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•      本文是[计算机网络](https://www.bilibili.com/video/BV1c4411d7jb?spm_id_from=333.999.0.0)的笔记，图片也从视频中截取。
  

3.1数据链路层概述

（1）概念

（2）封装成帧

• 数据链路层添加帧头和帧尾，把数据封装成帧。
• 帧头和帧尾：在链路层上以帧为单元来传输数据，实现链路层本身的功能。
  
  

（3）差错检测

检错码：接收端判断在传输过程中是否出现了误码，并封装在帧尾。

（4）可靠传输

• 接收端如果接收到是误码，就会将他丢弃。
• 不可靠传输：丢弃就结束了。
• 可靠传输：采取措施，使得接收方可以重新收到被丢弃的帧的副本。
• 即发送方发送什么，接受方就收到什么。

（5）其他问题

• 上面的三个问题是点对点，广播信道还有其他问题。
• 编址问题：判断哪个主机接受数据。
• 碰撞：多个主机发送数据。（共享式局域网（总线型）不可避免）（CSMA/CD）载波监听多点接入/碰撞检测
• 交互式局域网：通过交换机进行转发。
• 无线局域网：共享式。（CSMA/CA）载波监听多点接入/碰撞避免

3.2封装成帧

• 不是所有的帧都有帧定界符，有些帧没有，比如MAC帧。
• MAC帧
• 数据链路层将帧传给物理层后，物理层会添加一个前导码。
• 前导码前七个字节为同步码，使接受时钟同步；后面一个字节为开始定界符，表明后面是MAC帧。
• 以太网规定帧间间隔时间为96比特发送时间，所以MAC帧不需要帧结束定界符。
• 传输的数据可能与帧定界符相同，会出错。
• 字节填充：在与定界符相同处前添加转义字符；如果有与转义字符相同，则也在前面添加。
• 比特填充：每连续的五个一后添加一个零。
  
  

3.3差错检测

（1）奇偶校验法

因为漏检率较高，一般不采用。

循环冗余校验CRC

• 多项式必须包含最低次项。
  
  
  
  

3.4可靠传输

（1）可靠传输的基本概念

• 分组丢失：路由器输入队列快满了，主动丢弃收到的分组。
• 分组失序：未按照发送顺序到达接收端。
• 分组重复：分组第一次在网络中滞留了，发送端超时重发，然后两个分组都到达。

（2）可靠传输的实现方式——停止-等待协议SW

• 通过确认和重传机制实现的可靠传输协议，常称为自动请求重传协议ARQ。
• 重传的请求是自动进行的，不需要接受方显式的请求发送方某个出错的分组。

（3）可靠传输的实现方式——回退N帧协议GBN


• BGN在流水线传输的基础上，利用发送窗口来限制发送方可连续发送数据分组的个数。
• 发送方只允许发送发送窗口内的分组，发送窗口外的分组不发送。
• 接受方只允许接受接受窗口内的分组，接受窗口外的分组不发送。
• 无差错情况：
• 发送方将发送窗口内的分组按序号一次发送出去，经传输，正确到达接受方。
• 接受方按序接受他们，每接收一个接受窗口向后移动一个，并给发送方发送针对所接受分组的确认分组。
• 确认分组经传输正确到达发送方，发送方按序接受他们，每接收一个接受窗口向后移动一个，并从缓存中删除确认收到的分组。
• 接收方可以择机把已经接受到的分组交付给上层处理。
• 累计确认：
• 接收方不一定要对收到的分组逐个发送确认，而是可以在收到几个数据分组后，对按序到达的最后一个数据分组发送确认。
• ACKn表示序号为n及前面的所有数据分组都正确接受。
• 发送方将发送窗口内的分组按序号一次发送出去，经传输，正确到达接受方。
• 接受方按序接受他们，当接受完0号和1号以后，给发送方发送一个累计确认ACK1。
• 当接受完2号到4号以后，给发送方发送一个累计确认ACK4。
• 如果ACK1丢失了，ACK4正确到达发送方。
• 发送方就知道了序号4之前的分组都接受了，发送窗口向后滑动，并从缓存中删除确认收到的分组。
• 接收方可以择机把已经接受到的分组交付给上层处理。
• 优点：
• 即使某个确认分组丢失，发送方也不必重传。
• 减小接收方的开销，减少对网络资源的占用。
• 缺点：不能及时反映出接收方已经正确接受的数据分组信息。
• 出现差错：
• 发送方将发送窗口内的分组按序号一次发送出去，经传输，到达接受方。
• 如0号出现了误码，接受方根据检错码发现错误，丢弃分组。
• 后续到达的分组的序号与接受窗口的序号不匹配，同样丢弃。
• 接收方发送上一次正确接受的分组的序号，每丢弃一个就发送一次。
• 发送方收到重复的确认，就知道之前发送的数据分组出现了差错，于是可以不等超时计时器超时就立刻重传。具体几个要设置。
• 如果没出发立刻重传，就等超时计时器出现超时，发送方将发送窗口内的数据全部重传。
• 即使只是前面的出现错误，后面的正确，但是因为前面的不被接受，后面的也要重传，这就是GBN。
• 当通信线路不好时，GBN的信道利用率并不比停止等待高。
• 如果发送窗口为8时：
• 发送方将发送窗口内的分组0到7号按序号依次发送出去，经传输，正确到达接受方。
• 接受方按序接受他们，每接收一个接受窗口向后移动一个，并给发送方发送针对所接受分组的确认分组ACK7。
• 如果ACK7丢失，发送方会超时重传。
• 重传的0到7号按序号重新发送，到达接收方。
• 因为前面的已经收到，所以就收窗口为0号。
• 接受方分局窗口序号对分组依次接受，现在在重复接受，接受方无法分辨新旧分组，产生分组重复。
• 所以，发送窗口尺寸不能超过上限。
  
