计算机网络-自顶向下—第五章数据链路层重点复习笔记

未出现的一般考点较少，这里的复习笔记一般可以满足考试需求 o.O

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计算机网络-自顶向下期末复习一篇就够了——重点复习笔记整理-CSDN博客

5.2错误检测和纠正

一维奇偶校验（Single-dimensional Odd Parity Check)

在原本的发送的数据上添加上一位，随后两台电脑协商是使用奇校验还是偶校验

奇校验

如果是奇校验，则要求原本的数据加上添加的一位上，所有的1出现了奇数次，如果不是，则是出现了错误

数据：1000110_此时有三个1，已经是奇数了，所以添加的一位数字为0--》10001100

接收方检验收到的数据（包括多出的位数）1的个数是不是奇数，如果不是则发送错误，要求重新发送

偶校验

偶校验也是同理，要求在原本的数据加上添加的一位，所有的1出现了偶数次，如果不是--》出现了错误

需要注意的，一维奇偶校验对于同时两位数据被干扰的情况可能无法发现，例如

发送的数据（奇校验）：11000010，发送途中被干扰，接收方收到的:11001110,此时依然是奇数个1，无法发现错误

循环冗余校验（CRC Cyclic Redundancy Check）

（1）CRC原理

 强大的差错检测码

 将数据比特 D, 看成是二进制的数据

 生成多项式G：双方协商r+1位模式（

r次方）

生成和检查所使用的位模式

 目标:选择r位 CRC附加位R，使得

 <D,R> 正好被 G整除 (modulo 2)

 接收方知道 G, 将 <D,R>除以 G. 如果非0余数: 检查出错误!

 能检出所有少于r+1位的突发错误

 实际中广泛使用（以太网、802.1 WiFI，ATM）

多说无益，直接上例题

（2）如何通过CRC计算差错检测码

被除数就是信息位往后补n个0（n是冗余码长度）

计算过程如下，就是要一位一位，最后一位写1，直到全部数字使用

二进制除法（关键！）

• 逐位相除：从高位开始，拿除数和被除数当前段比：

• • 如果被除数当前位 ≥ 除数，商 1，然后做「减法（异或）」消去高位。（注意，比较的不是数的大小，而是位数的大小，位数够了就能直接写商）
  • 如果被除数当前位 ＜ 除数，商 0，直接把下一位挪下来继续。

• 直到除完所有位，最后剩下的 余数就是 CRC 校验码（图里最后得到的 10110 ）

最后把答案10110（5位）不足的往前补0（冗余码是要6位）

（3）接收方校验数据步骤

接收方校验步骤

1. 拿到数据：接收方收到「原始数据 + 冗余码」（比如发送方发的是 原数据 + 010110 ）
2. 用同样的除数再除：拿发送方用的同一个除数（图里的 1100011 ），去除 接收到的完整数据（原数据 + 冗余码）
3. 看余数：

• • 如果余数 = 0 → 数据大概率没出错（能过校验）
  • 如果余数 ≠ 0 → 数据传输出错（校验失败，一般会要求重传）

5.3多路访问协议（Multiple access protocols ）

多路访问链路与协议（Multiple Access Links and Protocols）

链路的两种类型：

1. 点对点链路（Point-to-point）

1. 1. 例如拨号上网使用的 PPP 协议
   2. 或主机与以太网交换机之间的点对点连接

1. 广播型链路（Broadcast Links）【共享线路或媒介】

1. 1. 传统以太网
   2. 上行的混合光纤同轴（HFC）
   3. 802.11 无线局域网

多路访问协议（Multiple Access Protocols）

• 所有节点共享同一个广播信道。
• 如果两个或多个节点同时发送，将导致干扰（interference）：

• • 即碰撞（collision），当一个节点接收到两个或更多信号时发生。

多路访问协议：

• 是一个分布式算法，用于决定节点如何共享信道
• 具体目标是：决定节点何时可以发送数据

多路访问协议的三大分类：

1.信道划分/多路复用

• TDM（时分复用）
• FDM（频分复用）
• 码分多址（CDMA）

2.随机访问：

• 时隙ALOHA，纯ALOHA，载波侦听多路访问（CSMA），用于有线以太网（ wired Ethernet）带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）以及用于无线网的（CSMA/CA）

