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第3章 数据链路层

2027 王道 · 专题阅读 · 保留代码与校订注 · 与版本锁一致

第3章 数据链路层

历年考查的重点。必须重点掌握:滑动窗口机制、三种可靠传输协议、各种 MAC 协议(尤其 CSMA/CD 和 CSMA/CA)、以太网帧格式、争用期与最小帧长、二进制指数退避算法。中继器/网卡/集线器/网桥/交换机的区别也是高频。

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【知识树】第3章骨架

  • 数据链路层功能:封装成帧、透明传输、差错检测
  • 组帧四方法:字符计数 / 字节填充 / 零比特填充 / 违规编码
  • 差错控制
  • 码距与检错纠错能力
  • 检错编码:奇偶检验、CRC
  • 纠错编码:海明码
  • 流量控制与可靠传输
  • 滑动窗口机制;三种 ARQ 协议的窗口约束
  • 信道利用率计算
  • 介质访问控制
  • 信道划分:TDM/STDM、FDM、WDM、CDM
  • 随机访问:ALOHA、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA
  • 轮询访问:令牌传递
  • 局域网:以太网、802.11、VLAN
  • 广域网:PPP
  • 交换机
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3.1 数据链路层的功能

数据链路层要解决哪三个基本问题?

封装成帧、透明传输、差错检测。

使用的信道有两种:点对点信道(一对一)和广播信道(一对多)。

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链路、数据链路、帧怎么区分?

  • 链路:从一个节点到相邻节点的一段物理线路
  • 数据链路:在物理链路上添加实现通信协议的软硬件后形成的逻辑通信通道
  • 帧:数据链路层对等实体间通信的 PDU

💡 记忆法:"链路是路,数据链路是路+交规,帧是路上跑的车"。

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为什么组帧必须首尾都加?

因为网络中信息以帧为最小传输单位,接收方必须能准确识别一帧在比特流中的起始与结束位置,否则无法正确解析。

首尾的控制信息核心作用是帧定界。例如 HDLC 用标志字段 F(01111110)同时标识帧的开始和结束 —— 第一个 F 是开始,下一个 F 是结束。

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为什么要规定 MTU?

  • 数据部分尽可能长可提高传输效率
  • 但帧过长会增加差错概率和重传开销

所以各类链路层协议都规定了 MTU(最大传送单元)= 帧数据部分的长度上限。

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透明传输在数据链路层具体指什么?

即使数据中恰好出现与帧定界符相同的比特组合,也不会被误判为帧边界。

若不处理,接收方可能提前结束帧解析、导致后续数据丢失。实现透明传输后,网络层"感知不到"底层的帧封装过程。

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帧传输中的两类差错是什么?

  • 位错:帧中某些比特发生翻转,通常用 CRC 检测
  • 帧错:帧的丢失、重复或失序,属于更高层的传输差错
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现在还要不要在链路层做可靠传输?

取决于信道质量: - 无线链路(误码率高):仍用确认与重传机制提供可靠服务 - 有线链路(质量高):只做 CRC 检错、出错就丢弃,重传交给 TCP

⚠️ 核心原则一句话:数据链路层确保上交的帧无差错,但不保证所有帧都被成功交付。

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3.2 组帧的四种方法

字符计数法的致命缺陷?

首部设一个计数字段记录本帧总字节数(包括计数字段自身占的 1B)。

⚠️ 致命缺陷:计数字段一旦在传输中出错,接收方就无法正确识别帧边界,收发双方彻底失去同步,可能引发灾难性后果。

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字节填充法怎么实现透明传输?

用 SOH 标识帧起始、EOT 标识帧结束。 - 数据中出现 SOH 或 EOT → 发送方在其前插入一个 ESC - 数据中原本就有 ESC → 同样在其前再插入一个 ESC - 接收方收到 ESC 就丢弃它,把紧随其后的字符当作普通数据

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零比特填充法的规则是什么? ★1考

标志为 01111110。 - 发送方扫描数据,每遇到 5 个连续的 1 就在其后插入一个 0,确保数据段中不会出现 6 个连续的 1 - 接收方每收到 5 个连续的 1 就自动删除其后的 0

HDLC 采用这种方法;零比特填充易于硬件实现,性能优于字节填充法。

★ 考过 2013

💡 记忆法:"五个一后面塞个零"。

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违规编码法借用了什么?

借用物理层编码的冗余:曼彻斯特编码中 1 是"高-低"、0 是"低-高",而 "高-高" 和 "低-低" 在数据比特中是违规的,正好拿来标识帧的起始或终止。

  • 优点:无须任何填充技术即可实现透明传输
  • 缺点:仅适用于采用冗余编码的特殊编码环境
  • IEEE 802 局域网标准采用它

⚠️ 目前最常用的两种是零比特填充法和违规编码法(字符计数法太脆弱,字节填充法实现复杂)。

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3.3 差错控制

码距怎么算?编码集的码距是什么? ★1考

  • 两个码字的码距 = 对应位上取值不同的比特数 = 两串异或后结果中 1 的个数
  • 编码集的码距 = 任意两个有效码字之间码距的最小值

算例:编码集 {10011, 01011, 11110, 00001} 中,虽然 11110 与 00001 相距 5,但 10011 与 01011 只相距 2 → 该编码集的码距为 2。

★ 考过 2025

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码距与检错纠错能力的公式?

I = d + c + 1,且 d ≥ c(I 是码距,d 是检错位数,c 是纠错位数)

⚠️ 纠错能力恒不超过检错能力(能纠错必然能检错)。例:码距 3 时,最多检 2 位错或纠 1 位错。

两条边界结论: - 要检测 d 位错误,码距至少 d+1(码距为 1 的编码无法检测任何错误) - 要纠正 c 位错误,码距至少 2c+1

💡 记忆法:"检错加一,纠错翻倍加一"。

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奇偶检验码能检出什么、检不出什么?