  
  
  

（4）可靠传输的实现方式——选择重传协议SR

• 发送方将发送窗口内的分组依次发送出去，经传输，到达接受方，其中的2号数据分组丢失了。
• 只要序号落入接受窗口内且无误码的数据分组，接受方都会接受。
• 接收方接受0号和1号数据分组，并发送0号和1号确认分组，接受窗口向后移动2个，4和5两个新序号落入窗口。
• 接收方接受3号数据分组，并发送3号确认分组，但接受窗口不移动，3号没按顺序。
• 确认分组经传输到达发送方。
• 发送方每
  
  按序
  
  收到一个确认分组，滑动窗口就移动一个位置。
• 发送方接受0号和1号确认分组，就移动两个位置，4和5号移动进发送窗口，发送方将4号和5号发送出去，将0和1号从缓存中删除。
• 接收方可以择机将0和1号分组交付上层处理。
• 发送方收到3号确认分组，但不能滑动，因为没收到2号分组，不过需要记录3号已收到确认，3号就不会超时重发。
• 4和5号到达接收方，接收方接受并发送确认分组，但是窗口不能移动。
• 发送方接受4和5号分组，发送方接受他们，但窗口不移动，不过需要记录已收到确认，不会超时重发。
• 2号分组超时重传，接收方接受，并移动四个位置。
• 发送方接受2号确认分组，并移动四个位置。
  
  
• 如果超过尺寸，某个确认分组丢失后，则会出现GBN一样的问题。

3.5点对点协议PPP

（1）概念

• 一般用户接入英特网：连接到某个英特网服务提供者ISP（电信、移动）。
• ISP已经从因特网管理机构申请到了一批IP地址。
• 用户计算机只有获取到ISP分配的合法IP地址后才能成为因特网的主机。
• 用户计算机与ISP通信时，数据链路层协议就是PPP协议。
• 1999年在以太网上运行的PPP协议，即PPP over Ethernet，简称PPPoE，使得ISP可以通过DSL、电路调制解调器、以太网接入技术等
• 宽带接入技术以以太网的形式为用户提供接入服务。
• PPP也广泛应用于广域网路由器之间的专用线路。
  
  
  
  
  
  

（2）透明传输

（3）差错检测

（4）工作状态

• PPP链路的开始和结束状态都是静止状态，不存在物理层的连接。
• 将测到调制解调器的载波信号，并建立物理层连接后，PPP进入链路的建立状态。
• 链路控制协议LCP开始协商一些配置选项，成功进入鉴别状态；失败退回到静止状态。
• 无需鉴别或鉴别成功进入网络状态；失败就进入终止状态。
• 进入网络状态后进入NCP配置，完成后进入打开状态。

