数据链路层

1 信道分类

• 点对点信道：一对一通信方式；
• 广播信道：一对多通信方式。

2 三个基本问题

2.1 封装成帧

将网络层传下来的分组添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。

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2.2 透明传输

• 透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。
• 帧使用首部和尾部进行定界，如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容，那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符，如果出现转义字符，那么就在转义字符前面再加个转义字符，在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符，用户察觉不到转义字符的存在。

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2.3 差错检测

目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验（CRC）来检查比特差错。

3 局域网

• 局域网是典型的一种广播信道，主要特点是网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
• 可以按照网络拓扑对局域网进行分类：

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4 PPP 协议

用于点对点信道中。互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网，PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。

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在 PPP 的帧中：

• F 字段为帧的定界符
• A 和 C 字段暂时没有意义
• FCS 字段是使用 CRC 的检验序列
• 信息部分的长度不超过 1500

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5 CSMA/CD 协议

用于广播信道中。在广播信道上，同一时间只能允许一台计算机发送数据。

CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。

• 多点接入 ：说明这是总线型网络，许多计算机以多点的方式连接到总线上。
• 载波监听 ：每个站都必须不停地监听信道。在发送前，如果监听到信道正在使用，就必须等待。
• 碰撞检测 ：在发送中，如果监听到信道已有其它站正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每一个站在发送数据之前都已经监听到信道为空闲，但是由于电磁波的传播时延的存在，还是有可能会发生碰撞。

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记端到端的传播时延为 τ，最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞，称 2τ 为 争用期 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

当发生碰撞时，站点要停止发送，等待一段时间再发送。这个时间采用 截断二进制指数退避算法 来确定，从离散的整数集合 {0, 1, .., (2k-1)} 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。

6 扩展局域网

6.1 在物理层进行扩展

• 使用集线器进行扩展。

• 集线器的主要功能是对接收到的信号进行放大，以扩大网络的传输距离。

• 集线器不能根据 MAC 地址进行转发，而是以广播的方式发送数据帧。

• 集线器是一种共享式的传输设备，意味着同一时刻只能传输一组数据帧。

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6.2 在链路层进行扩展

最开始使用的是网桥，它收到一个帧时，根据帧的 MAC 地址，查找网桥中的地址表，确定帧转发的接口。

网桥不是共享式设备，因此性能比集线器这种共享式设备更高。

交换机的问世很快就淘汰了网桥，它实质上是一个多接口网桥，而网桥是两接口。交换机的每个接口都能直接与一个主机或者另一个交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。

交换机具有自学习能力，学习的是交换表的内容。交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。下图中，交换机有 4 个接口，主机 A 向主机 B 发送数据帧时，交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B，先查交换表，此时没有主机 B 的表项，那么主机 A 就发送广播帧，主机 C 和主机 D 会丢弃该帧。主机 B 收下之后，查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1，就发送数据帧到接口 1，同时交换机添加主机 B 到接口 3 的映射。

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6.3 虚拟局域网
虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组，只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息，例如下图中 (A1, A2, A3, A4) 属于一个虚拟局域网，A1 发送的广播会被 A2、A3、A4 收到，而其它站点收不到。

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7 MAC 层

MAC 地址是 6 字节（48 位）的地址，用于唯一标识网络适配器（网卡），一台主机拥有多少个适配器就有多少个 MAC 地址，例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器。

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在 MAC 帧中：

类型 ：标记上层使用的协议；
数据 ：长度在 46-1500 之间，如果太小则需要填充；
FCS ：帧检验序列，使用的是 CRC 检验方法；
前同步码 ：只是为了计算 FCS 临时加入的，计算结束之后会丢弃。