表示它是一種「全雙工鏈結」（full-duplex link） 虛擬線路是網路中兩部設備之間的一條邏輯連線

邏輯拓樸與實體拓樸的比較（續） 圖7-5　邏輯拓樸

邏輯拓樸與實體拓樸的比較（續） 圖7-6　邏輯的點對點拓樸

邏輯拓樸與實體拓樸的比較（續） 多重存取拓樸 一個邏輯的多重存取拓樸可以讓一群節點在共享的媒體上進行通訊 在任何時間點上，只有一個節點可以將其資料傳到媒體上 CSMA/CD或CSMA/CA的MAC方法 「符記傳遞」（token-passing）的方法

邏輯拓樸與實體拓樸的比較（續） 環形拓樸 每個節點會依序接收到一個資料框。如果資料框的目的地並不是該節點時，此節點會將資料框傳遞至下一個節點 「符記傳遞」（token-passing） 如果未傳輸任何的資料時，會將符記（Token）傳送於媒體上

MAC：資料的定址和分框 資料的定址（addressing）和分框（framing）

MAC：資料的定址和分框（續） 資料鏈結層通訊協定：資料框 分框：標頭的角色 位址：資料框的去處 資料框：標尾的角色 資料鏈結層的資料框範例

資料鏈結層通訊協定：資料框 標頭 資料 標尾

分框：標頭的角色 標頭欄位 資料框起始欄位 來源和目的位址欄位 優先／服務品質欄位 類型欄位 邏輯連線控制欄位 實體連結控制欄位 流量控制欄位 擁擠控制欄位

位址：資料框的去處 「實體位址」（physical addresses） 如果資料框中的封包必須傳遞到另一個網段，中繼設備或路由器會解封原來的資料框、建立新的資料框、並且將新的資料框傳送到新的網段

資料框：標尾的角色 典型資料框的標尾欄位： 資料框偵測序列欄位（Frame Check Sequence fields） 停止欄位（Stop field

資料框：標尾的角色（續） 「邏輯加總值」（logical summary 「循環冗餘檢查」（cyclic redundancy check，CRC）

資料鏈結層的資料框範例 乙太網路 PPP 高階資料連結控制（HDLC） 資料框轉送 ATM

資料鏈結層的資料框範例（續） 圖7-7　第2層通訊協定的範例

資料鏈結層的資料框範例（續） LAN上的乙太網路通訊協定 IEEE 802.2及802.3 乙太網路是最廣為使用的LAN技術，支援10、100、1000或10000Mbps的頻寬 「無回應的非連線服務」（unacknowledged connectionless service）

資料鏈結層的資料框範例（續） 資料框欄位 前序編碼（preamble 目的位址 來源位址 類型 資料或內容 資料框偵測序列（FCS）

資料鏈結層的資料框範例（續） 圖7-8　乙太網路的通訊協定

資料鏈結層的資料框範例（續） WAN的PPP PPP是採用階層的架構（layered architecture） 驗證（authentication） 壓縮（compression） 多重鏈結（multilink）

資料鏈結層的資料框範例（續） PPP資料框中的一些基本欄位 旗標（flag） 位址（address） 控制（control） 通訊協定（protocol） 資料（data） 資料框偵測序列（FCS）

資料鏈結層的資料框範例（續） 圖7-9　點對點的通訊協定

資料鏈結層的資料框範例（續） LAN的無線通訊協定 採用CSMA/CA的媒體存取程序 CSMA/CA提供一套「隨機後退」（random backoff）的程序 使用資料鏈結的回應機制，來確認一筆資料框已經獲得成功的接收 802.11資料框的欄位

資料鏈結層的資料框範例（續） 圖7-10　802.11無線LAN的通訊協定

全部放在一起：追蹤互連網路上的資料 將描述用戶端和伺服器之間，一個HTTP請求的運作方式

全部放在一起：追蹤互連網路上的資料 （續） 圖7-11　來源主機請求

全部放在一起：追蹤互連網路上的資料（續） 圖7-12　來源主機的封裝

全部放在一起：追蹤互連網路上的資料（續） 圖7-13　路由器B的解封和封裝

全部放在一起：追蹤互連網路上的資料（續） 圖7-14　路由器A的解封裝和封裝

全部放在一起：追蹤互連網路上的資料（續） 圖7-15　Web伺服器的資料框接收和解封裝

摘要 OSI資料鏈結層處理網路層的封包 各種資料通訊媒體會需要各別的資料鏈結通訊協定 嚴格順序和控制的方法 採用競爭的方法 一筆資料框具有標頭和標尾的欄位，其中包括來源及目的位址、QoS、通訊協定的型態和資料框的測試序列值。