【计算机网络超强概念总结】第三章 数据链路层
一、数据链路层基本概念
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链路：一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。
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数据链路：除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
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数据链路层的主要功能：
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链路管理：数据链路的建立、维持和释放。
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封装成帧：在一段数据的前后分别添加首部和尾部，构成一个帧。
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流量控制：控制发送方发送数据的速率，使接收方能来得及接收。
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差错控制：包括检错和纠错，通过编码技术检测或纠正帧中的错误。
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将数据和控制信息区分开：在同一帧中区分数据和控制信息。
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透明传输：不管所传数据的比特组合，都能在链路上传送。
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寻址：每一帧都能送到正确的目的地，收方也能知道发送方的地址。
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二、组帧
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组帧目的：使接收方能准确识别帧的边界。
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帧定界方法：
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字节计数法：在帧头设置一个长度域，放置该帧的字节数。
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使用字符填充的首尾定界法：使用特殊的 ASCII 字符作为帧的起始和终止定界符，当数据中出现定界符时进行字符填充。
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使用比特填充的首尾定界法：使用一个特殊的比特模式作为帧的起始和结束标志，发送方边发送边检查数据，每连续发送 5 个“1”后在后面自动插入一个“0”。
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违法编码法：当物理介质上使用的信号编码有冗余码字时，使用这些冗余的码字来作为帧的定界。
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三、差错控制
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差错控制技术：
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前向纠错（FEC）：发送方发送能使接收方检错并纠错的冗余位，纠错任务由接收方完成。
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自动重发请求（ARQ）：发送方发送能使接收方检错的冗余位，若无差错，则接收方回送一个肯定应答；若有差错，则接收方回送一个否定应答，要求发送方重发。
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差错编码技术：
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检错码：能检测出错误，但不能纠正错误，如奇偶校验码、CRC。
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纠错码：能知道错误，且知道错误的位置，如海明码。
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四、点对点协议 PPP
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PPP 协议组成：
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提供一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
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一个链路控制协议 LCP（Link Control Protocol）：建立、配置和测试数据链路的协议。
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一套网络控制协议 NCP（Network Control Protocol）：如为 IP 协议分配临时 IP 地址，支持多个网络层协议。
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PPP 协议的帧格式：标志字段、地址字段、控制字段、信息字段和帧校验序列组成。
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透明传输问题：异步传输采用字符填充法，同步传输采用比特填充法。
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不提供使用序号和确认的可靠传输：在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理；数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的；帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。
五、使用广播信道的数据链路层
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局域网的数据链路层：局域网最主要的特点是网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。具有广播功能，便于系统扩展，提高了系统的可靠性、可用性和生存性。
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信道分配策略：
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静态划分信道：频分复用、时分复用、波分复用和码分复用，将频带或时间片固定分配给各个站点。
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动态媒体接入控制（多点接入）：信道不是在用户通信时固定分配给用户，如异步时分多路复用 STDM。
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随机接入：各站点发送前不需要取得发送权，有数据就发送，发生冲突后采取措施解决冲突。
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受控接入：使发送站点首先获得发送权，再发送数据，不会产生冲突。
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代表性的媒体访问控制方法：
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争用协议：ALOHA 协议、CSMA/CD 协议等。
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无冲突协议（略）：比特映像媒体访问控制协议等。
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有限争用协议（略）：自适应步进树协议等。
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CSMA/CD 协议：
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载波监听多点接入/碰撞检测：先听后讲、边讲边听、冲突停止、随机等待。
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争用期（碰撞窗口）：网上任一站点在开始发送后，最多经过 2τ 时间就能确认此次传输是否成功。
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二进制指数退避算法：当发生冲突时，重传次数越多，随机等待的时间越长。
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CSMA/CD 的重要特性：不能进行全双工通信，只能进行双向交替通信（半双工通信）；每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。
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六、以太网的 MAC 层
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以太网标准：1980 年 DEC、Intel、Xerox 公司联合提出 10Mb/s 的以太网规约，DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品的规约；1983 年 IEEE 的 802 委员会制定以太网的 802.3 标准。
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IEEE 802 标准：IEEE 802 委员会提出的局域网参考模型主要定义了物理层和数据链路层的规范，数据链路层分成逻辑链路控制 LLC 子层和媒体接入控制 MAC 子层。
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MAC 层的硬件地址：在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址，是指固化在网卡 ROM 中的地址，由 IEEE 的注册管理机构 RA 分配。
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MAC 帧格式：包括目的地址、源地址、类型、数据和 FCS 字段，还有前同步码和帧开始定界符。当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。
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无效的 MAC 帧：数据字段的长度与长度字段的值不一致、帧的长度不是整数个字节、用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错、数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
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帧间最小间隔：MAC 子层标准还规定帧间最小间隔为 9.6 μs，相当于 96 bit 的发送时间。
七、扩展的以太网
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局域网互联与互联设备：由于局域网覆盖的距离、能支持的连网计算机数目、能传输的通信量有限，所以需要进行局域网互联。互联设备有转发器、集线器、网桥、交换机、路由器、网关等。
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网桥和以太网交换机：网桥工作在数据链路层，根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤；以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，具有并行性、即插即用、专用交换结构芯片等特点。
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以太网交换机的自学习功能：以太网交换机运行自学习算法自动维护交换表，根据源 MAC 地址写入交换表，在进行转发时将此 MAC 地址当作目的地址。
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生成树协议：IEEE 802.1D 标准制定了一个生成树协议 STP，在逻辑上切断某些链路，使从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构。
八、虚拟局域网
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虚拟局域网（VLAN）：是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。
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虚拟局域网使用的以太帧格式：在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记。
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虚拟局域网的优点：安全性好、网络分段、提供较好的灵活性。
九、高速以太网
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100BASE-T 以太网：在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星形拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的 CSMA/CD 协议，又称快速以太网。
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吉比特以太网：允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作，使用 802.3 协议规定的帧格式，在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议。
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10 吉比特以太网：与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同，只工作在全双工方式，不使用 CSMA/CD 协议，只使用光纤作为传输媒体。
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