计算机网络复习总结，仅供笔者复习使用，参考教材：

• 《计算机网络》第7版 - 谢希仁编著. 电子工业出版社
• 《计算机网络考研复习指导》2024年 - 王道论坛组编. 电子工业出版社

本文主要内容为：数据链路层；

计算机网络概述 部分见 计算机网络复习总结1；
物理层 部分见 计算机网络复习总结2；
数据链路层 部分见 计算机网络复习总结3；
网络层 部分见 计算机网络复习总结4；
运输层 部分见 计算机网络复习总结5；
应用层 部分见 计算机网络复习总结6；
计算机网络各层设备 部分见 计算机网络复习总结7；

1. 数据链路层概述

• 数据链路层任务：封装成帧、差错控制、流量控制、透明传输、链路控制、MAC寻址等；

• 地位：在同一局域网中，分组从一台主机传送到另一台主机，中途只经过交换机，不经过路由器或交换机的网络层；在广域网中，分组在多种网络间转发，途径数据链路层；
      

• 信道类型：点对点信道、广播信道；

• 传输方式：同步传输（帧分割成许多组，组间传输不可间断）、异步传输（组间允许传输其他数据）；

2. 使用点对点信道的数据链路层

• 链路：物理层面 两个节点之间的无源线路段；
• 数据链路：逻辑层面 添加了实现协议的软硬件的链路，即物理链路+实现协议的软硬件；
• 帧：数据链路层协议的数据单元；
  
• 三个基本问题：封装成帧、透明传输、差错控制；
• 点对点信道协议：高级数据链路控制HDLC、点对点协议PPP等；

2.1 封装成帧

• 首尾部：帧定界、控制传输；
• 最大传送单元MTU：允许传送帧的数据部分长度上限，一般远小于IP数据报长度，因此需要切割。MTU默认为1500 byte；
• 帧定界符：帧开始符SOH（01）、帧结束符EOT（04），但在协议的具体实现中也会采用别的字符作为控制字符；

2.2 透明传输

• 组成帧的数据部分是ASCII码文本文件：键入字符不会出现SOH或者EOT情况，可以透明传输；
• 组成帧的数据部分不是ASCII码文本文件：如图片、编译文件等，数据部分可能出现SOH、EOT的情况。使用字节填充法，插入转义字符ESC（1B）；

2.3 差错控制

• 比特差错：传输过程中0变成了1或1变成了0，可以使用循环冗余检验消除；
  误码率BER：比特差错中传输错误的比特占传输比特总数的比率，与信噪比有关；
• 传输差错：帧丢失、帧重复、帧失序等，需要加上帧编号、确认和重传等机制；
• 循环冗余检验CRC：将原始数据部分划分为每组 k bit，然后在每组后添加 n bit的0后进行 模2除法，除数为事先约定的（n+1）bit 的生成多项式 P。得到的 n bit 余数R称为CRC冗余码，也叫帧检验序列FCS。接收方接收到（k+n）bit 数据后，再做一次对P的模2除法，若余数为0则接收；
  
  生成多项式P(X)：CRC-16、CRC-CCITT、CRC-32等；
  CRC要求传送数据时以帧为单位，将数据报分割成等长的帧，每一帧添加CRC冗余码；
  CRC只能保证数据链路层接收端接收到的帧在传输中没有出现比特差错，但无法解决传输差错；

2.4 点对点协议PPP

• 点对点信道的数据链路层可以通过一些协议来实现：初期通信质量较差，在数据链路层使用 高级数据链路控制HDLC 作为点对点通信的可靠传输协议；现在使用更加简单的点对点协议PPP；

• 适用范围：用户计算机和 ISP 通信时的接入网；

• 协议需求：
  （1）简单：数据链路层的帧不需要纠错、序号和流量控制，尽可能简单，只需进行CRC检验；
  （2）封装成帧：需要帧定界符；
  （3）透明性：需要转义字符；
  （4）支持多种网络层协议
  （5）支持多种链路类型，如 PPP over Ethernet 协议把 PPP 帧封装在以太网帧中，为宽带上网的主机提供服务；
  （6）差错检测；
  （7）检测连接状态；
  （8）最大传送单元；
  （9）网络层地址协商和数据压缩协商；