  • 码距为 2,按码距理论最多检 1 位错
  • 但实际上:只要发生奇数位错误,1 的个数奇偶性必然改变,所以能检测所有奇数位错误
  • ⚠️ 无法发现偶数位错误,也无法定位错误位置
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CRC 的生成多项式有什么硬性要求?

r+1 阶的 G(x),对应二进制系数串长度 r+1 位,且最高位和最低位必须为 1。

例:位串 1101 对应 x³+x²+1,阶数 r = 3。

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CRC 的计算步骤? ★1考

以 M = 101001(m=6)、G(x) = 1101(r=3)为例: - ① 左移补零:M 后加 r 个 0 → 101001000 - ② 模 2 除法:用 1101 去除。规则:减法不借位,等价按位异或 - ③ 取余数:得 001(必须保留为 r 位,不足补前导 0) - ④ 构造发送帧:把末尾的 r 个 0 替换成 FCS → 101001001(共 m+r = 9 位)

接收方用相同 G(x) 做模 2 除法:余数为 0 则接受,非 0 则丢弃。

★ 考过 2023

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为什么说"被链路层接受的帧几乎一定无差错"?

CRC 由专用硬件电路实现,速度极快。无差错时余数必定为 0;有误码时余数仍为 0 的概率极低。

⚠️ 但要注意措辞:那些被丢弃的帧物理上曾被收到,只是因 CRC 校验失败而未被上层接受。

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海明码的位数关系式?

2^k ≥ n + k + 1(n 是信息位,k 是检验位)

推导依据:k 个检验位可表示 2^k 种状态,需要覆盖 n+k 个单比特出错位置 + 1 种无错状态。

例:n = 4 时试 k = 3,2³ ≥ 4+3+1 成立 → 海明码共 7 位。

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海明码的检验位放在哪些位置?

检验位 Pi 放在海明位号为 2^(i−1) 的位置: - P₁ → 位号 1(H₁) - P₂ → 位号 2(H₂) - P₃ → 位号 4(H₄)

其余位置按原顺序放信息位。7 位海明码的分布是:D₄ D₃ D₂ P₃ D₁ P₂ P₁。

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海明码怎么分组?怎么定位错误?

  • 快速分组:位号从 1 开始,检验位 Pᵢ 负责所有“位号的二进制表示中第 i 位为 1”的位置。手算时可用“从第 2^(i−1) 位起,连续取 2^(i−1) 位、再跳过同样多的位”。
  • 编码时:Pᵢ 由本组信息位按题设的奇/偶校验求出。
  • 接收检验时:校验位本身必须和本组信息位一起参与异或,构成 Sᵢ;不能说“检验位不需要再被检验”。
  • 定位:算出 S₃S₂S₁,全 0 表示无错;否则这个二进制数本身就是出错位号,取反即可。

算例:信息位 1010 → 海明码 1010010。

💡 记忆法:"错在几号位,S 就等于几"。

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3.4 流量控制与可靠传输

链路层流控和传输层流控的两点区别?

  • 控制范围:链路层控制相邻节点之间的流量;传输层控制端到端的流量
  • 控制手段:链路层是接收不了就不返回确认帧;传输层是在确认报文段中携带窗口字段值动态调整发送窗口

⚠️ 补充第三点:链路层的窗口大小在传输过程中固定,传输层的可变。

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三种协议的窗口大小各是多少? ★2考

  • 停止-等待:W_T = 1,W_R = 1
  • 后退 N 帧 GBN:W_T > 1,W_R = 1
  • 选择重传 SR:W_T > 1,W_R > 1

用 n 比特编号时,后两种还需满足 W_T + W_R ≤ 2ⁿ。

💡 做窗口题先画序号圆环,再在同一时刻标出“已发未确认、还能发送、当前接收窗口”。如果新帧与仍可能重传的旧帧落进同一接收窗口,窗口就开得过大。

★ 考过 2019、2025

💡 记忆法:"接收窗口大于 1 的只有 SR"。

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接收窗口为 1 意味着什么?

只有收到该帧后才允许接收下一帧 → 可保证帧的有序接收。

这正是停止-等待和 GBN 能保证按序交付的原因。

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停止-等待协议怎么应对两类差错?

  • 数据帧出错或丢失:接收方丢弃或收不到 → 发送方超时重传(每发完一帧就启动计时器)
  • 确认帧出错或丢失:发送方超时重传 → 接收方收到重复帧,丢弃它并重新发送对应的确认帧

⚠️ 两个配套要点: - 只需 1 比特序号就够(交替用 0 和 1,确认帧记为 ACK0/ACK1) - 收发双方都要设帧缓冲区 —— 发送方保留副本以备重传,接收方记录最近收到的帧序号以判重

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GBN 的"后退 N"具体指什么? ★1考

若某帧超时未确认,发送方不仅重传该帧,还要重传其后所有已发送但未被确认的帧。

前提是:接收方仅按序接收,任何失序到达的帧都被丢弃。

★ 考过 2009

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GBN 的累积确认怎么理解? ★1考

接收方无须对每个正确帧立即确认,可在连续收到多个正确帧后只对序号最大的那个发一个确认。

ACKn 表示:n 号帧及之前的所有帧都已正确收到,下次期望收 n+1 号。

⚠️ 另外两个细节:GBN 通常只为最早未确认的帧维护一个超时计时器;为防确认帧丢失,接收方可重复发送最近一次的确认帧。

★ 考过 2017

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GBN 的发送窗口上限是多少? ★3考

用 n 比特编号时:1 < W_T ≤ 2ⁿ − 1

若超过,接收方无法区分新发送的帧与因序号回绕而重复出现的旧帧。GBN 的 W_R 固定为 1。

★ 考过 2012、2015、2017

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GBN 什么时候反而不如停止-等待?

