数据链路层

信道类型：点对点信道(PPP)、广播信道

三个基本问题

封装成帧：将上层的IP数据报分组前后添加首部和尾部构成一个数据帧。帧定界(首尾部)。
透明传输：使用字节填充和比特填充使得PDU里面不包含帧定界符。发送端数据链路层在”SOH”,”EOT”的前面插入一个转义字符”ESC”，接收端的数据链路层在将数据发送到网络层之前删除插入的转义字符。
差错检测：在数据后面添加的冗余码(FCS),使用循环冗余检验方法(CRC)进行帧差错检测。

冗余码计算：在数据(k位)后面添加n个0(根据生成多项式最高项数决定)，使用(k+n)位的数除以(n+1)位的除数P进行除法得到商Q和余数R(n位)，把余数R作为冗余码添加在数据M后面进行发送。即发送的数据是：2nM+R。

CRC原理：在发送端时将分组数据后面添加n位冗余码一起发送。接受端对得到帧数进行检验，若余数R=0则帧无差错，否则有差错。

差错控制基本方式：检错反馈/重发、 前向纠错方式、混合法。

点对点协议(PPP)

在串行链路上封装ip数据报的方法，异步链路和同步链路。

链路控制协议(Link Control Protocol,LCP)：用于建立、配置和测试数据链路连接、通信的选项。

网络控制协议(Network Control Protocol,NCP)：用于建立、配置多种不同网络层协议。

ppp帧格式

首部四个字段和尾部两个字段

ppp首部

首部中的标志字段F(Flag)，规定为0x7E(符号0x表示它后面的字符是用十六进制表示的。十六进制的7E的二进制表示是01111110)，标志字段表示一个帧的开始。
首部中的地址字段A规定为0xFF(即11111111)。
首部中的控制字段C规定为0x03(即00000011)。
首部中的2字节的协议字段：
(1)当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。
(2)当协议字段为0xC021时，PPP帧的信息字段就是PPP链路控制协议LCP的数据。
(3)当协议字段为0x8021时，PPP帧的信息字段就是网络层的控制数据。
ppp中间部分为信息长度，即为ip数据报长度，小于MTU1500字节。

ppp尾部

• 尾部中的第一个字段(2个字节)是使用CRC的帧检验序列FCS。
• 尾部中的标志字段F(Flag)，规定为0x7E(符号0x表示它后面的字符是用十六进制表示的。十六进制的7E的二进制表示是01111110)，标志字段表示一个帧的结束。

标志字段就是ppp帧的定界符

透明传输实现方式

字节填充

当PPP使用异步传输时，它把转义符定义为0x7D，并使用字节填充。
RFC1662规定了如下填充方法：
(1)把信息字段中出现的每一个0x7E字节转变为2字节序列(0x7D，0x5E)。
(2)若信息字段中出现一个0x7D的字节(即出现了和转义字符一样的比特组合)，则把转义字符0x7D转变为2字节序列(0x7D，0x5D)。
(3)若信息字段中出现ASCII码的控制字符(即数值小于0x20的字符)，则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。例如，出现0x03(在控制字符中是“传输结束”ETX)就要把它转变为2字节序列的(0x7D，0x31)。
由于在发送端进行了字节填充，因此在链路上传送的信息字节数就超过了原来的信息字节数。但接收端在接收到数据后再进行与发送端字节填充相反的变换，就可以正确地恢复出原来的信息。

0x7D,0X5E –> 0x7E(帧定界标识符) 0x7D(转义符) –> 0x7D,0X5D

零比特填充

当PPP使用同步传输时，使用零比特填充。
零比特填充的具体方法：
(1)在发送端先扫描整个信息字段(通常使用硬件实现，但也可以用软件实现，但是会慢一些)。
(2)只要发现有5个连续的1，则立即填入一个0。
(3)接收端在收到一个帧时，先找到标志字段F以确定帧的边界，接着再用硬件对其中的比特流进行扫描，每当发现5个连续1时，就把5个连续1后的一个0删除，以还原成原来的信息比特流。
因此通过这种零比特填充后的数据，就可以保证在信息字段中不会出现连续6个1。

ppp协议工作状态

工作流程：

1、用户通过调制解调器呼叫路由器拨号接入 ISP 后，就建立了一条从用户pc 到 ISP 的物理连接(物理层)。
2、用户pc 向 ISP 发送一系列的链路控制协议LCP分组（封装成多个 PPP 帧），这些分组及其响应选择了将要使用的一些PPP参数，建立LCP连接(配置确认帧、配置否认帧、配置拒绝帧)

