计算机网络期末复习（第三章 数据链路层）

第三章 数据链路层 复习总结

一、数据链路层概述

1. 数据链路层的作用

数据链路层负责的是：

节点 → 节点

之间的数据传输。

注意：

数据链路层不是端到端传输，而是相邻节点之间的传输。

物理层只负责传输比特流，例如：

0 和 1 的电信号

而数据链路层要解决的问题是：

• 如何组织比特
• 如何识别数据边界
• 如何检测传输错误
• 如何在共享信道中协调多个设备发送数据

可以理解为：

物理层负责“把比特送出去”
数据链路层负责“把比特组织成帧，并尽量保证相邻节点之间正确传输”

2. 链路与数据链路

链路

链路是指：

两个节点之间的物理线路

例如：

• 双绞线
• 光纤
• 无线信道

数据链路

数据链路是：

逻辑上的链路

它由：

• 硬件
• 软件
• 协议

共同实现。

可以记为：

链路 + 协议 = 数据链路

3. 帧

帧是：

数据链路层的协议数据单元，即 PDU

网络层传下来的数据报，在数据链路层会被封装成帧。

过程如下：

网络层数据报
↓
加帧首部和帧尾部
↓
形成帧
↓
交给物理层发送

二、两种信道类型

1. 点对点信道

点对点信道是：

一对一通信

例如：

• PPP
• 路由器之间的链路

特点：

• 通信双方固定
• 不存在多个设备争用信道的问题
• 不会发生冲突
• 不需要 CSMA/CD

2. 广播信道

广播信道是：

多个设备共享同一信道

例如：

• 传统总线型以太网
• Hub 网络

特点：

• 多个主机共享信道
• 可能多个设备同时发送数据
• 可能发生碰撞
• 需要媒体接入控制协议

三、数据链路层三个基本问题

数据链路层最重要的三个基本问题是：

封装成帧
透明传输
差错检测

1. 封装成帧

封装成帧就是在数据前后添加：

帧首部
帧尾部

从而形成完整的帧。

例如：

FLAG 数据 FLAG

这样接收方就能知道：

哪里是帧的开始
哪里是帧的结束

2. 透明传输

问题

如果数据内容中刚好出现了帧定界符，例如：

FLAG

接收方可能会误以为这是：

帧的边界

这样就会造成帧识别错误。

解决方法

透明传输常用两种方法：

字节填充
零比特填充

3. 差错检测

数据在传输过程中可能会因为噪声、干扰等原因出现比特错误。

数据链路层常用：

CRC 循环冗余校验

进行差错检测。

注意：

CRC 只能检错，不能纠错。

也就是说：

CRC ≠ 可靠传输

因为 CRC 没有：

• 确认机制
• 重传机制
• 纠错机制

真正的可靠传输一般由高层协议完成，例如 TCP。

四、字节填充与零比特填充

1. 字节填充

字节填充常用于：

PPP 的异步传输

PPP 中：

FLAG = 0x7E
ESC = 转义字符

填充规则：

ESC → ESC ESC
FLAG → ESC FLAG

例如，原数据为：

A B ESC FLAG D

填充后为：

A B ESC ESC ESC FLAG D

这样接收方就知道，数据中的 FLAG 不是真正的帧边界。

2. 零比特填充

零比特填充常用于：

同步传输

规则是：

连续 5 个 1 后插入 1 个 0

PPP 的 Flag 字段为：

01111110

即：

0x7E

其中包含连续 6 个 1。

为了避免数据中出现和 Flag 一样的比特序列，就规定：

只要数据中连续出现 5 个 1，就自动插入 1 个 0。

例如，原数据为：

01111110

填充后为：

011111010

接收方收到后，再把连续 5 个 1 后面的 0 删除，恢复原始数据。

五、CRC 循环冗余校验

1. CRC 的基本思想

CRC 的基本思想是：

发送方用数据除以生成多项式，得到余数。
然后把余数添加到数据后面一起发送。

这个余数就是：

FCS 帧检验序列

2. 模 2 运算

CRC 使用的是：

模 2 除法

模 2 运算本质上就是：

异或运算

基本规则：

1 ⊕ 1 = 0
1 ⊕ 0 = 1
0 ⊕ 1 = 1
0 ⊕ 0 = 0

特点：

不进位
不借位

3. CRC 计算步骤

第一步：数据后补 0

如果生成多项式最高次为 r，则在数据后面补：

r 个 0

第二步：模 2 除法

用补 0 后的数据除以生成多项式，得到：

r 位余数

第三步：添加余数

把余数添加到原数据后面，形成最终发送的帧。

原数据 + FCS

4. CRC 的考试重点