当信道误码率较高时。 因为一帧出错就要重传其后所有已正确到达的帧,造成大量带宽浪费。

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SR 协议比 GBN 多付出了什么代价? ★2考

为了只重传出错帧,SR 必须: - 接收方设置足够大的帧缓冲区(数量 = 接收窗口大小)暂存正确的失序帧 - 发送方为每个未确认帧维护独立的计时器 - 不能再用累积确认,必须逐帧确认 - 收到重复帧则丢弃并重传对应确认帧

额外机制:检测到出错可立即发否定帧 NAK请求重传,避免等待超时。

★ 考过 2011、2024

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SR 的窗口要满足哪两个条件? ★1考

  • ① W_R + W_T ≤ 2ⁿ —— 否则接收窗口滑动后,重传的旧帧序号可能与新帧重叠,接收方无法区分
  • ② W_R ≤ W_T —— 否则接收窗口中超出发送窗口范围的部分永远填不满,浪费资源

由①②推出 W_R ≤ 2^(n−1);实际常取 W_R = W_T = 2^(n−1)。

★ 考过 2023

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停止-等待协议的信道利用率公式? ★2考

U = T_D / (T_D + RTT + T_A)

其中 T_D 是数据帧发送时延、T_A 是确认帧发送时延(通常忽略)。

⚠️ 反直觉算例:RTT = 20ms、分组 1200 比特 - 1Mb/s 时 U = 5.66% - 提速到 10Mb/s 时 U 反而降到 0.596%

原因:RTT 远大于 T_D 时,提速只会让 T_D 更小,占比更低。

💡 画一个完整发送周期:数据帧发送时间 → 往返传播/处理 → ACK 发送时间。有效发送时间 ÷ 周期总时间就是利用率;题目明确忽略 ACK 或处理时延时,再删掉对应段。

★ 考过 2018、2020

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连续 ARQ 的信道利用率怎么分两种情况? ★4考

设发送窗口为 N: - 若 N·T_D < T_D + RTT + T_A(一个发送周期内发得完)→ U = N·T_D / (T_D + RTT + T_A) - 若 N·T_D ≥ T_D + RTT + T_A(发不完或刚好发完)→ 信道被完全利用,U = 1

配套公式:信道平均数据传输速率 = 信道利用率 × 信道带宽,或 = 发送周期内发送的数据量 / 发送周期。

★ 考过 2009、2010、2012、2014、2015、2017、2023

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3.5 信道划分介质访问控制

三类介质访问控制方法怎么分?

  • 信道划分:静态划分信道
  • 随机访问:动态分配
  • 轮询访问:动态分配

⚠️ 属于数据链路层的 MAC 子层。

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TDM 的缺点是什么?STDM 怎么改进? ★1考

  • TDM:把传输时间划成等长时间片构成 TDM 帧,每用户在每帧中占固定序号的时隙
  • ⚠️ 缺点:用户暂无数据时,其时隙仍被保留、无法被他人利用,信道利用率低
  • ⚠️ TDM 帧是一段固定长度的时间间隔,与数据链路层的"帧"是两个概念
  • STDM(统计时分复用/异步时分复用):按需动态分配 —— 仅当用户有数据才分配时隙

算例:线路 6000b/s、3 个用户各平均 2000b/s。TDM 下每人固定 2000b/s;STDM 下某用户可在他人空闲时用接近 6000b/s 突发传输。

★ 考过 2013

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FDM 和 WDM 的关系? ★1考

  • FDM(频分复用):把总频带划成多个子频带,所有用户同一时间占不同频带;子信道之间要设隔离频带防干扰
  • WDM(波分复用):就是光的频分复用 —— 一根光纤中同时传多种不同波长的光,接收端用光分用器分离

★ 考过 2013

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CDMA 的三条运算规则? ★1考

每比特时间划成 m 个码片(m 常为 64 或 128),每站分配唯一的 m 位码片序列。 - 发 1 送码片序列本身,发 0 送其反码 - 各站码片序列必须相互正交 - 计算时把码片中的 0 写成 −1、1 写成 +1

三条内积规则: - (S · T)/m = 0(不同站正交) - (S · S)/m = 1(自己和自己) - (S · S̄)/m = −1(自己和自己的反码)

⚠️ 这里必须是规格化内积。若直接求长度为 m 的 ±1 向量点积,则 S·S=m,而不是 1。接收向量 R 与某站序列 S 做 (R·S)/m:结果 +1、−1、0 分别表示该站发送 1、发送 0、未发送。

★ 考过 2013

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三种复用方式共享什么、不共享什么?

  • FDM(和 WDM):共享时间,不共享空间(各占一个频带)
  • TDM:共享空间,不共享时间(轮流用整个信道)
  • CDM:时间和空间都共享

💡 记忆法(黄豆绿豆):频分是两条车道并行、时分是轮流走一条道、码分是黄豆绿豆装同一辆车到站再分。

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3.5.2~3.5.3 随机访问与轮询访问

随机访问的核心思想是什么? ★1考

通过争用获得信道使用权,胜者方可发送数据。 所有用户可随意发送、并可占用信道的全部带宽。

⚠️ 与信道划分的本质区别:信道划分下节点要么共享时间、要么共享空间;随机访问下节点既不预留时间,也不独占频段 —— 它实质上是把广播信道动态转化为点到点信道。

★ 考过 2014

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纯 ALOHA 和时隙 ALOHA 差在哪?

  • 纯 ALOHA:想发就发,无须事先检测信道;一段时间收不到确认就认为冲突,等随机时间重传。冲突概率高、吞吐量很低
  • 时隙 ALOHA:把时间划成等长时隙并要求所有站点同步时钟,只能在时隙起始时刻发送,且一帧发送时间 ≤ 一个时隙

💡 记忆法:"时隙 ALOHA 用对齐换低冲突"。

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三种 CSMA 协议信道忙时各怎么做? ★1考

信道状态 1-坚持 非坚持 p-坚持
空闲 立即发送 立即发送 以概率 p 发送,以 1−p 推迟到下一时隙
忙 持续监听 放弃监听,等随机时间再监听 持续监听(等下一时隙)
  • 1-坚持的"1"= 空闲时以概率 1 立即发送,"坚持"= 忙时持续监听
  • 非坚持避免了刚空闲时多站同时发,但随机等待增加了平均时延
  • p-坚持用于时隙化信道,是前两者的折中

★ 考过 2013

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令牌环网为什么不会冲突?

因为令牌只有一个 —— 站点必须先取得令牌才能发送帧,同一时刻只有一个站点独占信道。令牌是不含数据的特殊控制帧。

五步流程: - 网络空闲时环上只有令牌帧在循环 - 有数据的站点拿到令牌后修改标志位并附加数据,把令牌变成数据帧发出 - 数据帧沿环传输,中间站点边转发边检查目的地址,匹配则复制但仍继续转发 - 帧回到源站后源站不再转发,并检验是否出错 - 源站重新生成令牌传给下一站

⚠️ 令牌传递特别适合高负载的广播信道(此时随机访问的冲突概率会显著升高)。

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3.6 局域网与以太网

局域网的特性由哪三个要素决定?

