计算机网络 之 数据链路层 考前快速复习

数据链路层

重点：

1. 数据链路层的三个基本问题
2. 点对点信道和广播信道的特点，以及PPP协议和CSMA/CD协议 的特点
3. 以太网 MAC 层的硬件地址
4. 适配器、转发器、集线器、网桥、以太网交换机的作用以及使用场合。

3.1 概述

链路：从一个节点到相邻节点的一段物理线路，而中间没有任何其他的交换节点。
数据链路：把实现通信协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。

数据链路层以帧为单位传输和处理数据。

使用点对点信道的数据链路层

• PPP协议
• 三个重要问题：封装成帧、差错检测、可靠传输

使用广播信道的数据链路层

• CSMA/CD协议：载波监听多点接入/碰撞检测

数据链路层的互联设备

• 网桥和交换机的工作原理
• 集线器（物理层的互联设备）与交换机的区别。

三个基本问题

封装成帧

就是在一段数据的前后分别添加首部（帧首部）和尾部（帧尾部），这样就构成了一个帧。
首部和尾部的作用：进行帧定界（确定帧的界限）

为了提高帧的传输效率，应当使帧的数据部分的长度尽可能大些。
但考虑到差错控制等多种因素，每一种数据链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限，即 最大传送单元MTU 。

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。

所以，在数据中出现的控制字符前 插入一个转义字符 “ESC”，在接受端的数据链路层把数据送到网络层之前删除这个插入的转义字符。
这种方法称为：字节填充或字符填充。

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。

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。

• 检错码只能检测帧在传输过程中出现了差错，无法纠正错误。
• 循环冗余检验（CRC）有很好的检错能力（漏检率非常低），虽然计算比较复杂，但非常易于硬件实现。

这个地方有计算题，具体题目解法：戳这里

3.2 点对点协议PPP

点对点协议PPP是目前使用最广泛的点对点数据链路层协议。

特点

互联网用户通常都要连接到某个ISP才能接入到互联网。
PPP协议就是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。

组成

• 对各种协议数据报的封装方法（封装成帧）
• 链路控制协议LCP：用于建立、配置以及测试数据链路的连接。
• 一套网络控制协议NCPs ： 其中的每一个协议支持不同的网络层协议。

帧格式

各字段意义

• 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

字节填充

当PPP使用面向字节的异步传输时，使用字节填充 实现透明传输。

零比特传输

当PPP协议使用面向比特同步传输（一连串的比特连续传送）时，采用零比特填充方法来实现透明传输。
只要发现有5个连续的1，则立即填入一个0.

工作状态

3.3 CSMA/CD 协议

CSMA/CD 协议
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，许多主机以多点的方式连接到总线上。
• 载波监听 ：边发送边监听，每个主机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主机正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每个主机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。

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。

3.4 以太网的MAC

当多个主机连接在同一个广播信道上，要想实现两个主机之间的通信，则每个主机都必须有一个唯一的标识，即一个数据链路层地址

在每个主机发送的帧中必须携带标识发送主机和接收主机的地址。

• 由于这类地址是用于媒体接入控制MAC(Media Access Conto)，因此这类地址被称为MAC地址；
• MAC地址一般被固化在网卡（网络适配器）的电可擦可编程只读存储器EEPROM中，因此MAC地址也被称为硬件地址;
  MAC地址有时也被称为物理地址。请注意:这并不意味着MAC地址属于网络体系结构中的物理层!

一般情况下，用户主机会包含两个网络适配器:有线局域网适配器（有线网卡）和无线局域网适配器（无线网卡)。每个网络适配器都有一个全球唯一的MAC地址。而交换机和路由器往往拥有更多的网络接口，所以会拥有更多的MAC地址。综上所述，严格来说，MAC地址是对网络上各接口的唯一标识，而不是对网络上各设备的唯一标识。