数据链路层

第三章_数据链路层

3.1 数据链路层的功能

尽管数据链路层协议繁多，但是他们都需要解决三个基本问题：封装成帧、透明传输 和 差错检测。

3.1.1 封装成帧（组帧）

帧（Frame） 是数据链路层的协议数据单元（PDU），为了方便数据链路层对等实体间传输的管理，所以需要把网络层的 IP 数据报（分组）封装成帧。

那么封装成帧一定要解决两个问题：

• 帧定界： 如何让“接收方”能确定帧的界限。
• 透明传输： 无论帧的数据部分出现什么比特组合，都不会与帧定界符等控制信息相混淆。接收方在接收到帧后能够去除“帧定界”等附加信息，将帧的数据部分恢复为 SDU。

那么有以下四种组帧方法：字符计数法、字节填充法、零比特填充 和 违规编码。

3.1.1.1 字符计数法

在每个帧的开头，用一个定长计数字段表示帧长。如图所示：

3.1.1.2 字节填充法

采用 ASCLL表中的控制符来划分帧的起始与结尾，会遇到数据部分与控制字符相同的问题，采用加转义字符的方式解决。如图所示：

3.1.1.3 零比特填充

和字节填充法类似，但是采用 01111110 这样的特殊比特串表示开始和结束，同理也会出现和上述一样的问题，采用遇5个 1 加（减） 0 的方式解决问题，如图所示： 零比特填充也是 HDLC 协议和 PPP 协议的组帧方式，在现实生活中被广泛使用。

3.1.1.4 违规编码

违规编码是在数字信号上做文章，通过故意产生不符合编码规则的信号来表示特殊控制信息。示意图（采用曼彻斯特编码为例）如下：

3.1.2 差错检测

如果接收方发现了帧内部的一个“位错”，可以有两种解决方案：

• 解决方案一（检错编码）：接收方发现比特错误后丢弃帧，并通知发送方重传帧。如 奇偶校验码、CRC校验码。
• 解决方案二（纠错编码）：由接收方发现并纠正比特错误，如 海明校验码。

3.1.2.1 奇偶校验码（检错编码）

奇偶校验逻辑很简单，用一个比特位（校验位）使所有 数据位 + 校验位（校验码） 中“1”的个数为奇（偶）数：

• 奇校验： 通过设置校验位，使得 校验码中 “1” 的个数为奇数。
• 偶校验： 通过设置校验位，使得 校验码中 “1” 的个数为偶数。

通常双方会事先约定好采用奇校验还是偶校验（一般使用偶校验），那么检测时只需使用异或运算，连续异或所有比特串，结果为 1 表示 数据位 + 校验位（校验码） “1” 的个数为奇数，反之为偶数。 刚好与采用偶校验，需填充的值相同。

值得注意的是，奇偶校验无法检测出偶数位错误。 示意图如下：

3.1.2.2 循环冗余校验码（检错编码）

循环冗余校验码又称 CRC 码。

通常双方事先约定好生成多项式，取最高次幂的幂作为校验位位数，将信息码左移校验位位数，低位补 0 ，再取生成多项式的各阶系数作为除数，右移后的信息位为被除数。进行模 2 除法。产生余数即为校验位。 产生校验位的过程如图所示，难点是理解模 2 除法： 接收方使用同样的除数，对校验码进行模 2 除法，即可判断是否出错。值得注意的是 CRC 是有一定纠错功能的（不常用，说了解就行）。如图所示： 上图例子中，出现两个位无法确定是谁错的情况，其实是信息位太长的问题，超出了校验位的表示范围。如果校验码没有超出校验位的表示范围，那余数与出错位之间就是一一对应的关系。

