期末計網滿績計劃
教材：計算機網路(第七版)謝希仁版

資料鏈路層

1. 鏈路與資料鏈路

• 結點：主機和路由器
• 鏈路：從一個結點到相鄰結點的一段物理線路，而中間沒有其他交換結點，
• 資料鏈路：當需要在一條線上傳送資料時，處理必須有一條物理線路外，還必須有一些表的通信協議來控制在這些資料的傳輸，把這些二協議的硬體和軟體加到鏈路上，構成資料鏈路，

2. 資料鏈路層的三個基本問題：封裝成幀、透明傳輸和差錯檢測

• 封裝成幀：把網路層交下來的IP資料包添加首部和尾部封裝成幀，
  

• 透明傳輸：
  SOH、EOT一個是開始的控制符號，一個是結束的控制服務，
  用特殊位元流實作幀同步，某一個實際存在的事物看起來卻好像不存在一樣，表示無論是什么樣的位元組合資料，都能夠按照原樣沒有差錯地通過這個資料鏈路層，因此，對鎖傳送地資料來說，這些資料就“看不見”鏈路層有說明妨礙資料傳輸地東西，或者說，資料鏈路層對這些資料來說是透明的，

為了解決透明傳輸地問題，就必須設法使資料中可能可能出現地“SOH”和“EOT”在接受端不被解釋為控制字符，可以在SOH或是EOT前面插入一個轉義字符ESC 而在接受端的資料鏈路層在把資料送往網路層之前洗掉這些插入的控制字符，這種方法也稱為位元組填充，字符填充，

• 差錯檢測：
  
  

3. MTU 誤碼率 無差錯接受 可靠傳輸 傳輸差錯：位元差錯、幀丟失、幀重復、幀失序

• 最大傳送單元MTU ：每一種鏈路層協議都規定所能傳送的幀的資料部分長度上限，
• 誤碼率BER ：在一段時間內，傳輸錯誤的位元占所傳輸位元總數的比率，
• 無差錯接受：凡是接收端資料鏈路層接收的幀，我們都能以非常接近于1的概率認為這些幀在傳輸程序中沒有產生差錯，
• 可靠傳輸：資料鏈路層的發送端發送什么，在接受端就收到什么，
• 位元差錯：位元在傳輸程序中可能會產生差錯，1可能會變成0，0也可能會變成1，
• 幀丟失：收到[#1]-[#3]（丟失[#2]）
• 幀重復：收到[#1]-[#2]-[#2]-[#3]（收到兩個[#2]）
• 幀失序：收到[#1]-[#3]-[#2]（后傳輸的幀反而先到達）

4. 回圈冗余校驗碼 CRC(計算)

5. PPP(特點、幀格式、作業狀態)

PPP 點對點協議，是目前使用得最廣泛得資料鏈路層協議，用于撥號接入得PPP，在以太網交換機和主機之間得點對點鏈路，

5.1 特點：

1. 簡單：PPP協議并沒有像TCP協議或是IP協議那么復雜，資料鏈路層得協議沒有必要提供比TCP/IP協議更多的功能，因此資料鏈路層的幀，不需要糾錯，不需要序號，也不需要流量控制，所以IETF把“簡單”作為首要的需求，

資料鏈路層的協議非常簡單，接收方每收到一個幀，就進行CRC檢驗，如果CRC檢驗正確，就收下這個幀，反之則丟棄這個幀，其他掃碼也不做，

2. 封裝成幀：PPP協議必須按照規定的特殊字符作為幀定字符，上文提到的SOH或是EOT等等，
3. 透明性：PPP協議必須保證特殊字符的透明性，也就是說如果資料中碰巧出現了和幀定界符一樣的位元組合時候，就要采取特殊的措施，如同上文提到的位元組填充等等，
4. 多種網路層協議：PPP協議必須能夠在同一條物理鏈路上同時支持多種網路層協議(IP和IPX等)的運行，當然也必須支持局域網或是路由器運行的各種網路層協議，
5. 多種型別鏈路：PPP協議還能支持多種型別在鏈路上運行，串行還是并行，同步或是異步，低俗或是高速等等，
6. 差錯檢測：PPP協議必須能夠對接收端收到的幀進行檢測，并立即丟失有錯誤的幀，如果無法進行差錯檢測，那么錯誤的無用幀就會在鏈路層上繼續前進，浪費許多網路資源，
7. 檢測連接狀態：PPP必須具有一種能夠及時自動檢測鏈路是否正常作業的狀態，每隔幾分鐘發一次，
8. 最大傳送單元：PPP協議必須對點對點的鏈路設定最大傳送單元MTU，如果高層發送分組過長并超過MTU的數值，PPP就要丟棄這樣的幀，并回傳差錯，強調一點：MTU是資料鏈路層的幀可以載荷的資料部分的最大長度，不是幀的長度，
9. 網路層地址協商：PPP協議必須提供使得通信的兩個網路層(例如兩個IP層)的物體能夠通過協商知道或能夠配置彼此的網路地址，
10. 資料壓縮演算法：提供一種方法來協商使用資料壓縮演算法，但是PPP協議并不要求資料壓縮演算法進行標準化，