3.轮流：

• 令牌环（Tokening Ring）

信道划分详细解析

TDMA（时分多址）

TDMA （Time Division Multiple Access）：

• 通信过程按“轮次（rounds）”进行
• 每个站点（station）在每轮中获得一个固定长度的时间槽（slot）

• • 时间槽长度 = 一个包的发送时间

• 没有数据的时间槽将被闲置

举例：

• 一个有 6 个站点（station）的 LAN，站点 1、3、4 有包要发送
• 则时间槽 2、5、6 将空闲（idle）

FDMA（频分多址）

FDMA （Frequency Division Multiple Access）：

• 将信道频谱划分为多个频率带
• 每个站点分配一个固定的频带
• 若某站点没有数据要传输，则其频带将被闲置

举例：

• 一个有 6 个站点的 LAN，站点 1、3、4 有数据
• 则频带 2、5、6 将空闲

随机访问协议

发送机制：

• 当一个节点有包要发送时：

• • 它会以信道的最大数据速率 R 直接发送
  • 不提前与其他节点协调

• 如果有两个或以上节点同时发送 ➜ 产生碰撞

随机接入 MAC 协议应具备：

• 检测碰撞的机制
• 从碰撞中恢复的机制（如延迟重发）

典型协议包括：

• ALOHA 与分时 ALOHA（Slotted ALOHA）
• CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA

时隙ALOHA（信道利用率37%）

纯ALOHA（信道使用率17.5%）

CSMA（载波监听多路访问）

基本原则：先听后发（Listen Before Transmit）

• 如果检测到信道空闲 ➜ 立即发送整个帧
• 如果检测到信道正忙 ➜ 延迟发送

类比：人类在交谈时不会打断他人讲话

碰撞问题：

即使采用了先听后发，仍可能发生碰撞，原因如下：

• 传播延迟（Propagation Delay）：两个节点可能在彼此还未检测到对方发言前就开始发送

结果：

• 一个完整的数据包传输时间被浪费
• 距离和传播时延是碰撞概率的关键因素

CSMA/CD（带碰撞检测的载波监听多路访问）

CSMA/CD 工作原理：

• 和 CSMA 一样，先监听信道并决定是否发送
• 区别是：边发送边监听（碰撞检测）
• 一旦检测到碰撞：

• • 立即停止发送
  • 发送一个简短的“堵塞信号”（Jamming Signal），通知所有站点已发生碰撞
  • 所有节点等待一个随机时间后再尝试重发

以太网的 CSMA/CD 算法步骤（Ethernet CSMA/CD Algorithm）

1. 网卡接收到网络层传来的数据报后，创建帧
2. 如果检测到信道空闲，开始发送；若信道忙，等待
3. 若成功发送完整个帧且未检测到冲突 ➜ 完成发送
4. 若在发送过程中检测到冲突 ➜ 停止发送，发送堵塞信号
5. 退避机制（Binary Exponential Backoff）：

1. 1. 第 m 次冲突后，从集合 {0, 1, …, 2^m - 1} 中随机选择一个 K
   2. 等待 K×512 比特时间后重新尝试
   3. 冲突越多，退避时间越长
   4. 若冲突达到 16 次，则放弃发送

CSMA/CA

在无线网中，没有冲突检测!

 无法检测冲突：自身信号远远大于其他节点信号

 即使能CD：冲突!=成功

轮流MAC协议之一：令牌环

5.4数据链路层寻址

（1）MAC地址的特别以及MAC&IP之间的区别

IP地址与MAC地址的区别：

• IP地址（32位）：

• • 是网络层的地址
  • 用于第3层（网络层）进行转发

• MAC地址（又称LAN地址、物理地址、以太网地址）：

• • 用于在物理连接的接口之间局部传输帧
  • 即：在同一物理网络（IP意义上）内，将帧从一个接口送到另一个接口
  • 大多数局域网中使用48位MAC地址，烧录在网卡的ROM中（部分可由软件修改）

示例MAC地址（十六进制表示，每个数字代表4个比特）：

1A-2F-BB-76-09-AD

MAC地址 ：设备的物理地址，固化在网卡中，用于同一局域网内的帧寻址。

IP地址： 设备的逻辑地址，用于跨网络的路径选择

（2）ARP的功能以及ARP寻址的流程（地址解析协议）

LAN地址与ARP

• 每个连接到LAN的适配器（网络接口卡）都有一个唯一的MAC地址

广播地址：

FF-FF-FF-FF-FF-FF

局域网示意图：

IP地址	MAC地址
137.196.7.23	1A-2F-BB-76-09-AD
137.196.7.78	58-23-D7-FA-20-B0
137.196.7.14	0C-C4-11-6F-E3-98
137.196.7.88	71-65-F7-2B-08-53