3、LCP连接建立后，传送特定格式的分组来鉴别彼此的身份。

3、LCP连接鉴别成功后，进行NCP配置协商，网络控制协议NCP给新接入的用户pc分配一个临时IP，建立 NCP链路，可以开始通信
4、用户通信完毕，发送终止请求LCP分组，NCP释放网络层连接，收回临时IP，转入链路终止状态。然后LCP释放数据链路层连接。最后释放物理层连接。

ppp协议特点

• 简单。接收方每收到一个数据帧就对其进行CRC检验，正确就收下，否则就丢弃
• 封装成帧。规定特殊字符作为帧定界字符，使得接收方能准确找到帧开始和结束位置。
• 透明传输。数据中出现与帧定界符号相同比特组合时，规定一些措施解决这个问题
• 支持多种网络协议在同一条链路上运行。
• 支持多种链路上运行。串行和并行，同步或异步，低速或高速。

ppp链路适用于线路质量不太差的情况下。

ppp不使用帧的编号，帧的编号为了帧传输出错时有效重传，但由于ppp协议不需要实现可靠传输，不使用帧的编号。

ppp协议不能用于可靠传输原因：当通信质量太差的情况下，由于ppp帧没有使用编号和确认机制，必须依靠有编号和重传机制的上层协议来保证数据传输，这样就使得数据传输效率低下，浪费网络资源。

广播信道

局域网中的数据链路层

按网络拓扑划分：星形线(由于集线器和双绞线使用广泛应用)、环形网、总线网(避免电磁波反射)、网状网络

共享信道技术：

• 静态划分：频分复用、时分复用、波分复用、码分复用等
• 动态媒体接入控制：多点接入。随机接入+受控接入

“传统以太网”指10Mb/s的以太网。

以太网两个标准：DIX Ethernet V2(严格以太网)+IEE 802.3(拆分成逻辑链路控制LLC、媒体接入控制MAC子层)

适配器(网卡)：数据串行和并行传输的转换，计算机MAC地址在适配器的ROM中，IP地址在计算机的存储器中。

CSMA/CD协议

载波监听多址接入/碰撞检测(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

载波监听多址接入：在计算机以多点接入在一根总线的计算机网络中，每个站点在发送数据之前需要先检测总线是否被占用，若线路被占用则不发送数据以免发生碰撞，否则就发送数据。使用电子技术检测总线是否存在数据信号。

碰撞检测：计算机边发数据边检测信道上的信号电压大小。

使用该协议的以太网只能进行双向交替通信(半双工通信)。

集线器工作在物理层(物理结构星型，逻辑为总线型)，网桥在数据链路层。

电磁波在1km电缆传播时延约为5us.

MAC地址：在局域网中计算机适配器ROM的硬件地址，物理地址(48位地址/6个字节)。IEEE的注册管理机构RA向厂家分配 地址字段的前3个字节(高位24位)，地址字段中的后3个字节(低位24位)由厂家自行指派(扩展标识符)。

以太网MAC帧格式标准：DIX Ethernet V2标准，IEEE的802.3标准

为了确保发送站点在传输时检测可能的冲突，数据帧的传输时延至少要等于信号传播时延的2倍。争用期就是以太网端到端往返时间2r，碰撞窗口。

以太网帧格式：

以太网V2帧首部14字节，尾部4字节。

前同步码：是接收端适配器和发送端时钟同步，实现位同步

帧开始定界符：提示适配器准备接收发送端MAC帧

扩展以太网

物理层扩展以太网

扩展主机和集线器之间距离使用光纤(一对光纤)和一对光纤调制解调器(光电信号转换)。

基本使用集线器的双绞线以太网，在物理上是星型的，在逻辑上是总线型的

数据链路层扩展

网桥：根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤，存储转发方式。

网桥依赖转发表来转发帧不改变帧的源地址，通过内部接口管理软件和网桥协议实体实现。增大了时延，可能产生广播风暴。

透明网桥

标准是IEEE802.1D，无需人工配置，将每收到的帧记录器源地址和进入网桥接口建立转发表。

网桥自学习和转发帧的一般步骤：

• 收到帧后自学习，查找转发表是否有与收到帧源地址相匹配的项目，没有就增加，有就更新
• 查找转发表中是否存在与收到帧目的地址相匹配的项目，有就通过该接口进行转发，没有就将该帧通过其他接口进行转发。注意的是当转发表中给出的接口为进入网桥的接口时，则丢弃该帧。