拓扑结构、传输介质、介质访问控制方式 —— 其中介质访问控制方式最为关键,直接决定局域网的技术特性。

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三种典型局域网的逻辑拓扑和物理拓扑?

  • 以太网:逻辑总线形,物理星形
  • 令牌环(IEEE 802.5):逻辑环形,物理星形
  • FDDI(光纤分布式数据接口):逻辑环形,物理双环。⚠️ FDDI 属于 ANSI 标准体系,不能写成 IEEE 802.8;IEEE 802.8 曾是光纤技术咨询组,并非 FDDI 标准号。

⚠️ 以太网"逻辑总线、物理星形"是高频考点。

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IEEE 802 把数据链路层拆成哪两个子层?

  • MAC 子层(介质访问控制):与接入传输介质有关,向上屏蔽物理层差异;功能是组帧拆帧、比特传输差错检测、透明传输
  • LLC 子层(逻辑链路控制):与传输介质无关,向网络层提供无确认无连接、面向连接、带确认无连接等服务

⚠️ IEEE 802 参考模型只对应 OSI 的数据链路层和物理层。现代许多网卡只实现 MAC、不含 LLC(LLC 作用已显著弱化)。

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以太网为简化通信采取了哪两项措施? ★1考

  • 采用无连接工作方式:既不对帧编号,也不要求返回确认 → 提供的是不可靠的尽最大努力交付,纠错交给高层(TCP)
  • 使用曼彻斯特编码:每个码元中间有一次电压跳变,接收方可方便地提取位同步信号

★ 考过 2012

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10Base-X 的命名规则和四种介质?

命名:10 = 10Mb/s,Base = 基带,后缀 5/2 = 单段最大距离 500m/185m,T = 双绞线,F = 光纤。

标准 介质 拓扑 最大段长
10Base-5 粗同轴 总线形 500m
10Base-2 细同轴 总线形 185m
10Base-T 非屏蔽双绞线 星形 100m
10Base-F 光纤对 点对点 2000m

⚠️ 四种全都使用曼彻斯特编码。

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网络适配器(网卡)工作在哪一层?做什么?

工作在数据链路层。 - 与局域网之间串行通信,与计算机之间通过 I/O 总线并行通信 → 所以重要功能之一是串并转换 - 还负责:帧的发送接收、封装拆封、介质访问控制、编码解码、数据缓存 - 收到正确的帧时通过中断通知主机

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MAC 地址的位数和结构? ★1考

48 位(6B),固化在适配器 ROM 中,用 12 个十六进制数字表示。 - 高 24 位 = 厂商代码 - 低 24 位 = 厂商自行分配的适配器序列号

⚠️ 两个延伸点:只要不换适配器,无论位置怎么变 MAC 地址不变;路由器每个接入局域网的接口都有独立的 MAC 地址。

★ 考过 2013

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适配器会接收哪三种帧?

  • 单播帧:目的地址 = 本站 MAC 地址
  • 广播帧:目的地址全 1(FF-FF-FF-FF-FF-FF)
  • 多播帧:目的地址为某个多播组地址

其余一律用硬件检查后丢弃。

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CSMA/CD 的十六字口诀和适用范围? ★1考

"先听后发,边听边发,冲突停发,随机重发"

适用于总线形网络或半双工环境。⚠️ 全双工网络无须 CSMA/CD —— 因为收发用两条独立信道,不会冲突。

冲突检测的物理原理:适配器边发边监测信道电压变化,幅度超过特定门限值即判定冲突。

★ 考过 2015

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争用期是什么?为什么是 2τ? ★1考

争用期(冲突窗口)= 端到端往返传播时延 2τ。

推导:A 在 t=0 发送,最坏情况下 B 在 A 的信号即将到达时(t = τ−δ)也开始发送 → A 要到 t = 2τ−δ 才能检测到冲突。所以 δ→0 时,A 最多经过 2τ 就能确认是否冲突。

⚠️ 只有在争用期结束仍未检测到冲突,才能确定本次发送成功。

★ 考过 2010

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最短帧长的公式和由来? ★4考

最短帧长 = 2 × 最大单向传播时延 × 数据传输速率

以太网规定争用期 51.2μs,10Mb/s 下正好 512bit = 64B → 这就是最短帧长 64B 的来历。

两条推论: - 若前 64B 未冲突,则后续也不会冲突(已成功抢占信道);反之冲突必定发生在前 64B 内 - 任何长度小于 64B 的帧都是冲突中止的无效帧,应被丢弃;数据不足要填充

★ 考过 2009、2016、2019、2022

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截断二进制指数退避算法的三条要点? ★1考

  • 基本退避时间 = 一个争用期 2τ
  • 从 [0, 1, …, 2^k − 1] 中随机取 r,推迟 r 倍争用期;其中 k = min(重传次数, 10)
  • 重传 16 次仍失败 → 放弃该帧并向高层报告错误

算例:第 1 次重传 k=1,r ∈ {0,1};第 2 次 k=2,r ∈ {0,1,2,3}…

★ 考过 2023

💡 记忆法:"k 封顶 10,重传上限 16"。

回源 · PDF 第 102 页 · b_102_7;PDF 第 102 页 · b_102_8;PDF 第 102 页 · b_102_9;PDF 第 102 页 · b_102_10

强化碰撞和帧间最小间隔各是多少?

  • 强化碰撞:检测到冲突后除立即停发外,还要继续发送 32 或 48 比特的人为干扰信号,确保所有站点都感知到冲突
  • 帧间最小间隔:9.6μs(相当于 96 比特的发送时间),让接收站有时间清空缓存
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以太网 V2 帧的六个字段? ★3考

前导码 8B(7B 前同步码做比特同步 + 1B 帧开始定界符)+ 目的地址 6B + 源地址 6B + 类型 2B + 数据 46~1500B + FCS 4B - 类型字段 0x0800 表示上层是 IP - FCS 用 32 位 CRC,检验范围从目的地址到数据字段,不检验前导码

⚠️ 2B 字段的判别要分三段:值 ≤1500 表示 IEEE 802.3 的数据长度;1501~1535 保留;值 ≥1536(0x0600)表示 Ethernet II 的 EtherType。

★ 考过 2010、2011、2018

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以太网帧为什么不需要帧结束定界符?