3.1.2.3 海明校验码（纠错编码）

海明校验码的四步求解步骤如下，易忘点在于理解如何确定不同校验位对应的检测组： 海明校验码具有一位纠错，两位检错的能力，其第四步纠错规则如下：

3.1.3 流量控制与可靠传输

流量控制与可靠传输的概念如下图所示：

3.1.3.1 滑动窗口机制

不论是流量控制还是可靠传输，都与滑动窗口机制有关，这里简单介绍滑动窗口的概念：

• 发送窗口内的帧允许被发送。
• 接收窗口内的帧允许被接收。
• 接收方通过确认机制控制发送方窗口向前移动。

示意图如下：

3.1.3.2 停止等待协议（S-W）

停止等待协议内容如下： 首先我们来看正常的过程： 若是出现数据帧丢失情况，如下图所示： 若是出现确认帧ACK丢失的情况，如下图所示：

3.1.3.3 后退 N 帧协议（GBN）

后退 N 帧协议（GBK Go-Back-N）内容如下： 注意是可以累计确认不是一定累计确认。 其正确的情况如下： 若是出现数据帧丢失情况，如下图所示： 后退 N 帧协议并不是指滑动窗口往后退，而是指如遇需超时重传的帧，后面的所有发送的帧都需要退回来重新传输。

若是出现确认帧ACK丢失的情况，如下图所示： 注意必须满足 Wt + Wr <= 2ⁿ，若不满足极有可能出现帧失序的情况，如下图所示：

3.1.3.4 选择重传协议（SR）

选择重传协议（SR Selective Repeat）的内容如下： 注意，虽然发送窗口 Wt 和接收窗口 Wr 都能大于 1 ，但是除了 Wt + Wr <= 2ⁿ，还需满足 Wr <= Wt ，这样是为了提高滑动窗口的效率因为 确认帧/否认帧 一旦发出，接收方滑动窗口就能移动了，在实际中一般取 Wr == Wt。 那么正确的过程如下： 若是出现数据帧丢失情况，如下图所示： 若是检测出错，且不能纠错，将其出错帧丢弃后，会发送否认帧 NAK，这是 SR 协议的特色，主动请求重传。情况如下图所示： 若是出现确认帧ACK丢失的情况，如下图所示： 与 GBN 相同，若不满足 Wt + Wr <= 2ⁿ，若不满足极有可能出现帧失序的情况。

3.1.3.5 三种协议的信道利用率分析

首先补充一些术语，如果题目中提到：

• 滑动窗口协议： 指的是 GBN 或 SR，S-W不算在内。
• ARQ 协议（自动重传请求）： 指的是 S-W、GBN 和 SR 这三种协议。
• 连续 ARQ 协议： 指的是GBN 或 SR

来看停止等待协议（S-W） 的信道利用率分析，计算方式如下： 用一个真题来练习，如下图所示：

接下来看 后退 N 帧协议和选择重传协议，这两个做题时，在公式方面是一样的： 以两道真题熟悉：

3.2 介质访问控制

3.2.1 信道划分介质访问控制

信道划分介质访问控制是通过复用技术，将同一传输介质上的多个设备通信隔离开来。实质是通过分时、分频、分码等方式，将一个广播信道在逻辑上划分为若不相关的子信道，主要有以下四种方法：

3.2.1.1 时分复用（TDM） 与 统计时分复用（STDM）

时分复用就是将传输时间划分为等长的时间片，构成一个 TDM 帧，每个时间片又划分为多个时隙，对应每个用户，每个用户的对应时隙在 TDM 帧中的位置不变。 注意：TDM 帧是一段固定长度的时间间隔，与数据链路层中的 “帧” 概念不同。 如图所示： 当某用户暂无数据发送时，其分配的时隙仍被保留，因此信道利用率降低。

也因此将 TDM 进行改进得到 统计时分复用（STDM 也称异步时分复用）。STDM 不固定分配时隙，而是按需动态分配时隙。仅当用户有数据发送时，才为其分配 STDM 帧中的时隙。从而显著提高线路利用率，如图所示：

3.2.1.2 频分复用（FDM）

频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM） 就是分频带，总带宽为 0-6000Hz，用户一用 0-2000Hz，用户二用 2500-4000Hz，用户三用 4500-6000Hz。用户之间空出来的频带就是隔离频带，如图所示：

3.2.1.3 波分复用（WDM）

波分复用技术这里的波，指的是波长。本质和频分复用技术是一样的。因为光速恒定，不同波长自然也就对应不同频率。如图所示：

3.2.1.4 码分复用（CDM）

在 2G、3G 网络时代，节点之间的通信常用的技术是 CDMA（Code Division Multiple Access） 技术，而 CDMA 技术的底层原理就是 码分复用（CDM Code Division Multiplexing），这里的码，指的是码片，不是码元。 其过程如下： 各个站点会提前知道各个站点的码片序列，但是要求任意两站的码片能够相互正交，以方便后续计算规格化内积，示例如图所示： 在来一个难一点的例子： 上图的例子实际上来源于下图的真题：

