第3章 数据链路层
数据链路层是计算机网络体系结构中的关键一层，它负责在相邻节点（如主机与路由器、路由器与路由器之间）的链路上，实现无差错地传输以“帧”为单位的数据。本章是理解局域网技术、网络互联与可靠传输的基础。
一、核心概念与功能
- 基本概念：
- 链路 (Link)：一条无源的点到点物理线路段，中间没有任何交换节点。
- 数据链路 (Data Link)：在物理链路的基础上，加上必要的通信协议（硬件和软件）来控制数据的传输。数据链路就像一个数字管道，在其中传送的是“帧”。
- 三个基本问题：数据链路层协议必须解决。
- 封装成帧 (Framing)：将网络层传下来的IP数据报添加首部和尾部，构成一个帧。帧定界（界定帧的开始和结束）是核心，常用方法有字符填充法（如PPP协议）和比特填充法（如HDLC协议）。
- 透明传输 (Transparent Transmission)：保证无论所传数据是什么比特组合，都能在线路上正常传送。当数据中的比特组合恰巧与帧定界符相必须采取措施（如字节填充或比特填充）使其“透明”，即不被误认为帧边界。
- 差错控制 (Error Control)：检测并可能纠正帧在传输过程中产生的比特差错。广泛使用循环冗余检验 (CRC) 进行检错，通过计算冗余码（帧检验序列FCS）附加在数据后面。注意：数据链路层通常使用CRC检错，但不负责纠错，发现错误后通常直接丢弃该帧。可靠传输（如重传）通常由上层（如运输层）或特定链路层协议（如PPP的可靠传输模式）实现。
二、两种信道类型下的数据链路层
- 点对点信道：使用一对一的点对点通信方式。典型协议是PPP协议（点对点协议）。
- PPP协议特点：简单、支持多种网络层协议、支持身份验证（PAP/CHAP）、检测连接状态。
- PPP帧格式：牢记其以标志字节
0x7E作为帧定界符，使用字节填充实现透明传输。
- 广播信道：使用一对多的广播通信方式。必须解决共享信道的访问控制问题，即介质访问控制 (MAC)。
- 核心问题：如何协调多个发送站点对共享信道的访问，避免冲突，提高信道利用率。
- 局域网的数据链路层：通常拆分为两个子层：
- 逻辑链路控制 (LLC) 子层：与介质访问无关，现已不常用。
- 介质访问控制 (MAC) 子层：核心，解决信道争用问题。
三、CSMA/CD 协议（重点）
这是传统以太网（10 Mbps，半双工）使用的协议，其核心思想是“先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发”。
- 工作原理：
- 准备发送前先监听信道，若空闲则立即发送，若忙则持续监听直至空闲。
- 发送过程中仍持续监听（即“边听边发”），以检测是否发生冲突。
- 一旦检测到冲突，立即停止发送，并发送一个强化冲突的干扰信号。
- 执行二进制指数退避算法，等待一段随机时间后重新尝试发送。
- 重要概念：
- 争用期 (冲突窗口)：信号在总线最远两端往返传播的时间（即两倍端到端传播时延
2τ）。在争用期内没有检测到冲突，才能肯定这次发送不会发生冲突。对于10M以太网，争用期定为51.2微秒，对应64字节的最小帧长（凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧）。
- 二进制指数退避算法：重传延迟时间 = 基本退避时间（
2τ） × 随机数 r（r从整数集合[0, 1, ..., (2^k -1)]中随机选取，k = Min[重传次数, 10]）。重传16次仍不成功则丢弃该帧。
四、以太网技术
- MAC层：
- MAC地址（硬件地址/物理地址）：48位全球唯一标识符，固化在网卡的ROM中。前24位为厂商标识（OUI），后24位由厂商分配。MAC帧格式必须熟练掌握（目的地址、源地址、类型、数据、FCS）。注意以太网V2标准中，数据字段长度在46-1500字节之间。
- 扩展的以太网：
- 在物理层扩展：使用集线器（Hub）或光纤。集线器是一个多端口的信号放大设备（中继器），工作在物理层，它连接的所有设备处于同一个冲突域和广播域。
- 在数据链路层扩展：使用网桥 (Bridge) 或交换机 (Switch)。它们基于MAC地址进行过滤和转发，可以分隔冲突域（每个端口是一个独立的冲突域），但所有端口仍属于同一个广播域。
- 交换机（多端口网桥）：工作在全双工模式，使用自学习算法建立和维护其转发表（MAC地址表）。转发方式分为直通交换（延迟小，不检错）和存储转发交换（延迟大，可检错）。
五、高速以太网
了解常见标准：
- 100BASE-T：快速以太网，使用CSMA/CD协议，但争用期和最小帧长不变（通过减小网络最大距离或增加帧间隔来适应）。
- 吉比特以太网 (1 Gbps) 和 10吉比特以太网 (10 Gbps)：通常在全双工模式下工作，不使用CSMA/CD协议。
复习要点
- 理解并阐述数据链路层的三个基本问题及其解决方法。
- 掌握PPP协议的特点、帧格式及透明传输实现方式。
- 深刻理解CSMA/CD协议的工作原理、争用期概念、最小帧长由来及二进制指数退避算法。这是本章的重中之重，常考计算与分析题。
- 熟记以太网MAC帧格式，理解MAC地址的作用。
- 区分集线器、网桥、交换机的工作原理、层次及对网络性能（冲突域、广播域）的影响。
- 了解高速以太网的基本特点。
通过以上梳理，结合教材例题与课后习题进行练习，可以有效巩固第3章的知识体系，为期末考试做好充分准备。