两个原因: - 各帧之间必须保持至少 96 比特时间的间隙,所以接收方找到帧开始定界符后,连续到达的比特流即属于同一帧 - 曼彻斯特编码每个码元中间都有电压跳变,帧发完后电压不再变化,接收方很容易找到结束位置 —— 往前数 4B 就是 FCS

回源 · PDF 第 103 页 · b_103_12

数据字段最小 46B 是怎么来的? ★1考

64B(最短帧长)− 18B(MAC 帧首部和尾部)= 46B。

若 IP 数据报不足 46B,MAC 子层会在数据字段后添加整数字节的填充字段,确保帧长达到 64B。以太网的 MTU = 1500B,超过要在网络层分片。

★ 考过 2012

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三种高速以太网还用不用 CSMA/CD? ★1考

  • 100Base-T:支持全双工和半双工,半双工模式下仍需 CSMA/CD
  • 吉比特以太网:半双工下用(很少部署),全双工下不用
  • 10 吉比特以太网:只支持全双工,完全无须 CSMA/CD

⚠️ 100Base-T 的两项调整:最小帧长仍是 64B,但网段最大长度缩到 100m、帧间间隔从 9.6μs 减到 0.96μs。

★ 考过 2019

回源 · PDF 第 104 页 · b_104_13

3.6.3 IEEE 802.11 无线局域网

BSS、SSID、BSA、ESS 分别指什么?

  • BSS(基本服务集):802.11 的最小服务集合。基础设施 BSS由一个 AP 和若干站组成,站内或对外通信经 AP;IBSS(ad hoc)不含 AP,不能把“BSS 必有 AP”写成无条件定义
  • SSID(服务集标识符):配置 AP 时分配的名称,不超过 32B,就是无线局域网的名字
  • BSA(基本服务区):BSS 覆盖的地理范围,直径一般不超过 100 米
  • ESS(扩展服务集):多个 BSS 通过分配系统 DS 互连而成;DS 的作用是让整个 ESS 对上层呈现为单一的 BSS

⚠️ Portal(门户)为无线用户提供接入有线以太网的能力,功能相当于网桥。

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自组网络和移动 IP 有什么本质区别?

  • 自组网络(ad hoc):没有 AP,由平等的移动站临时组成的对等网络;中间节点要转发数据,兼具终端与路由器功能;是分布式无线自治系统,能独立于互联网运行
  • 移动 IP:支持主机跨网漫游并接入互联网,底层仍依赖固定网络的路由基础设施

⚠️ 自组网络因拓扑频繁快速变化,传统路由协议往往不适用,必须用专门设计的路由机制。

回源 · PDF 第 105 页 · b_105_3;PDF 第 105 页 · b_105_11

无线局域网为什么不能用 CSMA/CD?

两个原因: - 接收到的信号强度远小于发送信号强度,且无线信道信号强度动态范围极大 → 实现冲突检测的硬件成本过高 - 隐蔽站问题:并非所有站点都能互相侦听到对方,却可能产生冲突 → 冲突检测机制发现不了所有冲突

💡 什么是隐蔽站:A、B 都在 AP 覆盖范围内,但彼此距离太远互相听不到,同时向 AP 发送就冲突了,而双方都察觉不到。

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"冲突避免"能完全避免冲突吗? ★1考

不能。 "冲突避免"只是尽量降低冲突发生的概率。

因为 802.11 不支持冲突检测,一旦开始发送就必须完整发完整个帧 —— 若冲突时还硬发完长数据帧会严重降低效率,所以才必须用冲突避免技术。

⚠️ 配套机制:802.11 在链路层引入确认/重传(ARQ) —— 每发完一帧必须收到 ACK 才能发下一帧,所以它是一种停止-等待式可靠传输协议。

★ 考过 2011

回源 · PDF 第 106 页 · b_106_10

DCF 和 PCF 的区别?

  • DCF(分布式协调功能):不采用任何中心控制,各站争用信道;802.11 必须实现的方式,也是目前广泛使用的
  • PCF(点协调功能):用 AP 集中控制,类似探询轮流分配发送权;是可选方式,实际很少使用
回源 · PDF 第 106 页 · b_106_13

三种帧间间隔 IFS 的长短和用途? ★1考

  • SIFS(短 IFS):最短,用于分隔同一对话中的连续帧 —— ACK 帧、CTS 帧、分片后的数据帧、对 AP 探询的响应帧
  • PIFS(点协调 IFS):中等长度,用于 PCF
  • DIFS(分布式协调 IFS):最长,用于 DCF 下发送数据帧和管理帧

★ 考过 2020

💡 记忆法:"S 短 P 中 D 长",越紧急的(ACK/CTS)等得越短。

回源 · PDF 第 107 页 · b_107_2

什么情况下不用退避算法?

只有一种情况:要发送的是第一个数据帧,且检测到信道空闲。

其余全部要退避: - ① 要发第一个数据帧前检测到信道忙 - ② 未收到确认要重传 - ③ 每次确认成功后要发下一个数据帧

⚠️ CSMA/CA 的退避窗口上限是 1023(对应第 6 次重传),到顶后不再增加。

回源 · PDF 第 107 页 · b_107_0

推迟接入和退避有什么区别?

  • 推迟接入:发生在信道忙时,为的是等待争用期到来,此时退避计时器处于冻结状态
  • 退避:发生在信道空闲的争用期,各站执行退避算法,总出现在 DIFS 之后

💡 记忆法:"忙时冻结叫推迟,闲时倒数叫退避"。

💡 基本访问时间线统一画成:信道空闲 DIFS → 退避倒计时(遇忙冻结,重新空闲并等 DIFS 后续计)→ DATA → SIFS → ACK。RTS/CTS 模式只是在 DATA 前插入 RTS → SIFS → CTS → SIFS,旁站据持续期字段设置 NAV。

回源 · PDF 第 107 页 · b_107_10

源站在帧首部的持续期字段中通告自己将占用信道的总时长(包括目的站回复 ACK 的时间)。其他站点收到后据此设置自己的 NAV(网络分配向量),在 NAV 计时期间暂停发送。

⚠️ 之所以叫"虚拟"载波监听:这些站点并未实际监听物理信道,而是基于收到的通知主动避让,效果等同于持续监听。

★ 考过 2024

回源 · PDF 第 108 页 · b_108_4

RTS/CTS 信道预约怎么解决隐蔽站问题? ★1考

  • ① A 等 DIFS 后广播 RTS,声明要占用 [SIFS+CTS+SIFS+DATA+SIFS+ACK]
  • ② AP 等 SIFS 后广播 CTS,声明要占用 [SIFS+DATA+SIFS+ACK]
  • ③ A 再等 SIFS 后发送数据帧

关键就在第 ② 步:隐蔽站 B 收不到 A 的 RTS,但能收到 AP 广播的 CTS,于是据此设置 NAV 保持沉默 → 冲突被避免。

⚠️ RTS/CTS 不是强制的 —— 会降低通信效率,各站可自行决定,或仅当帧长超过某阈值时才启用。

★ 考过 2018

回源 · PDF 第 107 页 · b_107_12

CSMA/CD 和 CSMA/CA 的三点区别?