ARP是什么，如何工作

ARP协议：地址解析协议（Address Resolution Protocol）

• 每个LAN内的IP节点（主机或路由器）都有一个ARP表
• ARP表的内容为：IP地址 ➜ MAC地址 的映射关系 示例条目：

< IP地址；MAC地址；TTL >

• TTL（生存时间）：一段时间后映射将过期（通常为20分钟）

ARP协议如何工作：同一局域网内

假设：

• A主机想向B主机发送数据报，但不知道B的MAC地址

过程：

1. A发送ARP查询包（query packet），包含B的IP地址

1. 1. MAC目的地址设置为广播地址 FF-FF-FF-FF-FF-FF
   2. 所有主机都会接收该ARP请求

1. B收到ARP包后，向A回发ARP响应，告知其MAC地址

1. 1. 使用单播（unicast）帧发送（目标是A的MAC地址）

1. A将B的IP-MAC映射缓存到ARP表中，直到超时为止

ARP的特点：

• “即插即用”（Plug-and-Play）
• 不需要网络管理员介入，节点自动维护ARP表

（3）路由器实现局域网间数据传输的过程（解析数据报经过不同设备各个接口的时候的IP地址和MAC地址）

示例：从A经由路由器R发送数据报到B

情境假设：

• A已知B的IP地址
• A也知道第一跳路由器R的IP地址和MAC地址

---

地址结构图与数据帧构造：

• A创建IP数据报： 源IP：111.111.111.111，目标IP：222.222.222.222
• 然后A创建链路层帧： 源MAC：74-29-9C-E8-FF-55，目标MAC：E6-E9-00-17-BB-4B（R的MAC）
• 帧从A发送到R，R接收并上交网络层

---

R转发数据报到B的过程：

• R检查IP头部，决定将数据报转发给B
• R创建一个新的链路层帧，封装原始数据报

• • 源MAC：1A-23-F9-CD-06-9B（R的MAC）
  • 目标MAC：49-BD-D2-C7-56-2A（B的MAC）

• • 帧被发送给B，B接收并上交网络层处理

从发送端发送出的帧中：

源IP：发送端的IP 目标IP：接收方的IP

源MAC：发送端的MAC 目标MAC：下一跳路由器的MAC（walk through）

下一步再通过下一跳路由器进行转发。

一个例题！

5.4链路层寻址（续）

交换机

（1）交换机的功能

• 链路层设备，比集线器更智能，主动参与数据转发：
• 功能包括：

• • 存储与转发以太网帧
  • 检查接收帧的MAC地址，有选择地将其转发至一个或多个输出端口
  • 如果在段上转发帧，则使用 CSMA/CD 协议

• 透明性：

• • 主机无需感知交换机的存在

• 即插即用，自学习能力：

• • 不需要手动配置，交换机能自动学习网络拓扑

（2）和集线器的对比

• 集线器（Hub）是物理层设备，功能简单：

• • 某端口收到的比特会以相同速率从其他所有端口广播出去
  • 所有连接节点处于同一碰撞域，可能发生冲突
  • 不具有帧缓存功能
  • 不执行 CSMA/CD：冲突检测由主机网卡完成

设备	冲突域数量	广播域数量	数据传输方式
集线器（Hub）	1 个（所有端口共享）	1 个	广播（所有端口接收相同数据），易冲突
交换机（Switch）	每个端口 1 个	1 个（默认）	单播（按转发表转发），冲突概率极低

• 示例：

• • 用 Hub 连接 3 台设备：任意两台同时发数据会冲突（共享同一冲突域），广播包（如 ARP 请求）会被所有设备接收。
  • 用 Switch 连接 3 台设备：每台设备单独占用冲突域，可同时发数据；广播包仍会被所有端口接收（广播域未分割）。