• 协议组成：封装IP数据报的方法、链路控制协议LCP（建立、配置、测试数据链路连接）、网络控制协议NCP（支持网络层协议）；

• 帧格式：首部（标志字段F+地址字段A+控制字段C+协议字段）+ 数据部分 + 尾部（FCS+标志字段F）；
  

• 透明传输：异步传输时使用字节填充法，同步传输时使用零比特填充法；
  

• 工作状态：

PPP 链路初始化过程：

• 用户拨号接入 ISP 后，就建立了一条从用户个人电脑到 ISP 的物理连接；
• 用户个人电脑向 ISP 发送一系列的链路控制协议 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧），以便建立LCP连接；
• 之后进行网络层配置。网络控制协议 NCP 给新接入的用户个人电脑分配一个临时的 IP 地址；
• 当用户通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

3. 使用广播信道的数据链路层

广播信道可以进行一对多通信，局域网使用的就是广播信道。但局域网有时也需要一对一通信，虽然可以直接复用广播信道，但主机之间容易发生冲突。这时就需要 CSMA/CD 协议解决冲突；

3.1 局域网的数据链路层

• 局域网：网络为一个单位所拥有，地理范围和站点数目有限，并且具有广播功能；
• 局域网的拓扑结构有星形、环形、总线形，总线网以 10 Mbit/s 速率的传统以太网最为著名，几乎成了局域网的代名词；
• 局域网工作层次：物理层、数据链路层；
• 共享信道方式：静态划分信道 和 动态媒体接入控制；

  静态划分信道：频分复用、时分复用、波分复用、码分复用等，但代价太高，不适合局域网使用。
  动态媒体接入控制：随机接入、受控接入。随机接入允许所有用户随机发送信息，出现冲突再使用协议解决，该方法在以太网中使用较多；受控接入要求用户发送信息需要服从控制，在局域网中一般不使用。

• 以太网标准：DIX Ethernet V2 和 IEEE 802.3；

• 1982年美国几家公司联合推出 DIX Ethernet V2标准，是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约；
• 1983年IEEE 802委员会制定 IEEE 802.3，是世界上第一个IEEE的以太网标准；
• 但随着有关厂商的激烈竞争，IEEE 802委员会并未能形成统一的局域网标准，因此将局域网的数据链路层拆分成 LLC 和 MAC 两个子层，以便将不同的802.x标准用于 LLC 子层；
  
• 20世纪90年代后期，激烈竞争的局域网市场被以太网垄断，以太网成了局域网的代名词，LLC 子层失效，甚至不需要在适配器中出现。

（注：IEEE 802 是专门制定局域网和城域网标准的机构，802.1 — 桥接/体系结构，802.3 — 以太网，802.11 — 无线局域网，802.15 — 无线个人区域网，802.16 — 宽带无线接入，802.19 — 无线共存，802.21 — 媒体无关切换，802.22 — 无线偏远地区网络）

• 适配器：计算机与外界局域网连接的桥梁，用于收发数据，包括并行和串行的数据转换、包的装配和拆装、网络存取控制、数据缓存等；

3.2 CSMA/CD协议

• 早期以太网将许多计算机连接到同一根总线上，构成广播信道。当用户进行一对一通信时，就需要适配器将 ROM 中物理地址与数据帧首部携带的目的地址进行比较，地址不一致则丢弃。如此便实现了广播总线信道上的一对一通信，但同一时间只允许一台计算机发送数据（半双工信道），需要使用 CSMA/CD 协议解决冲突；
• 以太网通信策略：无连接工作方式、曼彻斯特编码；

  无连接工作方式：因为局域网信道质量很好，产生差错几率小，因此采用不必先建立连接就可发送数据，不对帧编号或确认，尽最大努力交付（不可靠交付）。当数据链路层收到有差错帧时直接丢弃，是否重传由网络层来决定。
  曼彻斯特编码：每个码元中间出现一次电压转换，便于提取信号。

