理解數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鏈路：物理鏈路 + 通信協(xié)議

數(shù)據(jù)鏈路層的地位：局域網(wǎng)中的主機、交換機必須實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層；網(wǎng)絡中的主機、路由器必須實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層。

數(shù)據(jù)鏈路層的作用：網(wǎng)絡中兩個主機發(fā)送數(shù)據(jù)所經(jīng)過的網(wǎng)絡可以是多種不同類型的，不同類型網(wǎng)絡的鏈路層可能采用不同的協(xié)議

三個基本問題：

封裝成幀：在一段數(shù)據(jù)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(xiàn)定界符，在其前面用字符填充法

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

用除數(shù) P 再除去收到的數(shù)，若余數(shù) 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(jié)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(xié)議，用戶通過 PPP 協(xié)議接入 ISP，再接入互聯(lián)網(wǎng)

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(xié)議字段中的不同數(shù)據(jù)表示該幀的數(shù)據(jù)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(xù)傳送） 在原始數(shù)據(jù)中出現(xiàn)連續(xù) 5 個 1 時在其后面加一個 0，在接收端收到數(shù)據(jù)時將這個 0 刪去

字節(jié)填充法：異步傳輸（逐個字符傳送） 在原始數(shù)據(jù)中若出現(xiàn)開始符 7E 修改為 7D5E; 出現(xiàn) 7D 修改為 7D5D; 出現(xiàn) 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(xié)議，MAC 幀格式，最小幀長和最大幀長

信道特點：

局域網(wǎng)使用廣播信道；

多臺主機共享局域網(wǎng)內(nèi)軟硬件資源；

若多個設備在共享的廣播信道上同時發(fā)送數(shù)據(jù)，則會彼此干擾，導致發(fā)送失敗

CSMA/CD 協(xié)議：載波監(jiān)聽多點接入 / 碰撞檢測

“多點接入”：使用廣播信道的總線型網(wǎng)絡

“載波監(jiān)聽”：不停地檢測信道（發(fā)送前、發(fā)送中）

“碰撞檢測”：檢測到碰撞→立即停止發(fā)送→等待隨機事件后再發(fā)送

爭用期 = 以太網(wǎng)的端到端往返時間 2τ

10Mbit/s 以太網(wǎng)的爭用期 2τ=51.2μs。

最先發(fā)送數(shù)據(jù)的站，在爭用期內(nèi)沒有檢測到碰撞，則這次發(fā)送肯定不會發(fā)生碰撞

如果在爭用期內(nèi)發(fā)生發(fā)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(shù)。k=Min[重傳次數(shù), 10]。當重傳次數(shù) = 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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)部分的長度

網(wǎng)卡的功能和 MAC 地址，幀的類型（單播幀，廣播幀，多播幀）

網(wǎng)卡的功能：計算機通過網(wǎng)絡適配器（網(wǎng)卡）和局域網(wǎng)進行通信

MAC 地址：MAC 地址固化在網(wǎng)卡的 ROM 中，全球唯一。由 6 個字節(jié)組成，前 3 個字節(jié)由 IEEE 注冊管理機構 RA 分配，后 3 個字節(jié)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(fā)送單播幀，僅當幀的目的地址與本網(wǎng)卡地址相同時才接收

一臺主機發(fā)送廣播幀，其他主機都接收該幀

一臺主機發(fā)送多播幀，即發(fā)送給本局域網(wǎng)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(zhuǎn)發(fā)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(wǎng)（前提是連接的多個以太網(wǎng)段的速率要相同）；采用 CSMA/CD，不具有交換機的自學習能力，發(fā)送數(shù)據(jù)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(wǎng)交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層，處理對象是幀；全雙工，不使用 CSMA/CD；向某個接口轉(zhuǎn)發(fā)幀；每一個接口是個碰撞域；可緩存幀，可自學習。

半雙工數(shù)據(jù)傳輸允許數(shù)據(jù)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(fā)送信息

交換機的自學習功能及轉(zhuǎn)發(fā)幀的過程：

開始時，交換表是空的

收到第一個幀后，廣播發(fā)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(fā)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(fā)送；如果沒有就廣播發(fā)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(wǎng)卡

如果兩個交換機有兩個接口相互連接，會利用生成樹協(xié)議，在邏輯上刪除一個接口

廣播域和碰撞域，VLAN，生成樹協(xié)議 STP

廣播域：指網(wǎng)絡中一個站點發(fā)出廣播幀所影響的范圍 碰撞域：指網(wǎng)絡中一個站點發(fā)出的單播幀會與其他站點發(fā)出的單播幀產(chǎn)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(fā)送數(shù)據(jù) VLAN：即虛擬局域網(wǎng)，不改變網(wǎng)絡的物理局域網(wǎng)，在邏輯上劃分虛擬局域網(wǎng)。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(zhuǎn)發(fā)幀）劃分 VLAN

生成樹協(xié)議 STP：不改變網(wǎng)絡的物理拓撲，但在邏輯上切斷某些鏈路，消除回路