必须记住：

CRC 只能检错，不能纠错。

如果接收方检测出错误，通常会：

丢弃该帧

数据链路层本身不一定负责重传。

六、PPP 协议

1. PPP 协议含义

PPP 全称：

Point-to-Point Protocol

即：

点对点协议

PPP 主要用于：

点对点链路

例如：

• 用户拨号上网
• 路由器之间的链路

2. PPP 帧格式

PPP 帧格式为：

Flag | Address | Control | Data | FCS | Flag

3. PPP 的 Flag 字段

PPP 的 Flag 字段为：

01111110

也就是：

0x7E

作用：

表示帧的开始和结束

4. PPP 的特点

PPP 支持：

• 差错检测
• 身份认证
• 动态 IP 分配
• 多种网络层协议

PPP 不支持：

• 差错纠正
• 可靠传输

5. PPP 的工作过程

PPP 建立连接时，通常经历以下过程：

物理链路建立
↓
LCP 链路控制协议协商
↓
身份鉴别
↓
NCP 网络控制协议协商
↓
链路打开，开始传输数据
↓
NCP 释放网络层连接
↓
LCP 释放数据链路连接
↓
物理链路断开

6. LCP

LCP 全称：

Link Control Protocol

即：

链路控制协议

作用：

• 建立链路
• 配置链路
• 测试链路
• 释放链路

7. 鉴别

PPP 支持身份认证，例如：

• PAP
• CHAP

作用是：

验证用户是否合法

8. NCP

NCP 全称：

Network Control Protocol

即：

网络控制协议

作用是：

配置网络层参数

最典型的是：

给用户动态分配 IP 地址

七、局域网基础

1. 局域网特点

局域网的特点：

• 覆盖范围小
• 数据率高
• 误码率低

2. IEEE 802 标准

IEEE 802 是局域网和城域网标准。

常见标准：

IEEE 802.3 → 以太网
IEEE 802.11 → 无线局域网 WiFi

八、CSMA/CD 协议

1. 为什么需要 CSMA/CD？

在广播信道中，多个设备共享同一条信道。

如果多个设备同时发送数据，就会发生：

碰撞

因此需要 CSMA/CD 协议来协调发送。

2. CSMA/CD 的含义

CSMA/CD 全称：

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

即：

载波监听多点接入 / 碰撞检测

3. CSMA/CD 的核心思想

1. 先听后发

发送前先监听信道。

如果信道空闲，就发送。

如果信道忙，就等待。

载波监听：先听后发

2. 边听边发

发送数据的同时继续监听信道，判断是否发生碰撞。

碰撞检测：边听边发

3. 冲突停止

如果检测到碰撞，立即停止发送。

同时发送：

强化碰撞信号

目的是让所有主机都知道发生了碰撞。

4. 延迟重发

发生碰撞后，不会立刻重发，而是采用：

截断二进制指数退避算法

等待一段随机时间后再重发。

九、争用期与最短帧长

1. 传播时延

传播时延是信号在链路上传播所需要的时间。

公式：

τ = 距离 / 传播速度

其中：

τ 表示单程传播时延

2. 发送时延

发送时延是把一帧数据全部发送到信道上所需要的时间。

公式：

T0 = L / C

其中：

T0：发送时延
L：帧长，单位 bit
C：数据率，单位 bit/s

3. 争用期

争用期定义为：

2τ

即：

往返传播时延

意义：

发送方必须在 2τ 内检测到碰撞。

4. 最短帧长条件

为了保证发送方在发送过程中能够检测到碰撞，必须满足：

T0 ≥ 2τ

也就是：

发送时延 ≥ 往返传播时延

如果帧太短，就可能出现：

帧已经发送完了
碰撞信号还没返回

这样发送方就无法知道发生了碰撞。

5. 最短帧长公式

由：

T0 = L / C

以及：

T0 ≥ 2τ

可得：

Lmin = 2τ × C

其中：

Lmin：最短帧长
τ：单程传播时延
C：数据率

6. 以太网最短帧长

以太网规定最短帧长为：

64B

即：

512bit

这个数字非常重要，考试高频。

十、退避算法

1. 基本退避时间

CSMA/CD 中的基本退避时间是：

2τ

也就是：

争用期

2. 随机退避

发生碰撞后，从以下范围随机选择一个整数 r：

r ∈ [0, 2^k – 1]