（3）交换表的建立过程

问题：交换机如何知道某主机的MAC地址在哪个端口？

• 每个交换机维护一个交换表（Switch Table）

• • 表项格式为：

<MAC地址，端口号，时间戳>

• 类似于路由器中的路由表

交换表的构建方式：

• 不是通过协议手动配置
• 而是通过交换机的“自学习机制”

交换机的自学习机制（Self-learning）

• 当交换机收到帧时，它会“学习”帧的发送方地址与端口映射关系

• • 将 <发送方MAC地址，接收端口> 记录到交换表中
  • 并加上时间戳，用于定期更新

帧的过滤与转发过程

当交换机收到一帧时：

1. 记录该帧发送者所处的链路端口
2. 使用帧中的目标MAC地址在交换表中查找
3. 若找到了对应记录：

1. 1. 若目标端口就是输入帧的端口 ➜ 丢弃帧
   2. 若不是 ➜ 转发帧到目标端口

1. 若未找到目标地址 ➜ 泛洪转发（flood），即发往除源端口外的所有端口

（4）交换机和路由器的区别

VLAN（虚拟局域网）

（1）VLAN的动机以及含义

VLAN 的动因（VLANs: Motivation）

假设：

• 计算机系（CS）的一位用户搬到了电子工程系（EE）的办公室，但仍希望连接原先的计算机系交换机

在传统局域网中：

• 所有第2层（链路层）的广播流量（如 ARP【源主机广播含有目标主机IP的ARP query packet】、DHCP【客户端广播“DHCP DISCOVER”】、未知 MAC 地址的定位）都会遍历整个 LAN
• 导致：

• • 安全与隐私问题
  • 效率问题

因此，需要一种方式，在物理网络结构不变的前提下实现逻辑分隔

其实意思就是，通过交换机链接的主机，一旦一个主机要求广播，就会将该信息广播给该交换机链接的所有主机

分割就是将交换机链接的主机分为多个广播域，一个域内广播的内容不会传播到其他广播域

VLAN 定义与结构（Virtual Local Area Networks）

端口式 VLAN（Port-based VLAN）：

• 通过交换机管理软件将交换机端口分组
• 使得一台物理交换机可以被配置为多个虚拟交换机
• 支持创建多个逻辑隔离的 VLAN

例如：

• 端口1–8 属于“电子工程”VLAN
• 端口9–15 属于“计算机科学”VLAN

VLAN 的效果：就像多台交换机分别运行一样

VLAN 功能与路由（Port-based VLAN: Summary）

• 流量隔离：端口1-8 的帧只能到达端口1-8
• 也可以根据终端 MAC 地址定义 VLAN，而非端口
• 动态成员管理：端口可以动态地被分配到不同 VLAN 中

VLAN 之间的通信：

• 需要通过路由器完成（与独立交换机间通信相同）
• 实际中，厂商通常出售集成了交换和路由功能的设备

（2）在VLAN中怎么传输数据

前置知识

跨交换机的 VLAN（VLANs Spanning Multiple Switches）

• Trunk 端口（中继端口）：

• • 用于在多台交换机间传输不同 VLAN 的帧

注意：

• 在交换机之间转发的帧不能是普通的 802.1 帧
• 必须包含 VLAN ID 信息
• 使用802.1Q 协议：

• • 在帧中添加或去除额外的 VLAN ID 字段

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802.1Q VLAN帧格式（VLAN Frame Format）

相比普通的 802.1 帧，802.1Q 帧在 类型字段后添加：

• 2字节标签协议标识符（Tag Protocol Identifier）：值为 0x8100
• 标记控制信息（Tag Control Information）：

• • 包含12位 VLAN ID 字段
  • 3位优先级字段（类似于 IP 中的 TOS 字段）

preamble：前导码，用于解决接收端时间同步问题。

同时重新计算帧的 CRC

Trunk （中继）使用场景（Trunk）

Trunk 可用于：

• 交换机之间连接
• 路由器与交换机之间连接
• 服务器与交换机之间连接

Trunk 保证了跨物理网络设备的 VLAN 数据帧传输与识别

传输过程解析

1. VLAN 标签技术（802.1Q 协议）

• • 标签结构：
    交换机在数据帧中添加 4 字节的 VLAN 标签，包含：

• • • TPID（标签协议标识符）：固定值 0x8100，标识这是带 VLAN 标签的数据帧。
    • VID（VLAN 标识符）：12 位数字，标识数据所属的 VLAN 编号（范围 1-4094）。

