数据链路层的功能
为网络层提供服务
- 无确认的无连接服务：适用于实时通信或误码率低的信道（如以太网）
- 有确认的无连接服务：适用于无线通信等不可靠信道
- 有确认的面向连接服务：建立连接后保证可靠传输
链路管理
面向连接的服务需要链路管理（建立、维护、释放连接）。
帧定界、帧同步与透明传输
- 帧定界：确定帧的边界
- 帧同步：接收方识别帧的开始与结束
- 透明传输：任何数据都能传输，不会与帧定界符混淆
- MTU（Maximum Transfer Unit，最大传输单元）：帧数据部分的最大长度
流量控制
控制相邻节点之间数据链路上的流量，防止接收方过载。
差错控制
通过编码技术检测或纠正传输中的差错（CRC、ARQ）。
组帧
将比特流划分为帧的方法：
| 方法 | 说明 |
|---|---|
| 字符计数法 | 使用帧头部字段标明帧内字符数 |
| 字符填充法 | 用特殊字符标识帧边界，数据中出现则填充转义字符 |
| 零比特填充法 | 用”01111110”标识边界，数据中连续 5 个 1 后插入 1 个 0（“5110 规则”） |
| 违规编码法 | 借用物理层编码中不会出现的信号来定界 |
差错控制
检错编码
- 奇偶校验码：添加 1 位校验位，使 1 的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）
- 循环冗余码 CRC（Cyclic Redundancy Code）：通过多项式除法生成校验码
- 帧检验序列 FCS（Frame Check Sequence）：在数据后面附加 CRC 校验码
纠错编码
- 海明码 Hamming Code：可以检测并纠正 1 位错，发现 2 位错
流量控制与可靠传输机制
停等协议 Stop-and-Wait
发送方每发送一帧就等待确认，收到确认后才发送下一帧。
信道利用率：
后退 N 帧协议 GBN（Go-Back-N）
- 发送方连续发送多个帧，窗口大小
- 接收窗口 = 1，只按序接收
- 出错时重传该帧及其后续所有帧
选择重传协议 SR（Selective Repeat）
- 发送窗口 + 接收窗口
- 通常发送窗口 = 接收窗口 =
- 只重传出错的帧，接收方有缓存
滑动窗口机制
发送窗口和接收窗口在序号空间上滑动，实现流量控制和可靠传输。
介质访问控制 MAC
信道划分介质访问控制（静态分配）
| 技术 | 说明 |
|---|---|
| 频分多路复用 FDM | 频分复用，模拟信号 |
| 时分多路复用 TDM | 时分复用，数字信号 |
| 波分多路复用 WDM | 光频分复用 |
| 码分多路复用 CDM | 码分多址 CDMA |
随机访问介质访问控制
ALOHA 协议
- 纯 ALOHA：随时发送，冲突则随机等待重发
- 时隙 ALOHA：只能在时隙开始时发送，吞吐量提高一倍
CSMA 协议（载波侦听多路访问）
| 类型 | 策略 |
|---|---|
| 1-坚持 CSMA | 信道空闲就发送 |
| 非坚持 CSMA | 信道空闲时以概率 P 发送 |
| P-坚持 CSMA | 信道空闲时以概率 P 发送，以概率 1-P 推迟到下一时隙 |
CSMA/CD（载波侦听多路访问/碰撞检测）
用于总线型以太网，半双工通信。
- 争用期（碰撞窗口）：（端到端往返传播时延）
- 最小帧长：
- 10Mb/s 以太网：争用期 51.2μs，最短帧长 64B
- 指数退避算法：
- 基本退避时间 =
- 从 中随机取 r，退避时间 =
- 重传 16 次仍失败则抛弃该帧
CSMA/CA（载波侦听多路访问/碰撞避免）
用于无线局域网（802.11），无法检测冲突，只能避免。
- 帧间间隔 IFS：
- SIFS（短）：最高优先级（ACK、CTS 等）
- PIFS（点协调）：中等优先级
- DIFS（分布式协调）：最低优先级
- RTS/CTS 机制：解决隐蔽站问题
CSMA/CD vs CSMA/CA
| 对比项 | CSMA/CD | CSMA/CA |
|---|---|---|
| 传输介质 | 有线总线 | 无线 |
| 检测方式 | 电压变化检测碰撞 | 能量/载波检测，避免碰撞 |
| 确认机制 | 无确认 | 有确认 |
轮询访问（受控访问）
- 令牌传递协议：令牌在环形网络中依次传递，持有令牌的节点才能发送