  • 冲突处理:CD 能检测冲突但无法避免;CA 无法检测(尤其接收端的冲突)只能尽量避免
  • 传输介质:CD 用于总线形有线以太网;CA 用于无线局域网
  • 检测方式:CD 检测线路电压变化;CA 只能在发送前通过能量检测、载波侦听或两者混合判断信道是否空闲

💡 一句话对照:CA 是"先打招呼再发数据",CD 是"边发边听,撞了就停"。

回源 · PDF 第 108 页 · b_108_9

802.11 帧的三部分和长度?

  • MAC 首部:30B(帧的复杂性主要在这里)
  • 帧主体(数据):最大 2312B —— 远大于以太网帧的数据载荷
  • FCS(MAC 尾部):4B

802.11 帧共三种类型:数据帧、控制帧、管理帧。

回源 · PDF 第 109 页 · b_109_1

802.11 帧的前三个地址怎么填? ★2考

由帧控制字段中的 "去往 AP" 和 "来自 AP" 两个标志位决定:

去往AP 来自AP 地址1 地址2 地址3
0 1 接收地址 = 目的地址 发送地址 = AP 地址 源地址
1 0 接收地址 = AP 地址 发送地址 = 源地址 目的地址

⚠️ 理解的关键:地址 1 和地址 2 表示当前无线传输的直接接收方、直接发送方;地址 3 在常见三地址帧中保存跨 DS 通信所需的原始源或最终目的。地址 4 不是“用于自组网”,它典型出现在 To DS=1 且 From DS=1 的四地址帧,如 WDS/无线桥接。

★ 考过 2017、2022

回源 · PDF 第 109 页 · b_109_8;PDF 第 109 页 · b_109_9

3.6.4 VLAN

为什么需要 VLAN?

一个以太网就是一个广播域。计算机太多时会导致: - 大量广播帧(尤其是频繁的 ARP 和 DHCP 报文) - 不同部门共享一个局域网,不利于信息保密与安全隔离

VLAN 把大局域网划成若干与地理位置无关的逻辑广播域,同 VLAN 内可直接通信,不同 VLAN 之间不能。

回源 · PDF 第 111 页 · b_111_1

VLAN 的三种划分方式各有什么特点?

  • 基于端口(接口):最简单、最常用;⚠️ 主机换了接入端口就可能被划到新 VLAN
  • 基于 MAC 地址:⚠️ 主机从一台交换机移到另一台,仍属原 VLAN
  • 基于 IP 地址:可跨越路由器扩展,把多个物理局域网的主机纳入同一逻辑 VLAN
回源 · PDF 第 111 页 · b_111_6

802.1Q 帧的长度变化? ★1考

在源地址与类型字段之间插入 4B 的 VLAN 标签: - 前 2B 固定 0x8100(标识这是 802.1Q 帧) - 后 2B 是标签控制信息,其中 VID 占 12 位:编码空间有 4096 种,但 VID 0 和 4095 保留,通常可分配 1~4094,共 4094 个 VLAN

长度连锁变化:为保持最小帧长 64B 不变,数据字段最小从 46B 减为 42B;最大仍 1500B;最大帧长从 1518B 增至 1522B。

⚠️ 插入标签后 FCS 必须重新计算。

★ 考过 2024

回源 · PDF 第 111 页 · b_111_9;PDF 第 111 页 · b_111_11

什么时候才会出现 802.1Q 帧?

只在交换机之间的干线链路(Trunk Link)上。 - 同一交换机内同 VLAN 通信 → 当作普通以太网帧直接转发 - 跨交换机 → 发送方交换机插入标签走干线,接收方交换机在转发给主机前剥离标签 - 不同 VLAN 之间 → 必须借助上层路由器或三层交换机

⚠️ 主机并不知道自己的 VID(但交换机必须知道),主机与交换机之间交互的始终是标准以太网帧。

回源 · PDF 第 112 页 · b_112_2

3.7 广域网与 PPP

广域网和局域网的四点区别?

项目 广域网 局域网
覆盖范围 很广,跨区域 较小,一个区域内
连接方式 点对点连接 普遍用广播信道
OSI 层次 三层:物理层、数据链路层、网络层 两层:物理层、数据链路层
着重点 强调数据传输与广域连通 强调资源共享

⚠️ 原书表格把这一行写反了。另注意:广域网 ≠ 互联网;两者地位平等、不存在包含关系,主机在本网络内部通信时使用该网络的链路层地址。

回源 · PDF 第 125 页 · b_125_11

广域网里是路由器还是节点交换机?

是节点交换机(不是路由器)。 - 节点交换机:工作在单个网络内部,核心功能是存储并转发分组 - 路由器:用于连接多个网络构成的互联网

两者转发分组的原理相似。⚠️ 广域网节点之间采用点到点连接,但为提高可靠性,一个节点交换机通常与多个其他交换机相连。

回源 · PDF 第 125 页 · b_125_3

PPP 由哪三个部分组成?

  • LCP(链路控制协议):建立、配置、测试数据链路连接,协商选项
  • NCP(网络控制协议,一套):PPP 支持多种网络层协议,每种网络层协议对应一个 NCP
  • 一种把 IP 数据报封装到串行链路的方法

⚠️ PPPoE = 在以太网中运行的 PPP,把 PPP 帧封装在以太网帧里,ADSL 宽带上网用的就是它。

💡 记忆法:"LCP 搭线、NCP 配网、封装装货"。

回源 · PDF 第 126 页 · b_126_1;PDF 第 126 页 · b_126_2

PPP 帧的字段和长度?