• • 示例：
    设备 A（属于 VLAN 10）发送数据时，交换机添加 VID=10 的标签，其他支持 VLAN 的交换机根据该标签判断数据应转发至哪个 VLAN。

1. 同 VLAN 内的数据传输

• • 流程：

1. 1. 1. 设备发送数据至交换机，交换机识别设备所属 VLAN（如 VLAN 10），添加对应 VID=10 的标签。
      2. 交换机根据转发表将带标签的数据帧转发给目标设备所在的交换机。
      3. 目标交换机解析标签，确认目标设备属于 VLAN 10，移除标签并转发数据。

• • 类比：
    如同在快递包裹上贴 “部门标签”（如 “财务部”），所有贴相同标签的包裹会被送到同一部门，中途转运时快递员根据标签分拣。

5.7网页请求的生命周期的完整实例

（1）网络请求中使用的协议以及功能

1. 应用层协议

• HTTP/HTTPS（基于TCP）：定义客户端与服务器间数据请求与响应格式（如获取网页内容），HTTPS 额外提供加密传输。
• DNS（基于UDP）：将域名（如 www.baidu.com）解析为 IP 地址，实现网络资源的逻辑寻址。
• DHCP（基于UDP）：动态分配设备的 IP 地址、默认网关、DNS 服务器等网络配置参数。

2. 传输层协议

• TCP（基于IP）：建立可靠连接，确保数据有序、无丢失传输（如 HTTP 基于 TCP），通过三次握手和四次挥手实现连接管理。
• UDP：无连接传输，适合对实时性要求高的场景（如 DNS、DHCP），头部开销小但不保证可靠性。

3. 网络层协议

• IP：提供跨网络的逻辑寻址（IP 地址），规划数据包的路由转发路径（如从本地网络到目标服务器）。
• ARP（基于帧，请求以广播帧发送）：将 IP 地址解析为 MAC 地址（物理地址），用于局域网内数据帧的传输。

4. 数据链路层协议

• Ethernet（以太网）：定义局域网内数据帧格式（如 MAC 地址、帧校验），实现相邻设备间的数据传输（如电脑→路由器）。

（2）网页请求的完整流程

第一步：连接互联网（Connecting to the Internet）

笔记本首次连接时需要获取：

1. 自身的 IP 地址
2. 第一跳路由器的地址
3. DNS 服务器的地址

使用 DHCP 完成以上任务

• DHCP 请求封装在 UDP 中，进一步封装为 IP 和 802.3 Ethernet 帧
• 帧以广播方式（MAC地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF）发送到局域网
• 路由器（运行 DHCP 服务器）收到请求，解封装后处理 DHCP 消息

DHCP 服务器响应：

• 回送 DHCP ACK，包含：

• • 客户端 IP 地址
  • 第一跳路由器 IP 地址
  • DNS 服务器名称与 IP 地址

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第二步：DNS 与 ARP（Before DNS, Before HTTP）

为了发送 HTTP 请求，需先获取目标网站的 IP 地址：使用 DNS

• DNS 查询通过 UDP/IP/Ethernet 帧发送
• 若不知道第一跳路由器的 MAC 地址 ➜ 需使用 ARP 解析

ARP 流程：

• 客户端广播 ARP 查询
• 路由器返回自身接口的 MAC 地址
• 客户端记录地址并用于发送 DNS 查询帧

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第三步：DNS 查询与响应（Using DNS）

• 客户端将 DNS 查询帧经交换机发送至第一跳路由器
• 路由器将该帧转发到 Comcast 网络中的 DNS 服务器
• DNS服务器查询并返回 www.google.com 的 IP 地址
• 客户端收到响应后，即可准备发送 HTTP 请求

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第四步：建立 TCP 连接并发送 HTTP 请求（TCP + HTTP）

步骤：

1. 客户端打开 TCP 套接字，与 Web 服务器建立连接
2. 首个 TCP 段为 SYN（握手第一步）
3. SYN 被跨域转发到服务器
4. 服务器回复 SYN-ACK（第二步）
5. 客户端确认 ACK（第三步），连接建立完成

接下来：

• HTTP 请求通过 TCP 发送
• Web 服务器响应 HTTP 回复（包含网页内容）
• HTTP 数据通过 TCP/IP/Ethernet 一路传输回客户端

最终：

• 网页成功显示！