第三章 数据链路层 【期末复习|考研复习】

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第一章 计算机网络概述
第二章 物理层
第三章 数据链路层
第四章 网络层
第五章 传输层
第六章 应用层
第七章 网络安全
计算机网络整理-简称&缩写

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前言

给大家整理了一下计算机网络中的重点概念，以供大家期末复习和考研复习的时候使用。
参考资料是王道的计算机操作系统和西电的计算机操作系统。

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三、数据链路层

3.1 数据链路层的基础概念

数据链路层是在物理层和网际层之间的协议，提供相邻结点的可靠数据传输，为从网络层提供服务、链路管理、帧定界、帧同步与透明传输、流量控制、差错控制。

3.2 帧

3.2.1 帧的概念

帧为数据链路层的协议数据单元，由帧头，数据，帧尾组成。帧头包含源MAC地址，目的MAC地址，类型。

3.2.2 组帧/封装帧的方法

字符计数法：在帧的头部使用一个计数字段来标明帧内字符数。
首位定界法：字符填充（采用特殊字符前用转义字符填充）零比特填充法（数据区每遇到五个1就填充一个0）。
违规编码法：局域网IEEE802标准采用，曼彻斯特编码中，“高-低”表示1，“低-高”表示0，则可以采用“高高/低低”来定界帧的起始和终止。

3.2.3 差错控制

检错编码：奇偶校验码（只能检查奇数位出错情况）、CRC循环冗余码。纠错编码：海明码。
CRC循环冗余码：设除数为n位，则阶数位n-1阶，在被除数后加n-1个0，遵从同0异1的原则找出余数FCS，最后用余数FCS替换n-1个0，则这串位CRC循环冗余码。
海明码：n位有效信息的位数，k位校验位的位数，则应满足,若信息位为D1,D2,D3,D4,则校验位为三位，即P1,P2,P3，对应海明码为H1,H2,H3,H4,H5,H6,H7。规定Pi在海明码的位，其余按序填充，则海明码的各具体分布为：P1,P2,D1,P3,D2,D3,D4，所以D1在H3上，由P1（H1）,P2（H2）（1+2=3）校验，D2在H5上，由P1（H1）,P3（H4）（1+4=5）校验，D3在H6上，由P2（H2）,P3（H4）（2+4=6）校验，D4在H7上，由P1（H1）,P2（H2）,P3（H4）（1+2+4=7）校验，按照对校验位按照异或原则（同0异1），P1=D1异或D2异或D4，P2=D1异或D3异或D4，P3=D2异或D3异或D4。记得倒过来写H7,H6,H5,H4,H3,H2,H1，把得到的P1,P2,P3放到相应的位置。校验原理，S1=P1异或D1异或D2异或D4，S2=P2异或D1异或D3异或D4，S3=P3异或D2异或D3异或D4，若S1,S2,S3的指为000，则无差错，若S1,S2,S3为100，则说明H1出错，取反即可得到纠错目的。

3.3 流量控制、可靠传输、滑动窗口

信道利用率=，，时间T内发送L比特数据，C为发送方传输率，T为发送周期。
流量控制采用单帧滑动窗口与停止-等待协议、多帧滑动窗口与后退N帧协议（GBN）、多帧滑动窗口与选择重传协议（SR）。
滑动窗口的重要性质：只有接收方收到一个确认帧后时，发送窗口才有可能向前滑动；停等协议的发送窗口=1，接受窗口=1，后退N帧发送窗口>1，接受窗口=1，选择重传协议发送窗口>1，接受窗口>1。只有接受窗口为1时，可以保证帧的有序接受，在数据链路层中滑动窗口在传输过程中是固定的。
若采用n比特的对帧编号，则GBN协议的发送窗口大小应满足，在SR协议中。

3.4 以太网中的数据帧中的MAC和LLC

MAC对接物理层，LLC对接网络层。
MAC子层叫做介质访问控制子层，用来决定广播信道中信道分配的协议属于MAC子层。作用：数据帧的封装/卸载，帧的寻址和识别，帧的接收语发送，链路的管理，帧的差错控制等。MAC子层的存在屏蔽了不同的物理链路层种类的差异性。1.组帧拆帧，2.比特差错检测，3.寻址，4.竞争处理，5.屏蔽不同物理层的差异。
LLC子层叫做逻辑链路控制子层，LLC子层的主要功能为传输可靠性保障和控制，数据包的分段与重组，数据包的顺序传播。1.建立和释放数据链路层逻辑链接（无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送），2.提供与高层接口，3.差错控制，4.给帧加序号。