生成树算法：将互连在一起的网桥在彼此通信后，找到原来的网络拓扑的一个子集。(不存在回路，任何两个站之间只有一条路径)

源路由网桥

由发送帧的源站负责路由选择。源站项目的站广播发送发现帧，传送过程中发现帧记录经过路由，使得源站选择一个最佳路由；帮助源站确定通过帧的最大路由。

多接口网桥-以太网交换机

多接口网桥。方便实现VLAN(虚拟局域网)服务，限制接收广播信息的工作站数，避免广播风暴。

帧格式：在以太网帧格式加入4字节的VLAN标记，区分虚拟局域网。

高速以太网

100Base-T以太网

速率达到或超过100Mb/s的以太网。

可在全双工方式下工作而无冲突发送。

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物理层标准：

100Base-TX:使用两对UTP5类线或屏蔽双绞线STP 100m
100Base-FX:使用两对光纤 2000m
100Base-T4:使用四队UTP3类线或5类线 100m

吉比特以太网

速率达到或超过1000Mb/s的以太网。

10GE只工作在全双工方式

以太网进行宽带接入

FTTx使用pppoe方式进行接入

知识要点

1、通过一些数据链路层协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。

2、数据链路层中数据传送单位是帧。

3、在计算机通信中，采用检错重发进行差错控制。

4、链路的两种基本配置，非平衡配置和平衡配置

5、用户接入的方法是，用户使用拨号电话线接入和使用专线接入

6、载波监听多路访问CSMA技术的退避算法有非坚持、1-坚持、P-坚持。

7、ATM的信元具有固定的长度，为53字节，其中5字节是信头，48是信息段。

8、以太网交换机的数据转发方式分为 直接交换、存储转发交换、改进的直接交换

简答题

1、在停止等待协议中，应答帧中不需要序号。

答：接收方每接到一个正确的数据后，都立即向发送方回送个应答帧，发送方只有收到上一个数据的确认帧后，才继续发送下一帧。无需对应答帧进行编号。

2、HDLC帧各字段的意义。

标志字段F：标明帧的开始和结束

地址字段A：非平衡方式传送时写入次站的地址，在平衡方式下填入应答站的地址。

帧校验序列FCS：检验所有地址字段

控制字段C。

根据标志字段和地址字段比特的取值将HDLC帧划分为信息帧、监控帧和无编号帧。

3、零比特填充法。

在HDLC的帧结构中，若在两个标志字段之间的比特串中出现了标志字段F(0011111100，6个连续的1)会被误认为是帧边界。避免这种情况使用零比特填充法进行处理。具体做法：当发送端数据检测到5个连续1时，立即在后面填上一个0.在接收端发现5个连续的1时，将这5个连续1后的0删除进行还原。

4、正常响应方式特点。

只有主站才能发起向次站的数据传输，而次站只有在主站向她发送命令帧进行轮询时才以响应帧的形式回答主站。

5、数据链路层功能

通过一系列的控制和管理，构成透明的、相对无差错的数据链路，向网络层提供可靠、有效的数据帧传送服务。主要功能包括链路管理、帧定界、流量控制、差错控制、数据和控制信息的识别、透明传输和寻址。

6、差错控制方法及其特点。

检错重发(ARQ)：接收端检测到接受信息有错时，通过自动要求发送重发保存的副本以达到纠错的目的。(需要编码)

前向纠错(FEC)：接受端检测到接受信息有错后，通过计算确定差错位置并自动加以纠正。(需要编码)