其中：

k = min(重传次数, 10)

3. 退避时间

退避时间公式：

退避时间 = r × 2τ

4. 最大重传次数

最多重传：

16 次

如果仍然失败，则：

丢弃该帧，并向高层报告

十一、信道利用率

1. 最大信道利用率

CSMA/CD 中，信道利用率最大值为：

Smax = T0 / (T0 + τ)

令：

a = τ / T0

则：

Smax = 1 / (1 + a)

2. 如何提高信道利用率？

要提高信道利用率，需要让：

a << 1

也就是：

τ / T0 很小

含义是：

• 帧不能太短
• 网络距离不能太长
• 传播时延不能太大
• 数据发送时间相对传播时间要足够长

十二、以太网基础

1. 以太网特点

以太网的特点：

• 无连接
• 不可靠
• 尽最大努力交付
• 使用曼彻斯特编码
• 传统共享式以太网使用 CSMA/CD

2. 以太网为什么不可靠？

以太网可以进行：

差错检测

但是如果检测出错误，只会：

丢弃该帧

不会进行：

• 确认
• 重传
• 纠错

所以以太网提供的是：

无连接、不可靠、尽最大努力交付

可靠传输通常由高层协议实现，例如 TCP。

十三、Hub 与 Switch

1. Hub 集线器

Hub 工作在：

物理层

特点：

• 共享信道
• 半双工
• 使用 CSMA/CD
• 所有端口属于同一个冲突域
• 不隔离广播域

2. Hub 的拓扑特点

Hub 物理上是：

星型拓扑

但逻辑上是：

总线拓扑

所以：

Hub 网络中仍然会发生冲突。

3. Switch 交换机

Switch 工作在：

数据链路层

特点：

• 点对点链路
• 通常全双工
• 不使用 CSMA/CD
• 每个端口是一个独立冲突域
• 默认不隔离广播域

4. Hub 和 Switch 对比

十四、冲突域与广播域

1. 冲突域

冲突域是：

可能发生碰撞的范围

Hub 的冲突域

整个 Hub 是一个冲突域

Switch 的冲突域

交换机每个端口是一个冲突域

所以交换机可以隔离冲突域。

2. 广播域

广播域是：

广播帧能够到达的范围

普通二层交换机

普通二层交换机默认：

不隔离广播域

VLAN 和路由器

VLAN 和路由器可以：

隔离广播域

十五、交换机自学习

1. MAC 地址表

交换机内部维护一张 MAC 地址表，记录：

MAC 地址 → 接口

例如：

A → 1号端口
B → 2号端口

2. 学习规则

交换机学习时看的是：

源 MAC 地址

例如：

交换机从 1 号端口收到 A 发来的帧

它就学习：

A → 1号端口

注意：

交换机根据源地址学习，根据目的地址转发。

3. 转发规则

情况一：目的地址已知

如果交换机知道目的 MAC 在哪个接口，就：

明确转发

只向对应接口发送。

情况二：目的地址未知

如果目的 MAC 不在交换表中，就：

泛洪

也就是：

除进入接口外，向所有其他接口转发

情况三：目的接口等于进入接口

如果查表发现目的接口和进入接口相同，说明目标主机和源主机在同一侧。

此时交换机：

直接丢弃该帧

4. 交换表老化

交换机表项不是永久保存的。

如果长时间没有收到某个 MAC 地址发来的帧，对应表项会自动删除。

原因：

• 主机可能移动位置
• 网卡可能更换
• 网络拓扑可能变化

十六、泛洪、广播、明确转发的区别

1. 明确转发

交换机知道目标 MAC 地址在哪个接口。

因此只向目标接口发送。

已知目的地址 → 明确转发

2. 泛洪

交换机不知道目标 MAC 地址在哪个接口。

于是向除进入接口外的所有接口发送。

未知单播帧 → 泛洪

3. 广播

广播是发送方本来就想发给所有主机。

广播 MAC 地址为：

FF-FF-FF-FF-FF-FF

交换机收到广播帧后，也会向除进入接口外的其他接口转发。

4. 泛洪不等于广播

两者区别：

广播：发送方主动发给所有主机
泛洪：交换机不知道目的 MAC，只能向其他端口都发送

十七、MAC 地址

1. MAC 地址特点

MAC 地址特点：

• 48 位
• 6 字节
• 全球唯一
• 属于数据链路层地址

2. MAC 地址存储位置

MAC 地址通常固化在：

网卡 ROM

3. 三种 MAC 帧

单播帧

一对一

广播帧

一对全体

广播 MAC 地址为：

FF-FF-FF-FF-FF-FF

