【计算机网络】数据链路层
第三章 数据链路层
1 链路层的信道类型
一对一：点对点通信
和ISP服务提供
一对多：广播通信
2 链路层要解决的问题（功能）
链路层的作用是：将有噪声线路变为无传输差错的通信线路，为了达到这个目的，将数据分装成帧，并且提供流量控制。
数据链路的管理包括数据链路的建立、维持和链路的释放。
在数据链路层中，帧是用于描述PDU的单位。（PDU是Protocol Data Unit的简写，中文翻译为协议数据单元，是分层网络结构中对等层次之间传递的数据单位）
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封装成帧
在一段数据的前后部分添加首部和尾部，构成一个帧。首部和尾部的作用：帧定界（确定帧的界限，当帧为ASCII码组成的文本时，可以使用八位二进制数作为帧定界符：SOH、EOT。
其中最大传送单元MTU通常为1500B。
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透明传输
上层不需要考虑下层的实现机理，无论什么SDU均可传输。（SDU服务数据单元：为完成用户所要求的功能而应传送到的数据）
当输入非ASCII码的文本文件时，用字符/字节填充法解决透明传输问题：当发现数据部分存在控制信息时，在之前插入转义字符。
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差错检测
概括来说，传输中的差错都是由于噪声引起的。
记忆小tips：密封，透气性差。
- 两种出错方式
差错检测过程：
例题：
最终发送的数据：要发送的数据+FCS帧检验序列。
计算冗余码：
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加0。假设生成多项式G（x）的阶为r，则加r个0。
具体位数需要根据多项式来看，一般FCS=N，生成多项式为N+1，例如本题多项式为5，则FCS阶为5-1=4。
故加0位数=5-1=4。
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模2除法。数据加0后为：1101 0110 11 0000，除以多项式：
故FCS=1110。所以最终发送数据为：1101 0110 11 1110
3 数据链路层的重要协议
PPP协议和HDLC协议是目前应用最常用的广域网中的链路层协议。
3.1 点对点协议PPP
目前使用最广泛的数据链路层协议，用户使用拨号电话接入因特网一般都使用PPP。（用户计算机和ISP进行通信时所使用的协议）
- PPP协议实现透明传输的方法（传输面向字节，所有帧以字节为单位）
- 异步传输：面向字符：字节填充法（ESC）
- 同步传输：面向比特：零比特填充法（5110遇到5个1后填0）
3.2 HDLC协议
面向比特的高级链路控制规程，而PPP主要是面向字符。
三种帧：信息帧、监督帧、无编号帧。
3.3 广播信道协议
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CSMA/CD协议（802.3协议）冲突检测的载波监听多路访问技术：随机接入。争用带宽。在使用CSMA/CD协议时不肯能同时发送和接受，所以不可能进行 全双工通信，只能进行 半双工通信。
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典型速率：100Mbit/s
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解决信道争用：
对于CSMA/CD，为了确保站点在传输中检测到可能存在的冲突，数据帧的传输时延至少等于信号传播时延的两倍。
**例题：**请简述IEEE802.3以太网采用的介质访问控制协议的工作原理？
答：按照流程图工作原理。
例题：CSMA/CD协议的全称？
答：载波监听 多点接入/碰撞检测（冲突检测），冲突后用截断二进制指数退避算法。
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令牌传递协议：受控接入。轮询访问介质访问控制。
4 重要网络及链路层设备
4.1局域网
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简称LAN，是指某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，使用广播信道。
局域网的体系结构：物理层，LLC，MAC
- 局域网特点
特点1：覆盖的地理范围小，只在一个相对独立的局部范围内联。
特点2：使用专门的传输介质（双绞线、同轴电缆）进行联网，数据传输速率高。
IEEE委员会：802：LAN/MAN；802.11：无线局域网；802.3有线局域网中的以太网。
特点3：通信延迟时间短，误码率较低，可靠性高。
特点4：具有广播功能，能从一个站点方便的访问全网。
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局域网的数据链路层
将局域网的数据链路层拆成两个子层，
媒体接入控制MAC子层：与接入到传输媒体有关。
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构建局域网的要素
速率，时延，拓扑，网间连接设备，价格等。
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WLAN：无限局域网，IEEE802.11，使用星型拓扑，拓扑中的AP是接入点。
4.2以太网（Ethernet）
由三家公司联合开发的基带总线局域网规范，是现有局域网采用的最通用的通信协议标准，以太网使用CSMA/CD技术。
10BASE-T标准，10Mbps，BASE表示基带传输，T表示双绞线。
计算机怎么连到局域网/以太网的？
答：靠适配器（网络接口卡/网卡）。网卡的功能覆盖了物理层、MAC子层等。
- MAC地址/网卡地址：每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家（IEEE规定），后24位厂家自己指定。
常用6个十六进制数表示：
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MAC帧：包含单播帧、广播帧、多播帧。
有效的MAC帧长度为64 ~ 1518字节之间
单播帧：目的MAC地址只发给单独设备。
广播帧：目的MAC地址不专一，是一个广播地址。FF-FF-FF-FF-FF-FF
多播帧：目的MAC地址发给固定的 一组主机。
48位对应6个字节，每个字节8位二进制。
4.2.1 高速以太网
吉比特以太网在半双工下工作时使用CSMA/CD协议，全双工时则不使用，10吉比特只工作在全双工。
4.3 链路层设备
物理层设备的作用：需要中继器或者集线器来延长信号传输距离，扩大网络范围。
链路层设备的作用：扩展以太网的覆盖范围。
- 网桥
透明网桥：自学习方法，即插即用。
原理：自学习和转发帧。
自学习：当接受到帧之后先进性自学习，查找转发表中是否有与收到帧的源地址相匹配的，如何没有则在转发表中加入一个，如果有则自动更新。
转发帧：查找转发表中是否有与源地址相匹配的，没有的话则通过其他所有接口进行转发，如果有则按照接口转发，注意如果转发接口与进入接口相同，则丢弃这个帧。
源路由：事先发现一个比较好的方式。
网桥的好处：过滤通信量，扩大吞吐量。扩大了物理范围，可互联不同物理层，MAC层和不同速率以太网。
- 交换机
例题：
- 例题1
以太网交换机可以隔离冲突域，所以以太网交换机有四个接口，冲突域就有四个。判断有几个广播域，需要再看路由器。
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例题2
MAC地址有48位，其中当按六进制来看，应该是前三位和后三位，物理层设备没有MAC地址。
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例题3
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例题4
D无法比较，广域网是由多个局域网构成的。
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例题5
局域网和广域网的互联是通过路由器，而局域网内部互联通过交换机或网桥
- 当某站检测到媒体空闲后开始发送MAC帧，为什么还需要边发送边检测是否有冲突？最短帧长如何确定？
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例题4
[外链图片转存中…(img-scVW5Tda-1676382105598)]
D无法比较，广域网是由多个局域网构成的。
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例题5
[外链图片转存中…(img-D7kdXsoN-1676382105599)]
局域网和广域网的互联是通过路由器，而局域网内部互联通过交换机或网桥
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当某站检测到媒体空闲后开始发送MAC帧，为什么还需要边发送边检测是否有冲突？最短帧长如何确定？
在检测到信道为空闲时发送数据，并不能保证不会出现碰撞。因为电磁波以有限速率在总线中传播。最短帧长：主机发送的数据帧最短帧长=争用期长度×数据传输速率，如果短于争用期，则还没有检测到冲突已经发送数据了。