混合方式：接受端采取纠检错混合，对少量差错予以自动纠正，超过其纠正能力的差错通过重发的方法加以纠正。

信息反馈(IRQ)：接收端把收到的数据序列全部由反向信道送回给发送端，发送端比较其发送的数据序列和送回的数据序列从而发现是否有错误，并把认为错误的数据序列的原始数据再次发送直到发送端没有发现错误为止。(不需要编码)

7、网络适配器的作用对数据的串行和并行传输进行转换，并且能够对缓存数据进行操作实现以太网协议，实现帧的传送和接受、对帧进行封闭等。工作在物理层和数据链路层。

8、帧定界使接收方能从收到的比特流中准确的区分出一个帧数据的开始和结束在什么地方，避免发生帧数据错误，造成数据混乱导致通信失败；透明传输使得不管所传数据是什么样的比特组合都能够在链路上传送；差错控制主要包括差错检测和差错纠正，降低传输的比特差错率。

9、PPP协议工作状态：“链路静止”状态、“链路建立“状态、”鉴别”状态、“网络层协议”状态、“链路打开”状态和“链路终止”状态。

用户要使用PPP协议和ISP建立连接进行通信需要建立的连接为链路静止、链路建立、鉴别、网络层协议、链路打开。

链路静止时，在用户PC和ISP的路由器之间并不存在物理层的连接。

链路建立时，目的是建立链路层的LCP连接，协商配置选项。

鉴别时，只允许传送LCP协议的分组、鉴别协议的分组以及监测链路质量的分组，发送身份标识符和口令。

网络层协议时，PPP链路两端的网络控制协议NCP根据网络层的不同协议互相交换网络层特定的网络控制分组。

链路打开时，链路的两个PPP端点可以彼此向对方发送分组。

10、局域网的主要特点

（1）功能角度：

共享传输信道，多个系统连接到一个共享的通信媒体。

地理范围有限，用户个数有限。覆盖范围一般在10m - 10Km

传输速率高。一般在1-100Mb/s

误码率低，近距离传输。

多采用分布式控制和广播式通信。

（2）网络体系结构和传输规程：

底层协议简单。距离短、时延小、成本低、传输速率高、可靠性高。

不单独设置网络层。网内一般不需要中间转换，流量控制和路由选择

采用多种媒体访问控制技术。

局域网采用广播通信是因为局域网中的机器都连接到同一条物理线路，所有主机的数据传输都经过这条链路。将主机要发送的数据发送到公用链路上的所有主机，接收端通过地址对比接收属于自己的数据并丢弃其他数据。广域网是由更大的地理空间、更多的主机构成的网络，若使用广播通信可能会导致网络无法运行。当主机A向主机B发送数据时，是向网络中所有的主机发送数据，当主机数量庞大时，严重消耗主机A的处理能力，造成数据的无效流动，易产生广播风暴，使网络无法运行。

11、常用的局域网的网络拓扑有总线网、星形网、环型网、树型网。现在最流行的是星形网络拓扑。

当时可靠的星形拓扑结构较贵，并且无源的总线型结构更加可靠。但当连接有大量站点的总线式以太网很容易出现故障，而现在专用的ASIC芯片使用可以将星形结构的集线器做的非常可靠。

12、以太网是现有局域网采用最通用的通信协议标准。传统以太网一种传输速率为10Mb/s的以太网。在以太网中，采用共享传输媒体，所有主机通过总线型拓扑结构连接在同一条同轴电缆上，采用CSMA/CD(载波监听多址接入/碰撞监测)方法进行传输。

以太网封装帧格式：DIX Ethernet V2标准、IEE802.3标准

13、码元传输速率为波特率。以太网使用曼彻斯特编码(用电平跳变来表示1或0的编码方法)，即意味着发送的每一位都有两个信号周期。波特率为数据速率的两倍。

14、为了能使数据链路层更好使用多种局域网标准，802委员将局域网的数据链路层拆成两个子层，逻辑链路控制(LLC)子层和媒体介入控制(MAC)子层与接入传输媒体有关的内容都放在MAC子层中，而LLC子层与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对LLC子层都是透明的。并且由于现在TCP/ip体系经常使用的局域网协议是DIX Ethernet V2而不是802.3，所以逻辑链路控制子层(LLC)的作用已经不大啦，很少使用。