3.2.2 随机访问介质访问控制

随机访问介质访问控制知识发展过程总览如下：

3.2.2.1 ALOHA 协议

ALOHA 协议分为纯 ALOHA 协议和时隙 ALOHA 协议。对比如下： 纯 ALOHA 协议： 纯 ALOHA 协议的基本思想是：在总线形网络中，任意一站点需要发送数据的时候，直接发送，若一段时间后没有收到 ACK ，认为发送失败，发生冲突。已经确认发生冲突后随机等待一段时间再发送，直至成功。 示意图如下： 时隙 ALOHA 协议： 为了克服纯 ALOHA 协议发生冲突概率高，协议吞吐量低这一缺点而提出时隙 ALOHA 协议。基本思想是：将时间划分为等长的时隙（Slot），并要求所有站点同步时钟，站点只能在每个时隙的起始时刻发送帧（等时间槽），且一帧的发送时间必须小于一个时隙长度。确认发生冲突后，还是随机等待一段时间再找时隙发送。 示意图如下：

3.2.2.2 CSMA 协议

CSMA（Carrier Sense Multiple Access）协议，即载波监听多路访问协议。是在 ALOHA 协议的基础上引入了载波监听机制。即监听信道是否空闲。

CSMA 协议分为 1-坚持 CSMA、非坚持 CSMA 和 p-坚持 CSMA。1 和 p 代表的都是概率（监听发现信道空闲后即刻发送数据的概率），坚持表示若信道不空闲，是否坚持监听信道直到空闲。非坚持 CSMA 可以理解成 1-非坚持 CSMA。

三种 CSMA（1-坚持、非坚持、p-坚持）本质上都是在 “连续时间信道” 上工作的，不是时隙化信道。只有 p-坚持 CSMA 在描述算法时引入了时隙概念。

1-坚持 CSMA： 一直监听，信道一空就立刻发送。 过程图如下： 非坚持 CSMA： 信道忙就随机等一段时间再监听。 过程图如下： p-坚持 CSMA： 一直监听，信道空闲时，以概率 p 发送。p-坚持 CSMA 就是 1-坚持 CSMA 和 非坚持 CSMA 两种方案的折中方案。 过程图如下：

CSMA 协议本身没有冲突检测功能，发生冲突后只能依赖接收方检测出错，并通过 S-W、GBN、SR 等上层可靠传输协议重发。 CSMA/CD 则可以实时检测并处理冲突。 CSMA/CA 也不检错，但是会尽量避免冲突。

3.2.2.3 CSMA/CD 协议

这个协议主要用于早期的总线形以太网。早期以太网使用同轴电缆作为传输介质，自然是半双工。这个协议也是考研中爱考的点。 CSMA/CD 协议内容大纲如下： 首先需要介绍 CSMA/CD 协议的流程，示意图如下：

我们还需明确三个概念：

1. 争用期：
2. CSMA/CD 协议的最短帧长： 是以太网规定了的定值，为 64B，其制定逻辑如下图所示。
3. CSMA/CD 协议的最长帧长： 为了防止某些结点一直占用信道，以太网将其规定为 1518B。

3.2.2.4 CSMA/CA 协议

CSMA/CA 协议适用于 IEEE 802.11 无线局域网（Wi-Fi），是考研中的难点，但不是重点。 其核心要点总结如下： 首先需介绍三个概念：

• AP（Access Point）： 即接入点，收集所有终端的无线信号、集中转发数据、可以管理冲突、避免碰撞（CSMA/CA + RTS/CTS）。家用路由器 = 路由器 + 以太网交换机 + AP，AP 可以看成是家用路由器上那根长长的线。
• 隐蔽站： 无线通信中，并非所有站都能够互相侦听到对方（站的侦听范围有限），当两个互相无法侦听的站同时向同一个 AP 发送数据的时候，会在这个 AP 这里造成冲突，这两个站互为隐蔽站。
• DIFS、PIFS 和 SIFS： DIFS（分布式协调 IFS）是最长的 IFS（帧间间隔） ，在 DCF 模式下用来发送数据帧和管理帧；PIFS（点协调 IFS）中等长度的 IFS ，在 PCF 方式中使用；SIFS（短 IFS），用于分隔同一段对话中的连续帧。不需要具体深究，只需要知道 DIFS > PIFS > SIFS ，然后记住图就行。