PPP協議的組成

• 一個將IP資料報封裝到串行鏈路的方法，
• 一個用來建立、配置和測驗資料鏈路層連接的鏈路控制協議LCP，
• 一套網路控制協議NCP，

5.2 幀格式

1. 各欄位的意義
   F ：標志欄位
   A ：地址欄位
   C ：控制欄位

2. 位元組填充
   當資訊欄位中出現和標志欄位意義的位元(0x7E)組合時，就必須采取一些措施是這種形式上和標志欄位一樣的位元不出現在資訊欄位中

• 把資訊欄位中出現的每一個0x7E位元組轉變成為2位元組序列(0x7D、0x5E)
• 若資訊欄位中出現一個0x7D的位元組(即出現了和轉義字符一樣的位元組合)，則把0x7D位元組，同時將轉變為2位元組序列（0x7D、0x5D），
• 若資訊欄位中出現ASCII碼的控制字符，則在該字符前面加一個0x7D位元組，同時將字符的編碼加以改變，

3. 零位元填充
   PPP協議用在SONET/SDH鏈路時，使用同步傳輸(一連串的位元連續傳送)而不是異步傳輸(逐個字符地傳送)，在這種情況下就要采用零位元填充方法來實作透明傳輸，

• 在發送端像掃描整個資訊欄位，
• 只要發現5個連續地1，則立即填入一個0.
• 接收方收到一個幀，先找到一個標志字符F，確定一個幀的邊界，
• 發現5個連續1是，就把5個連續的1后的一個0洗掉，還原成原來的資訊位元流，

5.3 作業狀態

• 物理層連接建立
• 再進行LCP配置協商，如果協商失敗，則鏈路靜止，
• 如果成功進行鑒別，鑒別失敗則鏈路終止
• 鑒別成功或無須鑒別，則進入網路層協議，進行NCP配置協商，
• 當網路層配置完畢后，鏈路就進入可進行資料通信的鏈路打開狀態，

6. 媒體接入控制技術分類

6.1 靜態劃分通道

上一章提到的，頻分復用，時分復用，波分復用，波分復用和碼分復用，

6.2 動態媒體接入控制(多點接入)

信道并非再用戶通信時固定分配給用戶，

• 隨機接入：
  所有用戶可隨機地發送資訊，但如果恰巧有兩個或更多地用戶通信同一時刻發送資訊，那么在共享媒體上產生碰撞(發生沖突)，

• 受控接入：
  用戶不能隨機的發送資訊而必須必須服從一定的控制，這類的典型代表有分散控制的令牌環局域網和集中控制的多點線路探詢，也稱為輪詢，

7. Mac 地址，I/G 位，G/L 位

7.1 Mac 層的硬體地址

硬體地址又稱物理地址或MAC地址

7.2 I/G位

地址欄位的第一個位元組的最低位為I/G位，當I/G位為0時，地址欄位表示一個的單個站地址，當I/G位為1時表示組地址，用來進行多播，

7.3 G/L位

地址欄位第1位元組的最低第二位規定為G/L位，當G/L為0時候是全球管理(保證全球沒有相同的地址)，當G/L為1時時本地管理，這時用戶可任意分配網路上的地址，

幀型別

1. 單位幀 (一對一)：收到的幀的MAC地址于本站的硬體地址相同
2. 廣播幀(一對全體)：即發送給本局域網上所有站點的幀(全1地址)
3. 多播幀(一對多)：即發送給本局域網上的一部分站點的幀，