15、“10Base-T”各数字字母代表的含义

“10”：表示传输速率为10Mb/s。

“Base”:表示电缆上的信号是基带信号。

“T”：表示使用双绞线的最大长度是500m。

16、CSMA/CD与TDM相比优缺点。

优势：CSMA/CD是一种动态的媒体随机接入共享信道方式，TDM是一种静态的信道复用。CSMA/CD是用户共享信道，TDM是为用户按时隙固定分配信道，当用户没有数据需要传送时，信道在用户时隙是浪费的，相比而言CSMA /CD更灵活，提高信道的利用率。

劣势：CSMD/CD当同时有用户使用信道时会发生碰撞，而TDM中用户在分配的时隙中不会与别的用户发生冲突。

对于局域网来说，连入信道的是相距较近的用户，通信信道带宽较宽，若使用TDM方式，用户在自己的时隙内没有数据发送的情况会更多，不利于信道的充分利用。

17、比特时间：传输1bit所需要的时间。这种时间单位与数据率密切相关，用来计量时延可以将时间与数据量联系起来,当计算比特时间需知道数据传输速率。10mb/s和100mb/s的争用期是512比特时间。

18、以太网的极限信道利用率与链接在以太网上的站点数无关；以太网利用率与连接在以太网上站点数有关。极限信道利用率是基于在各个站点都依次发送各自的数据，不会产生碰撞的以太网。而真实以太网传输数据是随机的。

19、集线器中每个站点共享带宽，交换机每个站点独占带宽。

20、以太网传输速率提高后需要解决哪些技术问题？

由于以太网传输速率提高，数据帧的发送时间按比例缩短。在局域网中进行传输会影响冲突的检测，所以需要减小最大电缆长度或增大帧的最小长度，才能有效地检测冲突。

21、以太网交换机是一个工作在数据链路层的多端口网桥。以太网交换机的每个端口都直接与一个单个主机或另一个集线器相连，并且工作在全双工方式。交换机能同时来连通多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体一样，进行无碰撞地传输数据。通信完成后就断开连接。

区别：以太网交换机工作在数据链路层，集线器工作在物理层 。集线器只对端口上进来的比特流进行复制转发，不能支持多端口的并发连接。

虚拟局域网的实现：由局域网网段构成的、与物理位置无关的逻辑组。每个VLAN都有一个标识符指名发送帧站点的VLAN。IEEE802.3ac标准在以太网帧格式中添加了4字节的VLAN标识来辨别所属VLAN站点。

22、网桥工作原理特点：

网桥的每个端口与一个网段相连。当网桥从端口接收主机传送的数据帧，先将其暂存在其缓冲区中，若此帧未出现差错，且目的数据帧MAC地址在网桥转发表中则通过查找转发表将其转发到对应的端口。若此帧出现差错则丢弃此帧。在转发表中未存在目的MAC地址的项目，则从非进入端口进行广播传送。当转发表中目的MAC地址对应端口与该帧进入端口相同时，则丢弃该帧。

网桥过滤了通信量，扩大了物理范围，提高了可靠性，可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的局域网。增加了时延，对用户太多和通信量太大的局域网不合适。

网桥与转发器不同：

网桥工作在数据链路层，而转发器工作在物理层。

网桥只转发未出现差错且目的MAC地址存在与转发表的数据帧。

网桥在转发数据帧前必须执行CSMA/CD算法，转发器不用。

网桥和转发器都有扩展局域网的作用，网桥还能提高局域网的效率。

网桥和以太网交换机区别：

以太网交换机通常有十几个端口，网桥一般只有2-4个端口，都工作在数据链路层。

网桥端口一般连接到局域网，以太网交换机每个接口都直接连接主机，交换机允许多对计算机同时通信，网桥允许每个网段上的计算机同时通信。以太网交换机是一个多端口的网桥。

网桥采用存储转发方式进行转发，以太网交换机采用直通方式转发。

以太网交换机采用专用的交换机构芯片，转发速度比网桥快。

23、如果站点仅仅接受数据，那么在转发表中没有这样的项目。当主机不知道目的地址位置时，会广播一条寻找目标MAC地址的询问帧，每个网桥会转发该帧使得达到每一个LAN，当目标主机收到该帧后会向源主机发送答复帧，这样途经的网桥就会记录目标MAC在转发表中。