第3章 數(shù)據(jù)鏈路層
數(shù)據(jù)鏈路層是計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵一層，它負責在相鄰節(jié)點（如主機與路由器、路由器與路由器之間）的鏈路上，實現(xiàn)無差錯地傳輸以“幀”為單位的數(shù)據(jù)。本章是理解局域網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與可靠傳輸?shù)幕A(chǔ)。
一、核心概念與功能
- 基本概念：
- 鏈路 (Link)：一條無源的點到點物理線路段，中間沒有任何交換節(jié)點。
- 數(shù)據(jù)鏈路 (Data Link)：在物理鏈路的基礎(chǔ)上，加上必要的通信協(xié)議（硬件和軟件）來控制數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)鏈路就像一個數(shù)字管道，在其中傳送的是“幀”。
- 三個基本問題：數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議必須解決。
- 封裝成幀 (Framing)：將網(wǎng)絡(luò)層傳下來的IP數(shù)據(jù)報添加首部和尾部，構(gòu)成一個幀。幀定界（界定幀的開始和結(jié)束）是核心，常用方法有字符填充法（如PPP協(xié)議）和比特填充法（如HDLC協(xié)議）。
- 透明傳輸 (Transparent Transmission)：保證無論所傳數(shù)據(jù)是什么比特組合，都能在線路上正常傳送。當數(shù)據(jù)中的比特組合恰巧與幀定界符相必須采取措施（如字節(jié)填充或比特填充）使其“透明”，即不被誤認為幀邊界。
- 差錯控制 (Error Control)：檢測并可能糾正幀在傳輸過程中產(chǎn)生的比特差錯。廣泛使用循環(huán)冗余檢驗 (CRC) 進行檢錯，通過計算冗余碼（幀檢驗序列FCS）附加在數(shù)據(jù)后面。注意：數(shù)據(jù)鏈路層通常使用CRC檢錯，但不負責糾錯，發(fā)現(xiàn)錯誤后通常直接丟棄該幀。可靠傳輸（如重傳）通常由上層（如運輸層）或特定鏈路層協(xié)議（如PPP的可靠傳輸模式）實現(xiàn)。
二、兩種信道類型下的數(shù)據(jù)鏈路層
- 點對點信道：使用一對一的點對點通信方式。典型協(xié)議是PPP協(xié)議（點對點協(xié)議）。
- PPP協(xié)議特點：簡單、支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議、支持身份驗證（PAP/CHAP）、檢測連接狀態(tài)。
- PPP幀格式：牢記其以標志字節(jié)
0x7E作為幀定界符，使用字節(jié)填充實現(xiàn)透明傳輸。
- 廣播信道：使用一對多的廣播通信方式。必須解決共享信道的訪問控制問題，即介質(zhì)訪問控制 (MAC)。
- 核心問題：如何協(xié)調(diào)多個發(fā)送站點對共享信道的訪問，避免沖突，提高信道利用率。
- 局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層：通常拆分為兩個子層：
- 邏輯鏈路控制 (LLC) 子層：與介質(zhì)訪問無關(guān)，現(xiàn)已不常用。
- 介質(zhì)訪問控制 (MAC) 子層：核心，解決信道爭用問題。
三、CSMA/CD 協(xié)議（重點）
這是傳統(tǒng)以太網(wǎng)（10 Mbps，半雙工）使用的協(xié)議，其核心思想是“先聽后發(fā)，邊聽邊發(fā)，沖突停發(fā)，隨機重發(fā)”。
- 工作原理：
- 準備發(fā)送前先監(jiān)聽信道，若空閑則立即發(fā)送，若忙則持續(xù)監(jiān)聽直至空閑。
- 發(fā)送過程中仍持續(xù)監(jiān)聽（即“邊聽邊發(fā)”），以檢測是否發(fā)生沖突。
- 一旦檢測到?jīng)_突，立即停止發(fā)送，并發(fā)送一個強化沖突的干擾信號。
- 執(zhí)行二進制指數(shù)退避算法，等待一段隨機時間后重新嘗試發(fā)送。
- 重要概念：
- 爭用期 (沖突窗口)：信號在總線最遠兩端往返傳播的時間（即兩倍端到端傳播時延
2τ）。在爭用期內(nèi)沒有檢測到?jīng)_突，才能肯定這次發(fā)送不會發(fā)生沖突。對于10M以太網(wǎng)，爭用期定為51.2微秒，對應(yīng)64字節(jié)的最小幀長（凡長度小于64字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀）。
- 二進制指數(shù)退避算法：重傳延遲時間 = 基本退避時間（
2τ） × 隨機數(shù) r（r從整數(shù)集合[0, 1, ..., (2^k -1)]中隨機選取，k = Min[重傳次數(shù), 10]）。重傳16次仍不成功則丟棄該幀。
四、以太網(wǎng)技術(shù)
- MAC層：
- MAC地址（硬件地址/物理地址）：48位全球唯一標識符，固化在網(wǎng)卡的ROM中。前24位為廠商標識（OUI），后24位由廠商分配。MAC幀格式必須熟練掌握（目的地址、源地址、類型、數(shù)據(jù)、FCS）。注意以太網(wǎng)V2標準中，數(shù)據(jù)字段長度在46-1500字節(jié)之間。
- 擴展的以太網(wǎng)：
- 在物理層擴展：使用集線器（Hub）或光纖。集線器是一個多端口的信號放大設(shè)備（中繼器），工作在物理層，它連接的所有設(shè)備處于同一個沖突域和廣播域。
- 在數(shù)據(jù)鏈路層擴展：使用網(wǎng)橋 (Bridge) 或交換機 (Switch)。它們基于MAC地址進行過濾和轉(zhuǎn)發(fā)，可以分隔沖突域（每個端口是一個獨立的沖突域），但所有端口仍屬于同一個廣播域。
- 交換機（多端口網(wǎng)橋）：工作在全雙工模式，使用自學習算法建立和維護其轉(zhuǎn)發(fā)表（MAC地址表）。轉(zhuǎn)發(fā)方式分為直通交換（延遲小，不檢錯）和存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換（延遲大，可檢錯）。
五、高速以太網(wǎng)
了解常見標準：
- 100BASE-T：快速以太網(wǎng)，使用CSMA/CD協(xié)議，但爭用期和最小幀長不變（通過減小網(wǎng)絡(luò)最大距離或增加幀間隔來適應(yīng)）。
- 吉比特以太網(wǎng) (1 Gbps) 和 10吉比特以太網(wǎng) (10 Gbps)：通常在全雙工模式下工作，不使用CSMA/CD協(xié)議。
復(fù)習要點
- 理解并闡述數(shù)據(jù)鏈路層的三個基本問題及其解決方法。
- 掌握PPP協(xié)議的特點、幀格式及透明傳輸實現(xiàn)方式。
- 深刻理解CSMA/CD協(xié)議的工作原理、爭用期概念、最小幀長由來及二進制指數(shù)退避算法。這是本章的重中之重，常考計算與分析題。
- 熟記以太網(wǎng)MAC幀格式，理解MAC地址的作用。
- 區(qū)分集線器、網(wǎng)橋、交換機的工作原理、層次及對網(wǎng)絡(luò)性能（沖突域、廣播域）的影響。
- 了解高速以太網(wǎng)的基本特點。
通過以上梳理，結(jié)合教材例題與課后習題進行練習，可以有效鞏固第3章的知識體系，為期末考試做好充分準備。