局域网 LAN
局域网体系结构的三个决定要素
- 拓扑结构
- 传输介质
- 介质访问控制方法
三种特殊局域网拓扑
| 标准 | 逻辑拓扑 | 物理拓扑 |
|---|---|---|
| 以太网 IEEE 802.3 | 总线形 | 星形 |
| 令牌环 IEEE 802.5 | 环形 | 环形 |
| FDDI IEEE 802.8 | 环形 | 环形 |
以太网与 IEEE 802.3
以太网传输介质规范
| 规范 | 传输介质 | 编码 | 拓扑 | 最大段长 | 最多节点 |
|---|---|---|---|---|---|
| 10BASE5 | 粗同轴电缆 | 曼彻斯特 | 总线形 | 500m | 100 |
| 10BASE2 | 细同轴电缆 | 曼彻斯特 | 总线形 | 185m | 30 |
| 10BASE-T | UTP 双绞线 | 曼彻斯特 | 星形 | 100m | 2 |
| 10BASE-FL | 光纤 | 曼彻斯特 | 点对点 | 2000m | 2 |
以太网 MAC 帧
前导码 8B | 目的地址 6B | 源地址 6B | 类型 2B | 数据 46~1500B | FCS 4B
首部和尾部长度共 18B。最短帧 64B，最长帧 1518B。
高速以太网
| 类型 | 速率 | 介质 | 通信方式 |
|---|---|---|---|
| 100BASE-T | 100Mb/s | 双绞线/光纤 | 全双工/半双工 |
| 吉比特以太网 | 1Gb/s | 光纤/UTP | 全双工/半双工 |
| 10 吉比特以太网 | 10Gb/s | 光纤 | 全双工 |
IEEE 802.11 无线局域网
有固定基础设施无线局域网
- AP（Access Point，接入点）
- BSS（Basic Service Set，基本服务集）
- ESS（Extended Service Set，扩展服务集）
- DS（Distribution System，分配系统）
- SSID（Service Set IDentifier，服务集标识符）
无固定基础设施移动自组织网络
又称 Ad Hoc 网络，节点自组织形成临时网络。
广域网 WAN
PPP 协议（Point to Point Protocol）
面向字节的串行线路通信协议。
三个组成部分：
- LCP（链路控制协议）：建立、配置和测试数据链路连接
- NCP（网络控制协议）：支持不同网络层协议
- IP 数据报封装方法
特点：
- 仅支持点对点，无最短帧限制
- 信息段占 0~1500 字节（无 CSMA/CD）
- 差错检测（CRC），但不纠错
- 无序号和确认机制，不可靠传输
- 支持全双工
HDLC 协议（高级数据链路控制协议）
面向比特的数据链路层协议，使用零比特填充法。
三种站：主站（发命令）、从站（发响应）、复合站
三种数据操作方式：正常响应、异步平衡、异步响应
帧格式：标志 F (01111110) | 地址 A | 控制 C | 信息 | FCS
控制字段帧类型：
- I 帧（信息帧）：传输数据，捎带确认
- S 帧（监督帧）：流量控制和差错控制
- U 帧（无编号帧）：链路建立、拆除等控制功能
PPP vs HDLC
| 对比项 | PPP | HDLC |
|---|---|---|
| 面向 | 字节 | 比特 |
| 填充方式 | 字节填充（异步）/ 比特填充（同步） | 零比特填充 |
| 确认机制 | 无序号和确认 | 有编号和确认（I 帧） |
| 可靠性 | 不可靠传输 | 可靠传输 |
数据链路层的设备
网桥 Bridge
- 透明网桥：自学习转发表，选择生成树路由（非最佳）
- 源路由网桥：由发送方指定路由（最佳路由）
局域网交换机 Switch
本质上是一种多端口网桥。
- 直通式交换机：只检查目的地址就转发，时延小
- 存储转发式交换机：缓存整个帧再转发，可靠性高
虚拟局域网 VLAN
- 可以隔离广播域和冲突域
- 通过交换机软件将逻辑上不同地点的设备划分在同一广播域
冲突域与广播域
- 冲突域：同一时刻只能有一个设备发送数据的区域
- 集线器所有端口：1 个冲突域
- 交换机每个端口：1 个冲突域
- 广播域：广播帧能够到达的范围
- 交换机不隔离广播域（除非 VLAN）
- 路由器隔离广播域