第三章 数据链路层

一、组帧（封装成帧）

主要问题

  • 帧定界 ——接收方确定帧的界限

  • 透明传输——接收方去除“帧定界”的附加信息

方法

  • ①字符计数法

    帧长=计数字段长度+帧的数据部分长度

    缺点：一个字段出错后续所有无法定界

  • ②字节填充法

    image-20260107114710028

    特殊字符前插入转义字符

  • ③零比特填充法

    image-20260107114833714

  • ④违规编码法

    曼彻斯特编码中间不跳变——违规

    在首尾各加入一个违规信号

image-20260107115050112

二、差错控制

目标：发现帧内部位错

  • 检测编码——接受方发现错后丢弃帧，通知发送方重传帧
  • 纠错编码—接收方发现并纠正比特错误

检错编码

  • ①奇偶校验image-20260107115918268奇校验-整个校验码含奇数个1

    偶校验-整个校验码含偶数个1

    偶校验更常用，可使用异或运算

    • 求偶校验位image-20260107151315978

    • 偶校验image-20260107151839262但若跳变两处时无法检测出错误

  • ②循环冗余检验码CRCimage-20260107152055508

    信息码长度=6，校验码位数=3

    除数=信息码补3个0=101001000

    被除数=1101

    使用模2除法

    image-20260107152542461

    • 检测&纠错

      将接收数据用1101进行模2除

      余数为000则没有出错

  • ③海明码

    image-20260107154100957

    image-20260107154512873

三、流量控制&可靠传输

滑动窗口机制

WtW_t ：发送窗口 WRW_R​​：接收窗口

Wt+WR≤2nW_t+W_R≤2^n

(n：至少需要nbit给帧编号)

  • 发送窗口之外的帧不允许发送
  • 若收到接收窗口之外的帧直接丢弃
  • 接收方通过“确认机制”控制发送方窗口滑动（实现流量控制）

可靠传输机制

确认+超时重传——自动重传请求（ARQ）

ARQ协议分为三种：

① 停止等待协议（S-W）

  • 发送窗口Wt=1W_t=1
  • 接收窗口WR=1W_R=1

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  • 数据帧丢失：发送方超时重传
  • 确认帧丢失：发送发超时重传，接收方先丢弃重复帧，再发送重复帧的ACK
  • 数据帧有错：接收方丢弃、不返回ACK，发送方超时重传

② 后退N帧协议（GBN）

  • 发送窗口Wt>1W_t>1
  • 接收窗口WR=1W_R=1​

特殊机制：

image-20260107160906444

③ 选择重传协议（SR）

  • 发送窗口Wt>1W_t>1
  • 接收窗口WR>1W_R>1
  • 接收窗口不能大于发送窗口​
  • 不支持累计确认

特殊机制：

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【例题】1399667b9dea50b38d79821053c60cc7

信道利用率

① S-W信道利用率

image-20260107223139328

【例题】

image-20260107201542483

image-20260107223108333

40%=L3kbpsL3kbps+2⋅200ms+040\%=\frac{\frac{L}{3kbps}}{\frac{L}{3kbps}+2\cdot 200ms+0}

解答L=800 bitL=800\ bit

②GBN、SR协议信道利用率

image-20260107223537319

image-20260107224027865

【例题】image-20260107224422468

v=1000⋅1000B1000B100Mbps+2⋅50ms=80Mbpsv=\frac{1000\cdot 1000B}{ \frac{1000B}{100Mbps}+2\cdot50ms}=80Mbps

四、介质访问控制

考点：3类多点访问协议分别有哪些？答：随机访问协议、受控访问协议（轮询访问）、信道划分协议

⭐多路复用技术

①频分多路复用（FDM）

把一条“更宽的物理信道”的频带切成很多小段，每个信号占一段，中间留“保护频带”防止互相串扰

应用：电话网、无线、卫星网络

【例题】有10个信号，每个要求4000Hz，现在用FDM将它们复用在一条信道上。对于被复用的信道，最小要求多少带宽？假设保护频带为400Hz宽。

总的带宽=image-20260106234414439

②时分多路复用（TDM）

将一条物理传输线路按时间分成若干时间片轮换地被多个信源使用

应用：电话、蜂窝网络

  • 同步时分

    【例题】四条信道采用TDM进行复用，如果每条信道的速率为100Bytes/s，而且每个信道每次复用1Byte，请画出链路上传递的帧、帧的长度、帧的持续时间、帧的速率和链路的位速率。Lframe=4×1=4Byte=32bitsL_{frame}=4×1=4Byte=32bits