首部 4 个字段 + 尾部 2 个字段: - 标志 F(1B)= 0x7E:首尾各一个,做帧定界符 - 地址 A(1B)= 0xFF:意义暂未定义 - 控制 C(1B)= 0x03:意义暂未定义 - 协议(2B):0x0021 = IP 数据报,0xC021 = LCP 分组 - 信息(0~1500B) - FCS(2B):CRC 校验

⚠️ PPP 帧的信息字段最小可为 0B(对比以太网至少 46B)—— 因为 PPP 是点对点链路,不用 CSMA/CD,所以没有最短帧长限制。

回源 · PDF 第 126 页 · b_126_6;PDF 第 126 页 · b_126_8

PPP 透明传输怎么做?异步和同步不一样!

  • 异步传输 → 字节填充法,转义字符 0x7D
  • 同步传输 → 零比特填充法

💡 记忆法:"异步填字节(7D),同步填比特(5 个 1 插 0)"。

回源 · PDF 第 126 页 · b_126_9

PPP 状态图的六个状态怎么走?

  • 链路静止:起点和终点,无物理层连接
  • 链路建立:检测到调制解调器载波信号、物理层连接建立后进入;LCP 协商配置选项(最大帧长、鉴别协议),协商失败退回链路静止
  • 鉴别:无须鉴别或鉴别成功 → 网络层协议状态;鉴别失败 → 直接进入链路终止
  • 网络层协议:NCP 配置网络层(分配 IP 地址)
  • 链路打开:开始数据通信
  • 链路终止:一方发终止请求并收到确认,或链路故障;载波停止后回到链路静止

💡 记忆法:"静止—建立—鉴别—配网—打开—终止",六步一条链。

回源 · PDF 第 127 页 · b_127_0

PPP 的四条特点?

  • 只在链路建立阶段用确认机制,数据传输阶段只做无差错接收(CRC),无序号无确认 → 不可靠服务
  • 只支持全双工的点对点链路,不支持多点线路
  • 链路两端可运行不同的网络层协议,仍能通信
  • 面向字节,所有 PPP 帧长度都是整数个字节
回源 · PDF 第 127 页 · b_127_5

为什么 PPP 不做编号和确认?

两条理由: - PPP 承载的是 IP 数据报,即使链路层可靠,数据在路由器的网络层仍可能因拥塞被丢弃 → 链路层可靠性保证不了端到端可靠交付 - 现代物理链路误码率很低,加重传确认只会增加开销和延迟,得不偿失

它的做法是"有错即弃、可靠由上层负责":FCS 发现差错立即丢弃,绝不上交错误数据,真正的差错恢复交给 TCP 端到端完成。

回源 · PDF 第 138 页 · b_138_0

3.8 数据链路层设备

网桥解决了集线器的什么问题?

用集线器在物理层扩展以太网会形成更大的冲突域;网桥在数据链路层扩展,不会把两个冲突域合并。

原因:网桥能识别帧,根据帧首部的目的地址 + 自身的帧转发表决定转发还是丢弃,从而过滤通信量。

⚠️ 网桥已被以太网交换机取代,最新大纲已删除。

回源 · PDF 第 129 页 · b_129_20

交换机相对集线器的最大优势是什么?

总吞吐容量成倍提升。 - 共享式(集线器):N 个用户共享总带宽,每人平均只有 1/N,且极易冲突 - 交换式(交换机):每个端口独立信道,主机通信时独占端口带宽;N 端口交换机的总吞吐容量可达 N×10Mb/s

以太网交换机也称二层交换机,本质上是一个多端口的网桥,能把网络划分为多个较小的冲突域。

回源 · PDF 第 130 页 · b_130_1;PDF 第 130 页 · b_130_3

以太网交换机的五条特点? ★1考

  • 端口直连主机或其他交换机时,通常工作在全双工方式
  • 具有并行性,可同时连通多对端口无冲突传输 → 无须 CSMA/CD
  • ⚠️ 端口连的是集线器时例外:集线器下所有设备同处一个冲突域,必须用 CSMA/CD,且只能半双工
  • 是即插即用设备,帧转发表靠自学习算法自动建立更新
  • 采用专用交换结构芯片,交换速率高

★ 考过 2015

回源 · PDF 第 130 页 · b_130_5;PDF 第 130 页 · b_130_6

直通交换 vs 存储转发,怎么权衡? ★1考

  • 直通交换:收到目的 MAC 地址就立即决定转发端口,不等整帧收完 → 转发时延非常小;⚠️ 不做差错检测,可能把无效帧转发出去;不适用于速率匹配、协议转换、差错检测的场景
  • 存储转发:完整接收并缓存整帧再检查 → 可靠性高、支持不同速率端口之间通信;缺点是转发时延较大

★ 考过 2013

💡 记忆法:"直通图快不查错,存储可靠但要等"。

回源 · PDF 第 130 页 · b_130_8

交换机收到一个帧的三步处理? ★3考

  • ① 学习源 MAC 地址:把 {源MAC, 入端口} 写入/更新交换表(自学习)
  • ② 查看目的 MAC 地址,判断是单播、广播还是组播
  • ③ 决策与转发:
  • 单播且查到表项(已知单播)→ 只从该端口转发,精准交付
  • 单播但查不到(未知单播)→ 泛洪:从除接收端口外的所有活动端口转发
  • 广播帧(FF:FF:FF:FF:FF:FF) → 不查表,直接泛洪
  • 组播帧 → 通常也默认泛洪

⚠️ 交换表每个表项都有老化时间,超时未更新会被自动删除。

★ 考过 2009、2014、2016、2021

💡 记忆法:"源地址学,目的地址查;查得到就单发,查不到就泛洪"。

回源 · PDF 第 131 页 · b_131_2

为什么交换机组网要用 STP?