• CSMA/CD 协议：多点接入网络，载波监听、碰撞检测协议解决冲突；

  多点接入：总线型网络，许多计算机以多点接入方式连接在总线上；
  载波监听：实时检测总线上是否有其他计算机在发送信号；
  碰撞检测：适配器边发送数据边检测信道上的电压变化，判断是否有其他站点发送数据。

• 单程端到端传播时延：取最远的两个主机，时延记为 τ ；
• 争用期：也叫碰撞窗口，为 2τ 。但为了避免每次接入新设备后的重复计算，协议规定的具体争用期时间为 51.2 μs。所有使用 CSMA/CD 协议的信道都使用 51.2 μs 作为争用期，哪怕题干中给出了端到端的传播时延；
• 截断二进制指数退避：若发送途中检测到碰撞，则适配器立即停止发送，等待一段时间后再次发送。等待时间为 r × 2τ ，其中 r 在 [0, 1, 2, 3, … , (2^k-1)] 中任取，k = min{重传次数，10}。若重传次数达到16次仍不能成功，则丢弃该帧并向高层报告；
• 最短帧长：以太网规定的最短帧长为 512 bit，即 发送速率 × 2τ ，因为如果数据帧太短，那么就无法在发送完数据之前检测到碰撞。因此以太网发送数据时只要争用期（发送前 512 bit）内没有发生碰撞，那么后续数据就一定不会冲突。又因为若发送途中检测到碰撞适配器立即停止发送，所以此时发送出的数据一定小于 64 字节，也只有冲突而异常中止的无效帧会小于 64 字节；
• 强化碰撞：发送数据的站检测到碰撞后，停止发送数据，再立即发送 32 或 48 bit 的人为干扰信号（不需要经历帧间最小间隔）；
• 帧间最小间隔：以太网规定的帧间最小间隔是 9.6 μs，即 96 比特时间。站点发送信号前需要先检测信道，若信道在 96 比特时间内都保持空闲，就可以发送帧；
• CSMA/CD 协议发送帧流程：

（1）准备发送：适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部，组成以太网帧，放入适配器的缓存中，发送之前必须先检测信道；
（2）检测信道：若检测到信道忙，则应不停地检测，一直等待信道转为空闲。若检测到信道空闲，并在 96 比特时间内信道保持空闲，就发送这个帧；
（3）在发送过程中仍不停地检测信道，即网络适配器要边发送边监听。这里只有两种可能性：
   发送成功：在争用期内一直未检测到碰撞，那么这个帧肯定能够发送成功。发送完毕后，回到（1）即可；
   发送失败：在争用期内检测到碰撞，这时立即停止发送数据，并按规定发送人为干扰信号。适配器接着执行指数退避算法，等待 r 倍 512 比特时间后，返回到步骤(2)，继续检测信道。但若重传达 16 次仍不能成功，则停止重传而向上报错；
（4）以太网每发送完一帧，一定要把已发送的帧暂时保留一下。如果在争用期内检测出发生了碰撞，那么还要在推迟一段时间后再把这个暂时保留的帧重传一次。

3.3 使用集线器的星型拓扑

• 以太网拓扑结构与媒体变化：总线形同轴电缆以太网 —> 集线器连接的星形双绞线以太网；
• 使用集线器连接的以太网逻辑上仍是总线网，各站中适配器执行 CSMA/CD 协议；
  

3.4 以太网的信道利用率

• 影响信道利用率的因素：争用期、碰撞；
• 理想情况：无碰撞情况下，极限信道利用率 = 1/(1+α)；
  

3.5 以太网的MAC层

• 前面提到过，由于没有统一的局域网标准，IEEE 802委员会将局域网的数据链路层拆分成 LLC 和 MAC 两个子层，MAC 层负责接入媒体，LLC 层负责链路控制。但后来以太网垄断了局域网，LLC 子层失效。因此数据链路层只需讨论 MAC层；
• MAC 地址：又称为硬件地址 / 物理地址 / 网卡地址，用于在全球范围内唯一标识主机或路由器的适配器接口。MAC 地址在生产时就被固化在适配器中，随主机或路由器移动，无法标识其所在位置。MAC 地址有 2 字节和 6 字节两种，前者需要生产厂商向 IEEE 的注册机构 RA 购买，全球唯一；后者可以自行指定，无法保证唯一性；
  