3.5 介质访问控制方法

数据链路层的介质访问控制都是点对点的通信，常见的介质访问控制方法有静态划分信道：信道划分介质访问控制（在物理层），动态划分信道：随机访问介质访问控制和轮询介质访问控制。静态划分在网络负载重的地方共享信道效率高，公平，负载较低的地方共享信道利用率低。随机访问介质访问控制在负载低的地方效率较高，负载高的地方的地方会引起冲突。
随机访问介质控制分为：ALOHA协议（纯ALOHA协议，时隙ALOHA协议），载波监听多路访问CSMA协议（1-坚持，非坚持，p坚持），载波监听多路访问/碰撞检测CSMA/CD协议，载波监听多路访问/碰撞避免CSMA/CA协议。

3.5.1 载波监听多路访问/碰撞检测CSMA/CD协议

应用于以太网，先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发，以太网规定51.2微秒为一个争用期长度（2t），对于10Mb/s的以太网，争用期可以发送512bit，即64B，所以以太网的最小帧长为64B。
CSMA/CD协议采用二进制指数退避算法来解决碰撞问题，k为重传次数，k不超过10，k=min{重传次数，10}，从离散的[0,1,…,]随机选一个r，则避退时间为2rt，当重传次数>=16次时，则抛弃此帧并向高层报错。

3.5.2 载波监听多路访问/碰撞避免CSMA/CA协议

应用于无线局域网，采用预约信道，ACK帧和RTS/CTS帧来避免碰撞。

3.5.3 CSMA/CD与CSMA/CA两者区别

两者主要区别：1、CSMA/CD可以检测冲突，但不能避免，CSMA/CA发送数据时不能检测信道上有无冲突，只能尽量避免。2、传输介质不同。CSMA/CD协议用于总线型以太网，CSMA/CA用于无线局域网802.11a/b/g/n等。3、检测方式不同。CSMA/CD采用电缆中电压的变化来检测，CSMA/CA采用能量检测、载波检测和能量载波检测混合三种检测方式来检测信道是否空闲。

3.5.4 令牌传递协议

应用于令牌环局域网（物理是星型拓扑，逻辑为环形拓扑），应用于网络负载较重，通信量较大的网络中。令牌传递协议为轮询访问介质控制，只有得到令牌才可以传输数据，否则等待。

3.6 局域网

3.6.1 局域网的基本概念

局域网LAN指在较小的区域内将各种计算机、外部设备、数据库等系统用双绞线，同轴电缆等链接起来，组成资源和信息共享的计算机互联网络。局域网主要使用广播信道和广播技术，注重数据传输。IEEE802标准定义局域网的模型，提供无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送。
局域网的特点：1、网络为一个单位所拥有，地理范围和站点数目有限。2、所有站点共享带宽。3、可靠性高，较低延迟和较低误码率。4、能进行广播和组播。
局域网的主要拓朴结构有：星型、环形、总线型、星型和总线型复合结构。
局域网的介质控制方法主要有CSMA/CD、令牌总线、令牌环。
局域网的分类：以太网（最主要的局域网，逻辑拓扑为总线型，物理拓扑为星型或拓展星型，IEEE802.3）、令牌环网（逻辑拓扑为环形，物理拓扑为星型，IEEE802.5）、光线分布数字接口FDDI（逻辑拓扑为环形，物理拓扑为双环型，IEEE802.8）。
局域网对应OSI参考模型中的两层：物理层和数据链路层（主要），编码方式采用曼彻斯特编码。

3.6.2 以太网

IEEE802.3标准定义的以太网逻辑拓扑为总线型，物理拓扑为星型或拓展星型，提供无连接、不可靠服务，介质为光纤、双绞线。以太网的最小帧长为64B，以太网的MAC帧由目的地址（6B），源地址（6B），类型（2B），数据，FCS（4B）组成，MAC地址的长度为6B，所以数据最小为46B，最大为1500B。