冗余链路提高了可靠性,但可能形成环路,导致广播风暴和帧无限循环。

生成树协议 STP 的做法:不改变物理拓扑,通过逻辑阻塞部分冗余端口,构建一棵覆盖所有交换机的无环生成树,保证任意两台主机之间只有一条有效路径;主链路故障时重新激活被阻塞端口恢复连通,实现自动容错。

回源 · PDF 第 131 页 · b_131_12

共享式以太网的五条特点? ★1考

  • 工作在物理层:集线器只放大和再生电信号,不能解析帧、不识别 MAC 地址,无智能转发过滤
  • 半双工 + CSMA/CD:任意时刻只能一对主机通信
  • 单一冲突域 + 单一广播域
  • 带宽共享:N 台主机每台平均只有 1/N
  • 盲目广播所有帧:浪费带宽且有隐私泄露风险

★ 考过 2016

回源 · PDF 第 132 页 · b_132_1

集线器和交换机对冲突域/广播域的影响? ★2考

  • 集线器:既不隔离广播域,也不隔离冲突域
  • 交换机:隔离冲突域,但不隔离广播域
  • (路由器:两个都隔离)

⚠️ 广播帧在两种网络里效果相同、原理不同:集线器是物理层盲目复制,交换机是数据链路层有意识泛洪。

★ 考过 2020、2022

💡 记忆法:"一层不隔、二层隔冲突、三层全隔"。

回源 · PDF 第 132 页 · b_132_10

共享式与交换式以太网六项对照? ★1考

网络类型 工作层次 通信模式 带宽分配 用 CSMA/CD? 安全性
共享式 物理层 半双工 共享 是 低
交换式 数据链路层 全双工(默认) 独占 否(全双工下) 较高

★ 考过 2016

回源 · PDF 第 132 页 · b_132_11;PDF 第 132 页 · b_132_12

【疑难点】第3章

为什么接收窗口为 1 时发送窗口最多 2ⁿ−1?

用 n=3 举例(可表示 0~7 共 8 个序号)。假设发送窗口取 8,发送方一次发完 0~7 号帧后暂停: - 确认全部返回 → 接着发的是新的 0~7 号帧 - 确认全部丢失 → 超时后重传的是旧的 0~7 号帧

接收方窗口为 1,只能靠序号判断,两种情况下收到的序号完全相同,无法区分新帧和重传帧 → 可能把重传帧当新数据。

限制为 7 就没有歧义:已发送未确认的帧和未来新帧的序号不会完全重叠。

回源 · PDF 第 138 页 · b_138_1

为什么冲突窗口内没冲突,之后就不会再冲突?

在 CSMA/CD 下节点发送前先侦听、空闲才发。若 A 发送后 2τ 内没检测到冲突,说明: - 帧的首部已经到达所有其他节点 - 其他节点侦听到信道忙,不会启动新的发送

所以信道已被这个帧"占据",其余节点会持续侦听到载波而保持沉默,不可能再产生新冲突。

回源 · PDF 第 138 页 · b_138_11

10Mb/s 提到 100Mb/s 为什么必须改两个参数?

CSMA/CD 要求最短帧的发送时间不小于冲突窗口 2τ。速率提高 10 倍后,网段长度不变则 τ 不变,但发同样长度帧的时间缩短为 1/10 → 发完了冲突还没检测到。

于是快速以太网需把冲突域的传播范围限制得更小,并按 10 倍速率缩短比特时间: - 双绞线单段按 100m 设计。⚠️ 不能写成“10BASE-T 从 500m 降到 100m”:10BASE-T 单段本来就是 100m,500m 是 10BASE5 粗同轴的段长 - 帧间最小间隔 9.6μs → 0.96μs(匹配更高速率)

⚠️ 注意最短帧长仍保持 64B 不变,改的是距离和间隔。

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【易混点】第3章成对概念对照

概念 A 概念 B 一句话切分
字节填充 零比特填充 面向字节用转义字符;面向比特连 5 个 1 后插 0
码距检错 码距纠错 检 d 个错要 d+1;纠 d 个错要 2d+1
GBN SR GBN 累积确认、批量回退;SR 逐帧确认、只重传出错帧
1-坚持 非坚持 忙时持续监听 vs 忙时放弃、等随机时间
CSMA/CD CSMA/CA 边发边听(有线) vs 先约再发(无线)
争用期 2τ 帧间间隔 9.6μs 前者定最短帧长;后者给接收方清缓存
推迟接入 退避 信道忙时冻结 vs 信道闲时倒数
隐蔽站 暴露站 前者该听听不到导致冲突,靠 RTS/CTS + NAV 解决
集线器 交换机 物理层盲目复制、不隔冲突域 vs 链路层泛洪、隔冲突域
直通交换 存储转发 快但不查错 vs 慢但可靠、可变速率
广域网 互联网 广域网是一个网络;互联网是多个网络互连
节点交换机 路由器 前者网络内部转发;后者连接多个网络
PPP 信息段 0B 以太网数据段 46B PPP 点对点无 CSMA/CD,无最短帧长

【必背数字】第3章

数字 含义
2ⁿ−1 / 2ⁿ⁻¹ GBN 发送窗口上限 / SR 收发窗口上限
d+1 / 2d+1 检 d 位错 / 纠 d 位错所需最小码距
2ᵏ ≥ n+k+1 海明码校验位个数公式
48 位(6B) MAC 地址长度(高 24 位厂商代码)
64B 以太网最短帧长(= 512bit = 51.2μs @10Mb/s)
46~1500B 以太网数据字段范围(MTU = 1500B)
18B MAC 帧首部+尾部(64−18=46)
1518B / 1522B 普通以太网帧最大长度 / 802.1Q 帧最大长度
42B 802.1Q 帧数据字段最小值(46−4)
8B 前导码(7B 前同步码 + 1B 帧开始定界符)
32 或 48 比特 强化碰撞的人为干扰信号
9.6μs / 0.96μs 10Base 帧间最小间隔 / 100Base-T 帧间间隔
k = min(重传次数,10),上限 16 次 截断二进制指数退避
1023 CSMA/CA 退避窗口上限(第 6 次重传)
0x0800 / 0x8100 以太网类型字段 IP / 802.1Q 标签前 2B
12 位 → 4096 VLAN 的 VID 位数与最大 VLAN 数
30B / 2312B 802.11 MAC 首部 / 帧主体最大长度
32B SSID 名称最大长度
0x7E / 0xFF / 0x03 / 0x7D PPP 标志 / 地址 / 控制 / 异步转义字符
0x0021 / 0xC021 PPP 协议字段:IP 数据报 / LCP 分组
0~1500B PPP 信息字段长度范围
500m / 185m / 100m / 2000m 10Base-5 / 2 / T / F 的最大段长