  当 G/L 位为 0 时表示全球管理，厂商需要向 IEEE 购买 OUI；G/L 位为 1 时表示本地管理，用户可自由分配网络上的地址。当 I/G 位为 0 时表示单站地址，为 1 时表示组地址，用来多播；当 48 位 MAC 地址全为 1 时表示广播；
• 适配器过滤 MAC 帧：当站点与局域网通信时，适配器只要监听到帧就收下，然后用硬件检查帧中的 MAC 地址，如果是发往本站的就收下，否则丢弃；
• MAC 帧：大多使用 DIX Ethernet V2标准，由目的MAC地址、源MAC地址、类型、数据、FCS组成。在向物理层传递时 MAC 帧前还要插入前同步码调整适配器时钟与比特流同步，以及帧开始定界符标记开始。由于有了帧开始定界符，MAC 帧不需要帧结束定界符以及保证透明传输的转义字符；
  
  由于 IP 数据报的 MTU 限制为 1500 字节，因此 MAC 帧长上限为 1518 字节；又由于以太网规定的最短帧长为 512 bit，即 64 字节，因此 MAC 帧长下限为 64 字节；

4. 扩展的以太网

本节介绍对以太网覆盖范围扩展的技术，可以在物理层或数据链路层进行扩展，扩展后的以太网在网络层来看仍然是一个网络。

4.1 在物理层扩展以太网

• 粗缆 / 细缆以太网用转发器连接主机 —> 光纤以太网用集线器连接主机；
• 多级星形结构以太网：扩大以太网范围，使得站之间能够跨系通信，但是将多个碰撞域（也叫冲突域）合并，同一时刻只有一个站能够发送信息；
  

4.2 在数据链路层扩展以太网

• 网桥连接主机 —> 以太网交换机连接主机；
• 以太网交换机：全双工方式，多对接口并行工作，无碰撞传输数据，不使用 CSMA/CD 协议，具有自学习功能；
  

自学习功能：

• 交换表记录 MAC 地址到接口的映射；
• 收发帧时不断更新交换表；
• 发送帧时查看交换表，接口已知时直接发送，未知时广播该帧；
• 增加冗余链路增强鲁棒性，生成树协议 STP 防止环路；

• 以太网交换机还可以实现虚拟局域网；

4.3 虚拟局域网

• 虚拟局域网：同一虚拟局域网内的站点可以接收到其他成员的广播，而且不会被其 VLAN 外的站点收到，哪怕它们位于同一交换机下。VLAN 限制了接收广播信息的计算机数，避免了“广播风暴”；
  

• IEEE 802.3ac 规定了以太网帧格式的扩展，插入 4 字节的 VLAN 标记，支持虚拟局域网，该帧称为 802.1Q 帧；
  

• 划分虚拟局域网的方法：基于交换机端口（物理层）、MAC 地址（数据链路层）、以太网协议类型（数据链路层）、IP 子网地址（网络层）、高层应用或服务（应用层）；

5. 冲突域 vs 广播域

• 冲突域：物理层概念，一个冲突域内的每个主机都能够收到所有被发送的帧，但同一时间只能有一台设备发送帧；
• 广播域：数据链路层概念，一个广播域内的每个主机都能够接收到任一设备发出的广播帧。一个广播域一般就是一个网络；

集线器下的所有端口构成一个冲突域；
交换机下的每个端口都是一个冲突域；
路由器下的每个端口都是一个广播域；
每个 VLAN 也是一个广播域；
路由器下直连交换机时，路由器与交换机之间也是冲突域；

最后

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