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理解數據鏈路層的地位與作用，三個基本問題

鏈路：從一個結點到相鄰結點的一段物理線路（有線或無線），中間沒有任何其他交換結點

數據鏈路：物理鏈路 + 通信協議

數據鏈路層的地位：局域網中的主機、交換機必須實現數據鏈路層；網絡中的主機、路由器必須實現數據鏈路層。

數據鏈路層的作用：網絡中兩個主機發送數據所經過的網絡可以是多種不同類型的，不同類型網絡的鏈路層可能采用不同的協議

三個基本問題：

封裝成幀：在一段數據的前后分別添加首部和尾部，構成一個幀。幀定界符：SOH（幀開始符），EOT（幀結束符）

透明傳輸：若幀出現定界符，在其前面用字符填充法

差錯檢測：循環冗余檢驗的原理：在發送端，計算 CRC 冗余碼（在待發送數據（k 位）后面再添加供差錯檢測用的 CRC 冗余碼（n 位），實際發送 k+n 位）；在接收端：利用 n 位 CRC 冗余碼對收到的數據進行檢驗

用除數 P 再除去收到的數，若余數 R=0，則證明這個幀無差錯，接受

2、使用點對點信道的鏈路層：信道特點，PPP 幀格式，零比特填充法和字節填充法，差錯檢測（CRC）

信道特點：點對點信道使用一對一的點對點通信方式。通常使用 PPP 協議，用戶通過 PPP 協議接入 ISP，再接入互聯網

PPP 幀格式：

圖中 F 為標志字段表示開始和結束，是 PPP 幀的定界符；A 和 C 實際上并沒有攜帶 PPP 幀的信息；協議字段中的不同數據表示該幀的數據部分的作用不同（背）

零比特填充法：同步傳輸（一連串比特連續傳送） 在原始數據中出現連續 5 個 1 時在其后面加一個 0，在接收端收到數據時將這個 0 刪去

字節填充法：異步傳輸（逐個字符傳送） 在原始數據中若出現開始符 7E 修改為 7D5E; 出現 7D 修改為 7D5D; 出現 03 修改為 7D23;

差錯檢測（CRC） : 同上面的差錯檢驗，用冗雜碼進行加密檢驗

使用廣播信道的鏈路層: 信道特點，CSMA/CD 協議，MAC 幀格式，最小幀長和最大幀長

信道特點：

局域網使用廣播信道；

多臺主機共享局域網內軟硬件資源；

若多個設備在共享的廣播信道上同時發送數據，則會彼此干擾，導致發送失敗

CSMA/CD 協議：載波監聽多點接入 / 碰撞檢測

“多點接入”：使用廣播信道的總線型網絡

“載波監聽”：不停地檢測信道（發送前、發送中）

“碰撞檢測”：檢測到碰撞→立即停止發送→等待隨機事件后再發送

爭用期 = 以太網的端到端往返時間 2τ

10Mbit/s 以太網的爭用期 2τ=51.2μs。

最先發送數據的站，在爭用期內沒有檢測到碰撞，則這次發送肯定不會發生碰撞

如果在爭用期內發生發生碰撞，需要用截斷二進制支書退避算法來計算等待時間。即退避時間 = r 倍的爭用期 = r*2τ，r 為離散集合【0,1，…,2^k-1】中的一個隨機數。k=Min[重傳次數, 10]。當重傳次數 = 16 次，仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告

MAC 幀格式：類型：0x0800（IP 數據報）、0x0806（ARP 報文）

最小幀長和最大幀長：最小：64，最大 1518 主要取決于數據部分的長度

網卡的功能和 MAC 地址，幀的類型（單播幀，廣播幀，多播幀）

網卡的功能：計算機通過網絡適配器（網卡）和局域網進行通信

MAC 地址：MAC 地址固化在網卡的 ROM 中，全球唯一。由 6 個字節組成，前 3 個字節由 IEEE 注冊管理機構 RA 分配，后 3 個字節由廠家自行指派。 注意：當主機或路由器安裝有多個適配器，就有多個 “MAC 地址” 幀的類型（單播幀，廣播幀，多播幀）：

一臺主機發送單播幀，僅當幀的目的地址與本網卡地址相同時才接收

一臺主機發送廣播幀，其他主機都接收該幀

一臺主機發送多播幀，即發送給本局域網上一部分站點

比較集線器與交換機，交換機的自學習功能及轉發幀的過程

比較集線器與交換機：

集線器：物理上星型，邏輯上總線型；每個主機到集線器的距離不超過 100m；可以使用光纖擴展主機和集線器之間的距離，使用集線器擴展以太網（前提是連接的多個以太網段的速率要相同）；采用 CSMA/CD，不具有交換機的自學習能力，發送數據采用廣播的方式，整個集線器是個碰撞域，不可以緩存幀

交換機：以太網交換機工作在數據鏈路層，處理對象是幀；全雙工，不使用 CSMA/CD；向某個接口轉發幀；每一個接口是個碰撞域；可緩存幀，可自學習。

半雙工數據傳輸允許數據在兩個方向上傳輸，但是同一時刻只允許一個方向；全雙工也允許在兩個方向傳輸，但同時刻可以同時接受和發送信息

交換機的自學習功能及轉發幀的過程：

開始時，交換表是空的

收到第一個幀后，廣播發到其他接口，非目標主機會把收到的幀丟棄，并記錄這個接口對應的 MAC 地址

當一個接口發送幀時，先從原接口進入，查找交換表是否有目的地址的記錄，如果有就直接發送；如果沒有就廣播發幀。

交換表上的記錄會存在有效時間，過了有效時間會清除記錄，以免接口更換主機或者主機更換網卡

如果兩個交換機有兩個接口相互連接，會利用生成樹協議，在邏輯上刪除一個接口

廣播域和碰撞域，VLAN，生成樹協議 STP

廣播域：指網絡中一個站點發出廣播幀所影響的范圍 碰撞域：指網絡中一個站點發出的單播幀會與其他站點發出的單播幀產生碰撞的范圍；任一個時刻在一個碰撞域中只能有一個主機發送數據 VLAN：即虛擬局域網，不改變網絡的物理局域網，在邏輯上劃分虛擬局域網。可以基于交換機端口，基于主機 MAC 地址，基于主機 IP 地址（交換機只在 802.1Q 標記相同的接口之間轉發幀）劃分 VLAN

生成樹協議 STP：不改變網絡的物理拓撲，但在邏輯上切斷某些鏈路，消除回路