8. CSMA/CD

載波監聽，多點接入，碰撞檢測，為了減少沖突發生的概率，

• 多點接入：就是說明這是總線型網路，許多計算機以多點接入的方式連接在以跟總線上，協議的實際是“載波監聽”和“碰撞檢測”
• 載波監聽：用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機也在發送，就是檢測信道，不管在發送前，還是發送中，每個站都必須不停地檢測信道，
• 碰撞檢測：邊發送邊監聽，即配接器邊發送資料邊檢測信道上的信號電壓的變化情況，以便判斷自己在發送資料其他站是否也在發送資料，
  
  每一個站在自己發送資料之后的一小時內，存在著遭遇碰撞的可能性，這一小段是不確定的，它取決于另一個發送資料的站到本站的距離，因此以太網不能保證某一時間之內一定能把自己的資料幀成功發出去，因為存在碰撞，

9. 爭用期、沖突視窗、最短幀長

1. 爭用期：從上圖我們可以知道最先發送資料幀A站，在發送資料幀后至多經過時間2t就可以知道所遇到的資料幀是否遭受到了碰撞，因此以太網的端到端往返時間2t為爭用期，經過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發送不會發送碰撞，
2. 沖突視窗
   也叫爭用期和碰撞視窗
3. 最短幀長
   最短幀長是64位元組，凡是小于64位元組的幀都是由于沖突而例外終止的無效幀，只要收到了這種無效幀，就應該立即將其丟棄，

10. 以太網信道利用率

以太網的信道被占用的情況，

只有當引數a遠小于1才能得到盡可能高的極限信道利用率，

11. 以太網幀格式

以太網V2的MAC幀較為簡單，由五個欄位組成，

• 前兩個欄位分別6欄位長的目的地址和源地址欄位，
• 第三個欄位是2欄位和型別欄位，用來表示標志上一層使用的是什么協議，以便把收到來的MAC幀的資料上交到上一層的這個協議，
• 第四個欄位是資料欄位，
• 最后一個欄位是幀檢驗序列FCS(使用CRC檢驗)
  

12. 透明網橋，生成樹協議

12.1 透明網橋

透明網橋是一種即插即用設備，只要把網橋接入局域網，不需要改動硬體和軟體，無需設定地址開關，無需裝入路由表或引數，網橋就能作業，

12.2 生成樹協議

在不改變網路的實際拓撲，但在邏輯上則切斷了某些鏈路，使得一臺主機到所有其他主機的路徑是無環路的樹狀結構，從而消除了都兜圈子現象，

防止交換機冗余鏈路產生的環路.用于確保以太網中無環路的邏輯拓撲結構.從而避免了廣播風暴,大量占用交換機的資源，

13. 交換機與集線器比較，VLAN

13.1 交換機與集線器比較

交換機把集線器淘汰了，
1）在OSI/RM（OSI參考模型）中的作業層次不同
交換機和集線器在OSI／RM開放體系模型中對應的層次就不一樣，集線器是同時作業在第一層（物理層）和第二層（資料鏈路層），而交換機至少是作業在第二層，更高級的交換機可以作業在第三層（網路層）和第四層（傳輸層），

（2）交換機的資料傳輸方式不同
集線器的資料傳輸方式是廣播（broadcast）方式，而交換機的資料傳輸是有目的的，資料只對目的節點發送，只是在自己的MAC地址表中找不到的情況下第一次使用廣播方式發送，然后因為交換機具有MAC地址學習功能，第二次以后就不再是廣播發送了，又是有目的的發送，這樣的好處是資料傳輸效率提高，不會出現廣播風暴，在安全性方面也不會出現其它節點偵聽的現象，

（3）帶寬占用方式不同
在帶寬占用方面，集線器所有埠是共享集線器的總帶寬，而交換機的每個埠都具有自己的帶寬，這樣就交換機實際上每個埠的帶寬比集線器埠可用帶寬要高許多，也就決定了交換機的傳輸速度比集線器要快許多，

（4）傳輸模式不同
集線器只能采用半雙工方式進行傳輸的，因為集線器是共享傳輸介質的，這樣在上行通道上集線器一次只能傳輸一個任務，要么是接收資料，要么是發送資料，

13.1 VLAN 虛擬局域網

VLAN是由一些局域網網段構成的構成的與物理地址無關的邏輯組，而這些網段具有某些共同的需求，每一個VLAN的幀都有一個明確的識別符號，指明發送這個幀的計算機是屬于哪一個VLAN，