高速以太网：100BASE-T以太网（100Mb/s）支持全双工、半双工，在全双工下不使用CSMA/CD；吉比特（1Gb/s）支持全双工、半双工，全双工下不使用CSMA/CD；10吉比特以太网只支持全双工，不使用CSMA/CD。

3.6.3 无线局域网IEEE802.11

使用802.11的局域网又称WIFI，在MAC层采用CSMA/CA协议。帧头格式包括帧控制（2B）、生存周期ID（2B）、地址1（接收端RA，6B）、地址2（发送端TA，6B）、地址3（目的地址DA，6B）、序列控制（2B）、地址4（源地址SA，6B）。

最小构件为基本服务集BSS。一个服务集包括一个基站和若干移动站，所有站在本BSS可以直接通信，跨站通信必须通过本BSS的基站。AP则为基本服务集中的基站，AP名称则为WiFi名称，即服务集标识符。安装AP时为AP分配一个服务集标识符和一个信道。一个服务集覆盖的地理范围叫做一个基本服务区，一个基本服务区不超过100m。

3.7 广域网

3.7.1 广域网的基本概念

广域网通常指覆盖范围很广的长距离网络，广域网是因特网的核心，注重资源共享，对应OSI参考模型的网络层（主要）、数据链路层、物理层。广域网可与i链接不同类型的网络，既可以连接局域网，也可以连接广域网，通常由路由器来连接。广域网用一些结点交换机（结点交换机在单个网络中转发分组，路由器在多个网络构成的互联网中转发分组，交换机的功能是分组转发）及连接这些交换机的链路构成，提供点对点的连接，为了保证网络的可靠性，一个结点交换机通常与多个结点交换机相连。

3.7.2 局域网与广域网的区别

3.7.3 广域网数据链路层控制协议

广域网中重要的问题是路由选择和分组转发，路由选择协议负责搜索分组到某个结点到目的结点的最佳传输路由，以便构造路由表，然后路由表再构造出转发分组的转发表，分组是通过转发表转发的。

PPP协议

PPP协议是使用串行线路通信的面向字节的协议，通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，应用于直接连接的两个结点的链路中，因为PPP是点对点的，因此无需采用CSMA/CD协议。PPP协议支持异步线路（字节填充法）和同步线路（比特填充法）.
PPP协议由三个部分组成，链路控制协议LCP（用于建立、配置、测试和管理线路），网络控制协议NCP（PPP协议允许采用多种网络层协议，但需要相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接），一个将IP数据报封装到串行线路的方法（PPP帧中的信息部分受最大传送单元MTU限制）。
PPP帧包括标志字段F（1B，0x7E，前后都有，出现在数据段要采用控制转义字符0x7D），地址字段A（1B，0xFF），控制字段C（1B，0x03），协议字段（2B，用于表示信息段运载的是啥网络层协议）IP数据报，FCS（2B），标志字段F（1B），IP数据报大小为0~1500B

PPP协议工作状态

当链路处于静止时，不存在物理层连接，当线路检测到载波信号时，建立物理链路，线路变为建立状态，此时LCP开始商定，商定成功时进入身份验证状态，双发身份验证（PAP,CHAP）通过后，进入网络状态，采用NCP配置网络层，配置成功后进入打开状态，就可以进行数据传输，当传输完后线路转终止状态，载波停止后回到静止状态。
PPP协议注意：1、PPP协议只保证无差别的接受（CRC校验），提供检错但不提供纠错功能，是不可靠的协议传输，因此也不采用序号和确认机制。2、PPP仅支持点对点协议，不支持多路。3、PPP只支持全双工。4、PPP两端可以运行不同的网络层协议，因为NCP的存在可以使用同一个PPP进行通信，5、PPP是面向字节的，默认为异步线路采用字符填充法，也支持在同步线路用硬件来完成比特填充。

HDLC协议

HDLC高级数据链路控制协议是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，所有帧采用CRC检验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重份，传输可靠性高。采用全双工通信。数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现。
HDLC站：主站（负责控制链路，发出帧为命令帧）；从站（受控于主站，按主站命令进行操作，发送帧为相应帧）；复合站（既能发送，又能接收命令帧和响应帧，并且负责整个链路的控制）。
HDLC三种操作方式：1、正常响应方式：从站发送数据需要得到主站同意；2、异步平衡方式：每一个复合站都可以实现对其他站的数据传输。3、异步响应方式：从站无需得到主站允许即可发送。