为什么 CSMA/CD 协议无法用于无线局域网？其原因在于：

• 适配器收到的信号强度通常远小于其发送信号的强度，且无线信道中信号强度动态范围大，若要实现冲突检测，硬件成本过高。
• 无法解决隐蔽站问题。

CSMA/CA 协议分布式协调功能（DCF），过程如图所示： CSMA/CA 协议点协调功能（PCF），这个功能可以选择是否启用，过程如图所示：

3.2.3 令牌传递协议

令牌传递协议（用于令牌环网技术）实际是一个过时的协议，运用于环形拓扑结构的网络之中，在上世纪 80 年代极为流行。最终被星形结构的以太网技术淘汰。该节简单了解即可。过程如下：

以太网技术（总线形）<--竞争对手--> 令牌环网技术（环形）
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以太网技术（星形，彻底解决总线争用问题）
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令牌环网技术被淘汰            

令牌其实就是令牌帧，我们首先介绍 令牌帧 和 数据帧 两个概念： 令牌会在环网中不断地被传递，令牌途经不需要传输数据的节点时，修改令牌号将其传输给下一个节点。

遇到需要传输数据的节点，该节点就将就将令牌帧转化为数据帧，使其在环形网络中单向传递（一个令牌传递一帧）。

令牌帧 和 数据帧传递过程如下：

在介绍 MAU 的概念以方便理解令牌环网技术，如图所示：

3.3 局域网

3.3.1 局域网基本概念和体系结构

首先先介绍什么是 IEEE，IEEE 是电子电气工程师学会，所谓 IEEE 802 委员会是 IEEE 内部为推动局域网技术标准化而成立。而在局域网发展过程中有很多优秀的局域网技术。IEEE 802 委员会为其专门成立了各个小组以推动其标准化，如：

• IEEE 802.3 工作组： 以太网技术。
• IEEE 802.5 工作组（已解散）： FDDI 光纤分布数字接口。
• IEEE 802.8 工作组（已解散）： 令牌环网技术。
• IEEE 802.11 工作组： Wi-Fi 技术。

关于局域网的基本概念和体系结构如下图所示，图片很大，耐心观看：

3.3.2 以太网 和 IEEE 802.3

以太网是一种局域网技术。它本质上是一套涵盖物理层和数据链路层的局域网技术规范。

两种以太网标准（极其相似）：

• IEEE 802.3 标准： LLC 层 + MAC 层 + 物理层
• DIX Ethernet V2 标准（发明以太网的三家公司制定）： MAC 层 + 物理层

这两种标准先有，后来才总结出来了 OSI 网络模型。 其中 MAC （Media Access Control）称为介质访问控制层；LLC（Logical Link Control）成为逻辑链路控制层。

3.3.2.1 以太网标准（物理层）

首先介绍 IEEE 802.3 工作组推出的以太网标准的物理层。 当使用双绞线作为传输介质的时候，使用交换机连接的终端节点默认都能够进行全双工通信。而使用集线器的连接的节点仅支持半双工通信。如图所示：

3.3.2.2 以太网标准（MAC（介质访问控制） 层）

IEEE 802.3 标准中的 MAC 层 + LLC 层 与 DIX Ethernet V2 标准的 MAC 层都可以视作 OSI 网络模型中的数据链路层。

注意：MAC 层对应的是数据链路层，MAC 帧也是数据链路层的。

接下来介绍两种以太网标准的 MAC 层标准，我们只需要了解这两种标准在“帧”的格式上的区别。DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 802.3 标准的 MAC 帧格式非常相似。只在两个字节表示的含义不同。 如图所示：

3.3.2.3 单播帧与广播帧

单播帧和广播帧的概念如下图所示： 进而能够引出冲突域和广播域的概念，我们以一道真题来熟悉：

3.3.3 VLAN

VLAN（Virtural LAN）即虚拟局域网，由 IEEE 802.1Q 工作组负责进行推进。

VLAN 的作用是在逻辑上划分广播域，每个 VLAN 就是一个广播域。若是没有 VLAN 整个局域网就是一个极大的广播域，不利于信息的保密与安全隔离，甚至容易出现广播风暴。如图所示： 关于 VLAN 的划分方式有三种：基于接口（端口）、基于 MAC 地址、基于 IP 地址。如下图所示：