3.6媒体接入控制

（1）媒体接入控制的基本概念

（2）媒体接入控制——静态划分信道

频分复用FDM

• 将传输线路的频带资源划分成多个子频带，形成多个子信道，各子信道之间需要留出隔离频带，以免造成子信道之间的信道干扰
• 当多路信号输入一个多路复用器时，复用器将每一路信号调制到不同频率的载波上。
• 接受端由相应的分用器通过滤波将各路信号分开，将合成的复用信号恢复成原始的多路信号。

时分复用TDM

• 将传输线路的带宽资源按时隙轮流分配给不同的用户，每对用户只在所分配的时隙里使用线路传输数据。
• 将时间划分成了一段段等长的时分复用帧。
• 每一个时分复用的用户在每一个时分复用帧中占用固定序号的时隙。
• 用户的时隙时周期性出现的。周期时时分复用帧的长度。

波分复用WDM

• 波分复用就是光的频分复用。
• 光信号传输一段距离后会衰减，必须放大才能进行传输。
• 复用器和分波器之间可以放入4个放大器，使得他们之间无光电转换的距离可达600km。

码分复用CDM

（2）媒体接入控制——动态划分信道——随机接入

• 多个主机同时发送帧，代表帧的信号会产生碰撞（冲突）。
• 某个主机正在使用总线发送帧的过程中，另一台主机也要发送帧，也会产生碰撞。
  
  

如何处理总线局域网碰撞—— CSMA/CD

• 96比特时间：发送96比特所消耗的时间，也称为帧间最小间隔。
• 作用：接收方可以检测出一个帧的结束，同时也使得所有其他站点都有机会平等竞争并发送信道。
  
  

CSMA/CD——争用期（碰撞窗口）

CSMA/CD——最小帧长

CSMA/CD——最大帧长

• 主线上其他主机没有总线的使用权。
• 目的主机的接受缓冲区无法装下该帧而产生溢出。

CSMA/CD——退避时间（截断二进制指数退避算法）

CSMA/CD——信道利用率

CSMA/CD——帧发送流程

CSMA/CD——帧接受流程

注意

• CSMA/CD协议曾经用于各种总线结构以太网和双绞线以太网的早期版本中。
• 现在的以太网基于交换机和全双工连接，不会有碰撞，因此没有必要使用CSMA/CD协议。

如何处理无线局域网碰撞—— CSMA/CA

CSMA/CA——帧间间隔

CSMA/CA——工作原理

• 若源站在规定时间内没有收到确认帧ACK，由重传计时器控制这段时间，就必须重传该数据帧，直到收到确认位置
• 或者经过若干次的重传失败后放弃发送。
• 源站为什么在检测到信道空闲后还要等待一段时间DIFS？
• 考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送，让高优先级的帧先发送。
• 目的站为什么在检测到信道空闲后还要等待一段时间SIFS才发送ACK帧？
• SIFS为最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。
• 在这段时间内，一个站点应当能够从发送方式切换到接受方式。
• 信道有忙转化为空闲且经过DIFS时间后，还有退避一段随机时间才能使用信道？
• 防止多个站点同时发送数据产生碰撞。

CSMA/CA——退避算法

CSMA/CA——信道预约和虚拟载波监听

• C虽然不会收到A发送的RTS帧，但是会受到B发送的CTS帧。
  
  
  
  
  
  

3.7MAC地址、IP地址和ARP协议

• 
  概念可以参考
  
• 连入网络的每一个计算机都会有网卡接口，每一个网卡都会有一个唯一的地址，这个地址就叫做 MAC 地址。计算机之间的数据传送，就是通过 MAC 地址来唯一寻找、传送的。
• 假如没有子网这种划分的话，计算机 A 通过广播的方式发一个数据包给计算机 B , 其他所有计算机也都能收到这个数据包，然后进行对比再舍弃。世界上有那么多台计算机，每一台计算机都能收到其他所有计算机的数据包，那就不得了了。那还不得奔溃。 因此产生了子网这么一个东西。
• 假如是同一个子网，那我们就用广播的形式把数据传送给对方，如果不是同一个子网的，我们就会把数据发给网关，让网关进行转发。

（1）MAC地址

• 点对点通信不需要地址。
  
  
  
  
  
  