HDLC的控制字段C按照第一位或第二位的取值不同分为三类，信息帧I（第一位为0，用来传输数据信息或使用捎带技术对数据确认），监督真S（一二位分别为1，0，用于流量控制和差错控制，对信息帧的确认，请求重发，请求暂停等），无编号帧U（一二位均为1，用于对链路的建立、拆除等控制功能）。
PPP帧和HDLC帧的区别：1、PPP协议面向字节，HDLC协议面向比特。2、PPP帧比HDLC帧多一个2B的协议字段。3、PPP协议不用序号和确认机制，只保证无差别接受（用硬件进行CRC检验），而端到端的差错检验由高层协议负责。HDLC协议的信息帧采用了编号和确认机制，能够提供可靠传输。4、HDLC和PPP都只支持全双工，都可以实现对数据的透明传输。

3.8 数据链路层设备

物理层拓展以太网通过光纤调制器和光纤解调器，也可以通过集线器来扩展冲突域，但效率变低了。数据链路层的以太网拓展利用网桥和以太网交换机。

3.8.1 网桥

两个或多个以太网通过网桥连接后，就成为一个更大的以太网，而组成的每一个以太网就称为一个网段。网桥工作在数据链路层的MAC子层，则可以使以太网各个网段成为隔离开的冲突域。
网桥特点：1、必须具有寻址和路径选择功能，以确定帧的传输方向。2、从源网络接收帧，以目的网络的介质访问控制协议向目的网络转发帧。3、网桥在不同或相同的LAN中存储并转发帧必要时还应进行链路层上的数据转换。4、网桥基本不对接收到的帧做修改。5、网桥应该由足够打的缓冲空间，因为帧的到达速率可能高于转发速率。
网桥的优点：1、过滤通信量。2、扩大物理范围。3、可以使用不同的物理层。4、可以互联不同的局域网。5、可靠性增强。6、性能更加高。缺点：1、存储转发增加了时延。2、MAC子层没有流量控制功能（流量控制需要编号机制，编号机制在LLC子层）。3、不同的MAC子层的网段桥接在一起，需要进行帧的格式转换。4、广播信息过多时会产生广播风暴。
网桥具有路由选择功能。按照路径选择算法不同，分为透明网桥和源路由网桥。透明网桥使用一种生成树算法，选择的不是最佳路由。源路由网桥选择是最佳路由。

3.8.2 局域网交换机

实质上是多口的网桥，工作在数据链路层。利用以太网交换机可以方便的实现虚拟局域网VLAN，VLAN不仅可以隔离冲突域，也可以隔离广播域。
交换机Switch原理：检测从以太端口来的数据帧的源和目的地址MAC地址，然后在系统内哦不动态查找表进行比较，若数据帧的MAC地址不在查找表内，则将该地址加入查找表，并且将数据帧发馊给相应的目的端口。
交换机的特点：1、以太网交换机连接的主机都是独占传输媒体，无碰撞的传输数据。2、以太网交换机是通过自学习算法建立转发表的。3、总线以太网使用CSMA/CD协议，以半双工方式工作，而以太网交换机不使用共享总线，没有碰撞问题，因此不使用CSMA/CD协议，一般工作在全双工方式。

3.8.3 广播域、冲突域

广播域：网络中能收到任一设备发出的广播帧的所有设备的集合。简单就是如果一个站点发送一个广播信号，所有能接受到这个信号的设备范围成为广播域。广播域是基于第二层（数据链路层），广播域可以跨网段。
冲突域：在同一个冲突域中每个结点都能够收到被转发帧，简单就是同一时间只能有一个设备发送信息的范围。冲突域是基于第一层（物理层）。
网段：一般指一个计算机网络中使用同以物理层设备能够直接通信的部分。
Hub所有端口都在同一个广播域，冲突域内。Switch所有端口都在同一个广播域内，而每一个端口就是一个冲突域。

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第四章 网络层