• 基于接口（端口）:
• 基于 MAC 地址：
• 基于 IP 地址： 这种划分方式能够让 VLAN 跨越路由器，让多个局域网的主机组成一个 VLAN （需要网络层的功能支持）。

那么各个交换机之间是怎么知道该帧属于哪个 VLAN 呢，当然，对于每个以太网帧都需要在其中添加 VID 和进行重新计算 CRC 校验码。这样的帧称之为 802.1Q 帧，格式如下：

3.3.4 无线局域网 和 IEEE 802.11

无线局域网分为两类：有固定基础设施的无线局域网和无固定基础设施的移动自组织网络（不属于考纲重点）。

采用 IEEE 802.11 标准的无线局域网通常称为 Wi-Fi，类似于以太网是基于 IEEE 802.3 标准的局域网技术。

Wi-Fi 与 以太网相比，最大的不同在于介质的不同，其采用同一网络分层模型（OSI/ TCP-IP思想），也有 MAC 层。帧也叫做 MAC 帧

3.3.4.1 有固定基础设施的无线局域网

其基本概念及术语如下：

3.3.4.2.无固定基础设施的移动自组织网络

概念如下图所示： 注意：手机当热点实现自组织网络，其他手机连他。属于 有固定基础设施的无线局域网，这时候，该手机充当 AP，而 无固定基础设施的移动自组织网络 不需要 AP，所有站点地位平等并直接通信。

3.3.4.3 802.11 局域网数据帧（无线 MAC 帧）

802.11 帧分为三种：

• 数据帧
• 控制帧：如 ACK、RST 和 CTS。
• 管理帧：如 探测请求/探测响应帧。

802.11 局域网数据帧（无线MAC帧） 格式如下： 我们以一道真题来熟悉：

3.4 广域网

3.4.1 广域网的基本概念

广域网的概念存在感很低，不用过多了解，示意图如下：

3.4.2 PPP 协议

点对点协议（Point-to-Point Protocol，PPP） 是目前最流行的点对点链路控制协议。主要有两种应用场景：

1. 用户接入互联网时与 ISP 之间的通信。即用户家庭路由器 <—> ISP 边缘设备（接入路由器/BRAS/OLT/CMTS 等）
2. 两台网络设备之间通过直连专线通信。

其协议内容如下： 其 PPP 协议的工作过程如下图所示，主要在于理解其 LCP 和 NCP 两个子协议的工作过程：

3.5 数据链路层设备

3.5.1 以太网交换机

以太网交换机的内容如下图所示： 交换机作用过程如下：

1. 学习源 MAC 地址：交换机读取帧的源 MAC 地址，并将 {MAC 地址，入端口} 写入或更新到交换表。这一过程称为自学习，可使交换机动态掌握各主机的连接位置。
2. 查看目的 MAC 地址：交换机解析帧的目的 MAC 地址，并根据其类型（单播、广播或组播）采取相应的转发策略。
3. 决策与转发： 为单播帧（目的 MAC 地址为普通主机地址）时，交换机在交换表中查找该目的地址：若找到对应表项（已知目的地址），则仅从该表项所指端口转发，实现精准交付；若未找到对应表项（未知目的地址），则执行未知单播帧泛洪（或称洪泛），即将帧从除接收端口外的所有其他活动端口转发出去，确保目标主机能收到。 为广播帧（目的 MAC 地址为 FF:FF:FF:FF:FF:FF）时，交换机不查询转发表，直接将帧泛洪到除接收端口外的所有其他活动端口。 为组播帧（目的地址为组播 MAC 地址）时，交换机通常也默认执行泛洪处理。

自学习功能： 交换机具有自学习功能，通过自学习算法构建并维护转发表。 注意：只有节点通过以太网交换机进行发送数据，以太网交换机的交换表才会记录其 mac 地址对应端口号。对于目的 mac 地址不在交换表上的情况，只能通过广播帧（发往所有端口（除了入端口）的形式进行发送。 为了防止终端节点因改编端口（拔线跑路）而造成的交换表地址错误，通常会设置“过期自动作废”的机制。如图所示：

交换机内部交换方式： 交换机在内部具有两种交换方式，如下图所示：