    tduration=1100Bytes/s1Byte=0.01st_{duration}=\frac{1}{\frac{100 Bytes/s}{1Byte}}=0.01s v=32bitstduration=3200bpsv=\frac{32bits}{t_{duration}}=3200bps

    image-20260107000801659

  • 异步时分

    时间片是按需动态分配的，时间片与输入端之间没有对应关系

    image-20260107002322751

③波分多路复用（WDM）

WDM是FDM的一个变种，用于光纤信道。

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④码分多路复用（CDM）❗重点

  • 码片序列包含m个码片，即m维向量，各节点向量必须正交

  • 相互通信节点知道彼此的码片序列

  • 接收方收到叠加信号值（m维个向量的加法）

  • 规格化内积

​ a站发送的值：1ma⃗⋅(c接收的信号值)\frac{1}{m}\vec{a} \cdot (c接收的信号值)

【例题】image-20260107011341065

比特1表示发送数据为1，比特-1表示发送数据为0

a站发送的第一个值：1ma⃗⋅(c接收的信号值1)=14(1,1,1,1)⋅(2,0,2,0)=1\frac{1}{m}\vec{a} \cdot (c接收的信号值1) = \frac{1}{4}(1,1,1,1) \cdot (2,0,2,0) = 1

a站发送的第二个值：1ma⃗⋅(c接收的信号值2)=14(1,1,1,1)⋅(0,−2,0,−2)=−1\frac{1}{m}\vec{a} \cdot (c接收的信号值2) = \frac{1}{4}(1,1,1,1) \cdot (0,-2,0,-2) = -1

a站发送的第三个值：1ma⃗⋅(c接收的信号值3)=14(1,1,1,1)⋅(0,2,0,2)=1\frac{1}{m}\vec{a} \cdot (c接收的信号值3) = \frac{1}{4}(1,1,1,1) \cdot (0,2,0,2) = 1​

所以a站发送数据为101

b站发送的第一个值：1mb⃗⋅(c接收的信号值1)=14(1,−1,1,−1)⋅(2,0,2,0)=1\frac{1}{m}\vec{b} \cdot (c接收的信号值1) = \frac{1}{4}(1,-1,1,-1) \cdot (2,0,2,0) = 1

b站发送的第二个值：1mb⃗⋅(c接收的信号值2)=14(1,−1,1,−1)⋅(0,−2,0,−2)=1\frac{1}{m}\vec{b} \cdot (c接收的信号值2) = \frac{1}{4}(1,-1,1,-1) \cdot (0,-2,0,-2) = 1

b站发送的第三个值：1mb⃗⋅(c接收的信号值3)=14(1,−1,1,−1)⋅(0,2,0,2)=−1\frac{1}{m}\vec{b} \cdot (c接收的信号值3) = \frac{1}{4}(1,-1,1,-1) \cdot (0,2,0,2) = -1

所以b站发送数据为110

随机访问介质访问控制

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CSMA/CD协议（总线型）——冲突检测

考点：思想、本质、会最短帧长的计算

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争用期=2×最大单向传播时延

  • 最短帧长

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=争用期×信道带宽

⭐CSMA/CA协议——冲突避免

考：IEEE802.11MAC协议中的DCF，特别是信道预约：RTS/CTS，注意IFS的使用，会计算总时延

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五、局域网

  1. 以太网/802.3
  • 曼彻斯特编码
  • 总线形
  • 同轴电缆
  • CSMA/CD协议

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MAC帧：662N4，收发协数验

  1. ⭐WIFI/802.11

  • 星形拓扑、无线、CSMA/CA协议

  • 帧的分类与格式

    • 数据帧
    • 控制帧：如ACK
    • 管理帧：如探测请求

    image-20260108203003394

记忆口诀：

30 N 4首数验，首部3+1地址

九十比特表去来，帧的中转靠AP

去往AP中起止，来自AP止中起

  1. **VLAN **虚拟局域网

考：基本概念与划分

把一个局域网内部的节点重新分组，把这些节点归为不同的虚拟局域网

每一个VLAN是一个广播域

  • 划分VLAN三种方式
    • 基于接口 VID↔️接口号
    • 基于MAC地址 VID↔️MAC地址
    • 基于IP地址 VID↔️IP地址

六、广域网

PPP协议

考：组成

组成：

  • 链路控制协议LCP
  • 网络控制协议NCP
  • 定义PPP帧格式

七、以太网交换机

考：以太网交换机的交换方式（重点掌握切入法，也称直通交换方式）、工作过程（同网桥）、总带宽的计算

  • 自学习功能
    • 交换表【MAC地址，端口号】
    • 不知道接收方在哪时，把帧广播到除入口外的其他端口
  • 交换方式
    • 直通交换
    • 存储转发交换

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