地址发送顺序

• 字节发送顺序：第一字节到第六字节
• 字节内比特发送顺序：b0到b7

单播MAC地址

• 先构建帧，先填入目标主机和自己的MAC地址，再加上帧首部中的其他字段，数据载荷和帧尾部；
• 主机A和C都会受到单播帧，主机A的网卡发现帧的目的MAC地址和自己的不匹配，于是丢弃；
• 主机C的网卡发现帧的目的MAC地址和自己的匹配，于是接受该帧，并将该帧交给上层处理；

广播MAC地址

• 先构建帧，先填入广播地址（全F）和自己的MAC地址，再加上帧首部中的其他字段，数据载荷和帧尾部；
• 主机A和C都会受到单播帧，主机A和C的网卡发现帧的目的MAC地址是广播地址，于是接受，并将该帧交给上层处理；

多播MAC地址

• 判断多播地址：第一个字节的最后一位为1，即不能整除2。
  
  
• 先构建帧，先填入多播地址和自己的MAC地址，再加上帧首部中的其他字段，数据载荷和帧尾部；
• 主机BCD都会受到单播帧，主机B和C的网卡发现帧的目的MAC地址在自己的多播组列表中，都会接受该帧，并送交上层处理；
• 主机D的网卡发现帧的目的MAC地址不在自己的多播组列表中，丢弃该帧；

（2）IP地址

• 前三个字节是网络N8的编号，最后一个是网络N8上主机和路由器接口的编号。
• 同一网络上的各主机网络号部分应该相同，主机号部分应该不同。
• 因特网中不同网络的网络编号必须各不相同。
  
  
  
  

（2）ARP协议

• ARP协议：将IP地址转化为MAC地址。

• 每台主机都有一个ARP高速缓存表，通过查表来找MAC地址。

• 如果没找到，发送ARP请求报文来获取目的主机的MAC地址。
  
  

• ARP请求报文被封装在MAC帧中发送，目的地址为广播地址。

• 主机的网卡收到广播帧后，将其交给上层处理。

• 上层的ARP进程解析ARP请求报文，若发现所询问的IP地址不是自己的地址，不理会；

• 若是则要相应，将主机的IP地址记录到自己的ARP高速缓存表中；给主机发送ARP响应，已告诉自己的MAC地址。
  
  
  
  

• ARP高速缓存表中的每一条记录，都有其类型，分为动态和静态两种。

• 动态：记录是主机自动获取到的，生命周期默认为两分钟。生命周期结束时，记录自动删除。

• IP地址和MAC地址的对应关系并不是永久性的。更换新的网卡，MAC地址改变。

• 静态：用户或网络维护人员手工配置的，不同操作系统下的生命周期不同。
  
  

• ARP协议只能在一段链路或一个网络上使用，不能跨网络使用。

• ARP除了请求和响应外，ARP还有其他类型的报文，如检测IP地址冲突的无故ARP、免费ARP。

• ARP没有安全验证机制，存在ARP欺骗（攻击）问题。

3.8集线器与交换机的区别

（1）集线器

• 使用集线器以太网在逻辑上是共享总线的，使用CSMA/CD协议来协调各主机争用总线，只能工作在半双工模式。

（2）交换机

• 直通交换不必把整个帧先缓存后再进行处理，而是在接收帧的同时立即按帧的MAC地址决定该帧的转发口。

（3）对比集线器和交换机

• 主机发送单播帧：

• 集线器（共享总线型以太网）：单播帧会传播到总线上的其他各主机，各主机上的网卡根据帧的MAC地址决定是否接受该帧。

• 交换机（交换式以太网）：根据帧的目的MAC地址和帧交换表将帧转发给目的主机。
  
  

• 主机发送广播帧：

• 集线器（共享总线型以太网）：单播帧会传播到总线上的其他各主机，各主机上的网卡根据帧的MAC地址是广播地址，接受该帧。

• 交换机（交换式以太网）：交换机收到帧后，检测到MAC地址式广播地址，于是除了进入交换机外的其他各接口转发该帧。

• 集线器和交换机的个主机属于同一个广播域。

• 多台主机同时给另一台主机发送单播帧：

• 集线器（共享总线型以太网）：产生碰撞，遭遇碰撞的帧会传播到总线上的各主机。

• 交换机（交换式以太网）：交换机收到帧后，缓存起来，然后逐个转发到目的主机，不会碰撞。
  
  

• 扩展以太网单播帧：
  
  
  
  