多播帧

一对多

十八、以太网 MAC 帧格式

1. Ethernet V2 帧格式

Ethernet V2 帧格式为：

目的地址 | 源地址 | 类型 | 数据 | FCS

2. 字段长度

3. 类型字段

类型字段用于标识：

上一层使用的协议

例如：

• IP
• ARP
• IPv6

4. 数据字段长度

数据字段长度为：

46~1500B

如果数据不足 46B，需要进行填充。

原因是：

以太网帧最短必须是 64B

5. FCS 字段

FCS 字段长度为：

4B

作用是：

CRC 差错检测

6. 有效 MAC 帧长度

最小帧长：

6 + 6 + 2 + 46 + 4 = 64B

最大帧长：

6 + 6 + 2 + 1500 + 4 = 1518B

所以：

以太网有效 MAC 帧长度为 64B~1518B

十九、前同步码与帧开始定界符

以太网帧在物理层发送前，还会在前面加入 8 字节：

7B 前同步码 + 1B 帧开始定界符

1. 前同步码

作用：

实现比特同步

让接收方准备好接收后面的 MAC 帧。

2. 帧开始定界符

作用：

表示后面正式进入 MAC 帧

3. 注意

这 8 字节：

不计入 MAC 帧长度

所以：

MAC 帧有效长度仍然是 64B~1518B

二十、Ethernet V2 与 IEEE 802.3 的区别

Ethernet V2 格式：

目的地址 | 源地址 | 类型 | 数据 | FCS

IEEE 802.3 格式：

目的地址 | 源地址 | 长度/类型 | 数据 | FCS

主要区别在第三个字段。

判断规则：

字段值 > 0x0600 → 类型
字段值 < 0x0600 → 长度

现在最常用的是：

Ethernet V2

但很多时候也会笼统称为：

802.3 以太网帧

二十一、VLAN

1. VLAN 的作用

VLAN 用于：

逻辑划分局域网

2. VLAN 的核心作用

VLAN 最核心的作用是：

隔离广播域

3. 不同 VLAN 之间通信

不同 VLAN 之间不能直接通信。

必须经过：

路由器
三层交换机

进行转发。

4. VLAN 划分方式

1. 基于端口

最简单、最常见。

例如：

1~8号端口 → VLAN10
9~16号端口 → VLAN20

缺点：

用户换接口后，VLAN 可能变化

2. 基于 MAC 地址

根据主机网卡 MAC 地址划分 VLAN。

优点：

用户移动位置后，VLAN 不变

缺点：

需要维护大量 MAC 地址

3. 基于 IP 子网

根据 IP 地址所属网段划分 VLAN。

例如：

192.168.1.0/24 → VLAN10
192.168.2.0/24 → VLAN20

4. 基于协议类型

根据以太网帧中的类型字段划分。

例如：

IP → VLAN10
IPX → VLAN20

5. 基于应用或服务

根据高层应用划分。

例如：

FTP → VLAN10
TELNET → VLAN20

这种方式更灵活，但实现复杂。

二十二、高速以太网

1. 不同速率以太网为什么兼容？

因为以太网不同速率版本主要改变的是：

物理层

而：

MAC 层基本保持不变

所以不同速率以太网能够保持较好的兼容性。

2. 全双工为什么不使用 CSMA/CD？

全双工链路一般是：

点对点链路

发送和接收可以同时进行，不会发生碰撞。

所以：

全双工以太网不需要 CSMA/CD

3. 10GE 为什么距离远？

10GE 大量采用：

光纤

光纤特点：

• 衰减小
• 抗干扰强
• 带宽高
• 传输距离远

二十三、常见以太网标准

1. 10BASE5

10 → 10Mbps
BASE → 基带传输
5 → 最大段长 500m

2. 10BASE-T

10 → 10Mbps
BASE → 基带传输
T → 双绞线

3. 100BASE-T

100 → 100Mbps
BASE → 基带传输
T → 双绞线

4. 1000BASE-T

1000 → 1000Mbps，也就是 1Gbps
BASE → 基带传输
T → 双绞线

通常使用：

4 对 UTP

5. 1000BASE-SX

SX → 短波长光纤

6. 1000BASE-LX

LX → 长波长光纤

7. 1000BASE-CX

CX → 铜缆

二十四、本章重要公式汇总