三個虛擬局域網VLAN1 VLAN2 VLAN3的構成

可以看出每一個VLAN的計算機處在不同的局域網中，也可以不再同一層樓中，

14. 以太網物理層標準

在100Mbit/s的以太網中采用的方法是保持最短幀長不變，對于銅纜100Mbit/s以太網，一個網段的最大長度是100m，其最短幀長64位元組，即512位元，因此爭用期是5.12us，幀間最小間隔現在是0.96us，都10Mbit/s以太網的1/10，

15. 載波延伸、分組突發

15.1 載波延伸

在千兆以太網中加到一個介質訪問控制幀尾部的若干個位元，用以讓該幀傳輸更長的時間，避免發生沖突，

15.2 分組突發

為避免發送短幀時的載波延伸開銷，當很多短幀要發送時，第一個短幀要采用上面所說的載波延伸的方法進真充，

16. 課后習題

第一題(3-07)
要發送的資料為1101011011.采用CRC的生成多項式是P(X)=X^4+X+1,求應添加在資料后面的余數，資料在傳輸程序中最后一個1變成了0，問接收端能否發現？最后兩個1都變成0呢？

第二題(3-09)
一個ppp幀的資料部分（用十六進制寫出）是7D 5E FE 27 7D 5D 7D 5D 65 7D 5E，請問真正的資料是什么？

第三題(3-10)
PPP協議使用同步傳輸技術傳送位元串0110111111111100，試問經過零位元填充后變成怎樣的位元串？若接收端收到的PPP幀的資料部分是0001110111110111110110，問洗掉發送端發送端加入的零位元后變成什么樣的位元串？

第四題(3-14)
常用的局域網的網路拓撲有哪些種類？現在最流行的是哪種結構？

第五題(3-16)
資料率為10Mbit/s的以太網在物理媒體上的元碼傳輸屬于為多少？

所以是加倍了，2*10e6 碼元/s

第六題(3-18)
說明一下10BASE-T中的10、BASE、T所代表的意思？

第七題(3-20)
假定1km長的CSMA/CD網路的資料率為1Gbit/s，設信號在網路上的傳播速率為200000 km/s，求能夠使用此協議的最短幀長，

第八題(3-21)
什么叫位元時間，使用這種時間單位有什么好處，100位元時間是多少微秒？

第九題(3-22)
假定在使用CSMA/CD協議的10Mbit/s以太網中某個站在發送資料時檢測到碰撞，執行退避演算法時選擇了亂數r=100.試問這個站需要等待多長時間后才能再次發送資料？如果是100Mbit/s的以太網

第十題(3-24)
假定站點A和點B在同一個10Mb/s以太網網段上，這兩個站點之間的傳播時延為225位元時間，現假定A開始發送一
幀，并且在A發送結束之前B也發送一幀，如果A發送的是以太網所允許的最短的幀，那么在A在檢測到和B發生碰撞之前能否把自己的資料發送完畢？換言之，如果A在發送完畢之前并沒有檢測到碰撞，那么能否肯定A所發送的幀不會和B發送的幀發生碰撞？（提示：在計算時應當考慮到每一個以太網幀在發送到信道時，在MAC幀前面還要增加若干位元組的前同步碼和幀定界符）
這兩題直接看答案吧，答案講的很清楚(字太多不想打)

第十一題(3-25)
在上題中的站點A和B在t=0時同時發送了資料幀，當t=255位元時間，A和B同時檢測到發生了碰撞，并且在t=255+48=273位元時間完成了干擾信號的傳輸，A和B在CSMA/CD演算法中選擇不同的r值退避，假定A和B選擇的亂數分別是rA=0和rB=1，試問A和B各在什么時間開始重傳其資料幀？A重傳的資料幀在什么時間到達B？A重傳的資料會不會和B重傳的資料再次發生碰撞？B會不會在預定的重傳時間停止發送資料？

第十二題(3-27)
有10個站連接到以太網上，試計算以下三種情況下每一個站所能得到的帶寬，
（1）10個站都連接到一個10Mb/s以太網集線器
（2）10個站都連接到一個100Mb/s以太網集線器
（3）10個站都連接到一個10Mb/s以太網交換機

第十三題(3-33)
以太網交換機有6個介面，分別接到5臺主機和一個路由器，在下面表中的“動作”一欄中，表示先后發送了4個幀，假定在開始時，以太網交換 機的交換表是空的，試把該表中其他的欄目都填寫