• 扩展以太网广播帧：

• 集线器和交换机扩展后的各主机都属于同一个广播域

• 集线器的以太网：在逻辑上式总线的，形成一个更大的碰撞域。参与竞争总线的主机比之前的更多了。
  
  
  
  

3.9以太网交换机自学习和转发帧的流程

• 主机A给主机B发送帧，该帧从接口1进入交换机1；交换机1先进行登记的工作，将该帧的源MAC地址和接口记录到帧交换表中（自学习）

• 之后交换机1进行转发，目的地址为B，在帧交换表中查找目的地址B，找不到就进行盲目的转发（泛洪），也就是除进入交换机的接口外其他所有接口转发该帧

• 主机B根据目的地址，接受该帧；主机C的网卡接收到该帧就知道这不是发送给自己的帧，丢弃；

• 该帧从交换机2的接口2进入交换机2，交换机2首先进行登记，将MAC地址A和接口2记录到帧交换表中。

• 之后交换机2对其进行转发，该帧的目的地址为B，在帧交换表中查找B，找不到则进行盲目的转发。

• DEF都会收到，根据目的地址就知道不是给自己的，丢弃。

• 主机B给主机A发送帧：

• 该帧从交换机1的接口3进入交换机1；交换机1先进行登记，将该帧的源MAC地址和接口3记录到帧交换表中。

• 之后交换机1进行转发，目的地址为A，在帧交换表中查找目的地址A，于是从接口号1发送给A（明确）。

• 主机A收到该帧后根据目的MAC地址知道这是发给自己的，于是接受该帧。

• 主机E给主机A发送帧：

• 该帧从交换机2的接口3进入交换机2；交换机2先进行登记，将该帧的源MAC地址和接口3记录到帧交换表中。

• 之后交换机2进行转发，目的地址为A，在帧交换表中查找目的地址A，于是从接口号2发送给A（明确）。

• 该帧从交换机1的接口4进入交换机1，交换机1先进行登记的工作。

• 之后交换机1进行转发，目的地址为A，在帧交换表中查找目的地址A，于是从接口号1发送给A（明确）。

• 丢失帧的情况：

• 主机A、主机G、交换机1的接口1共享同一条总线（没画出集线器）

• 主机G给主机A发送帧，该帧通过总线进行传输，主机A和交换机1的接口1都可以接收到。

• 主机A接收到后，根据目的地址，接受该帧。

• 交换机1收到后进行登记工作，之后交换机1进行转发，目的地址为A，在帧交换表中查找目的地址A，于是从接口号1发送给A（明确）。

• 但是该帧就是从接口1进入交换机的，交换机不会从该接口转发出去，于是丢弃。

• 泛洪：即使在表中有MAC地址，也会转发，即不管如何都向所有接口转发。

• 帧交换表中的每条记录都有自己的有效时间，到期删除：

• ①交换机的接口改接了另一台主机

• ②主机更改了网卡

3.10以太网交换机的生成树协议STP

• 广播风暴：

• 主机H1发送一个广播帧，交换机B收到该帧后，将其从自己的所有接口转发出去。

• 交换机A收到交换机B转发的帧后，将其从自己的所有接口转发出去。

• 交换机C收到交换机B转发的帧后，将其从自己的所有接口转发出去。

• 交换机C收到交换机A转发的帧后，将其从自己的所有接口转发出去。

• 交换机A收到交换机C转发的帧后，将其从自己的所有接口转发出去。

• 交换机B收到交换机C转发的帧后，将其从自己的所有接口转发出去。

• 交换机B收到交换机A转发的帧后，将其从自己的所有接口转发出去。

• 帧交换表震荡：

• 交换机B收到主机H1发送的广播帧后，登记H1和接口1（正确）。

• 交换机B收到交换机C转发的广播帧后，登记H1和接口2，并删除原来的记录。

• 交换机B收到交换机A转发的广播帧后，登记H1和接口3，并删除原来的记录。

• ……
  
  

3.11虚拟局域网VLAN

（1）概述

• 路由器默认情况下不对广播数据包进行转发，因此路由器很自然地隔离广播域。
  
  
  
  

（2）实现机制

• 对交换机的要求：
• 可以处理带有VLAN标记的帧（IEEE 802.1Q帧）
• 各端口可以支持不同的端口类型，不同端口类型的端口对帧的处理方式有所不同

IEEE 802.1Q帧

交换机的端口类型

• 交换机的每个端口有且仅有一个PVID。