1. 发送时延

T0 = L / C

其中：

T0：发送一帧所需时间
L：帧长，单位 bit
C：数据率，单位 bit/s

2. 传播时延

τ = 距离 / 传播速度

其中：

τ：单程传播时延

3. 争用期

争用期 = 2τ

含义：

往返传播时延

4. 最短帧长条件

T0 ≥ 2τ

含义：

发送方必须在发送过程中还能检测到碰撞

5. 最短帧长公式

Lmin = 2τ × C

其中：

Lmin：最短帧长
τ：单程传播时延
C：数据率

6. 退避时间

退避时间 = r × 2τ

其中：

r ∈ [0, 2^k – 1]
k = min(重传次数, 10)

7. 信道利用率最大值

Smax = T0 / (T0 + τ)

令：

a = τ / T0

则：

Smax = 1 / (1 + a)

要提高信道利用率，需要：

a << 1

即：

• 帧不能太短
• 网络距离不能太长
• 传播时延不能太大

二十五、本章重要数字汇总

PPP Flag：0x7E
PPP Flag 二进制：01111110
MAC 地址长度：48bit = 6B
以太网最短帧长：64B
以太网最大帧长：1518B
以太网数据字段：46~1500B
FCS 字段：4B
广播 MAC 地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF
CSMA/CD 争用期：2τ
最大重传次数：16次

二十六、本章易错判断题

1. CRC 能保证可靠传输

错误。

原因：

CRC 只能检错，不能纠错，也不能重传。

2. PPP 只能传输 IP 数据报

错误。

原因：

PPP 可以支持多种网络层协议。

3. 普通二层交换机可以隔离广播域

错误。

原因：

普通二层交换机默认不隔离广播域。

能够隔离广播域的是：

VLAN
路由器
三层交换机

4. Hub 是星型拓扑，所以不会发生冲突

错误。

原因：

Hub 物理上是星型，逻辑上仍然是总线型。

所以 Hub 网络仍然会发生冲突。

5. 使用 CSMA/CD 的以太网可以全双工

错误。

原因：

CSMA/CD 用于半双工共享式以太网。

全双工以太网没有碰撞，不使用 CSMA/CD。

6. 交换式以太网使用 CSMA/CD

错误。

原因：

交换式以太网通常是全双工、点对点链路，不发生碰撞。

所以通常不使用 CSMA/CD。

7. 交换机根据目的地址学习

错误。

正确说法：

交换机根据源地址学习，根据目的地址转发。

8. 不同 VLAN 之间可以直接通信

错误。

原因：

不同 VLAN 属于不同广播域，不能直接通信。

必须经过：

路由器或三层交换机

9. 泛洪等于广播

不完全正确。

区别：

广播：发送方本来就要发给所有主机
泛洪：交换机不知道目的 MAC，只能向其他端口都转发

10. MAC 地址就是 IP 地址

错误。

原因：

MAC 地址属于数据链路层，长度 48 位。
IP 地址属于网络层。

二十七、本章考前速记

1. 数据链路层三个基本问题

封装成帧
透明传输
差错检测

2. PPP 必背

PPP 用于点对点链路
Flag = 0x7E = 01111110
PPP 支持差错检测，但不提供可靠传输

3. CRC 必背

CRC 只能检错，不能纠错
CRC 使用模 2 除法
模 2 运算本质是异或

4. CSMA/CD 必背

先听后发
边听边发
冲突停止
延迟重发

5. 最短帧长必背

T0 ≥ 2τ
Lmin = 2τ × C
以太网最短帧长 = 64B = 512bit

6. Hub 必背

物理层
共享信道
半双工
使用 CSMA/CD
所有端口一个冲突域
不隔离广播域

7. Switch 必背

数据链路层
全双工
不使用 CSMA/CD
每端口一个冲突域
默认不隔离广播域

8. VLAN 必背

VLAN 用于逻辑划分局域网
VLAN 的核心作用是隔离广播域
不同 VLAN 通信需要路由器或三层交换机

9. MAC 帧格式必背

目的地址 | 源地址 | 类型 | 数据 | FCS

字段长度：

目的地址：6B
源地址：6B
类型：2B
数据：46~1500B
FCS：4B

帧长：

最小：64B
最大：1518B

10. 交换机转发规则必背

看源地址学习
查目的地址转发
目的已知 → 明确转发
目的未知 → 泛洪
目的端口等于进入端口 → 丢弃