计算机网络——数据链路层笔记整理
计算机网络第三章 - 数据链路层 重点考点思维导图
一、章节核心框架与非重点内容简览
1. 非重点模块(简略介绍)
- 3.1 点对点信道的数据链路层
- 核心概念:链路(物理线路段)、数据链路(链路+协议,如网卡)、帧(链路层传输单位:首部+数据+尾部)
- 三个基本问题:封装成帧(加首部尾部定界)、透明传输(字节/零比特填充解决定界字符冲突)、差错控制(CRC检错,仅“无差错接受”,非可靠传输)——仅掌握CRC基本流程,不展开计算。
- 3.2 点对点协议(PPP)
- 组成:IP数据报封装方法、LCP(协商链路参数)、NCP(分配IP)
- 帧格式:标志字段(0x7E)、协议字段(如0x0021对应IP)——仅记核心字段,不深入细节。
- 3.5 高速以太网
- 分类:100BASE-T(快速以太网,100Mbit/s)、吉比特以太网(1Gbit/s,半双工用载波延伸/分组突发)、10GE(全双工,无CSMA/CD)
- 接入技术:PPPoE拨号(FTTx/ADSL用)——仅记应用场景,不展开技术细节。
二、重点考点模块1:CSMA/CD协议(碰撞检测相关计算)
1. 协议核心逻辑(碰撞检测流程)
- 步骤:载波监听(无载波则发送)→ 边发边检测碰撞 → 检测到碰撞(信号电压超阈值)→ 停发+发干扰信号(提醒其他主机)→ 退避等待 → 重传
- 核心考点:碰撞检测的关键参数与计算
2. 关键参数与计算(必考)
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(1)争用期(碰撞窗口)
- 定义:从发送帧开始到检测到碰撞的最长时间,等于“端到端信号往返时延(2τ)”——τ为单程传播时延(信号从一端到另一端的时间)。
- 实例:10Mbit/s以太网争用期固定为51.2μs(考虑最大网线长度、集线器延迟)。
-
(2)最短帧长计算
- 公式:最短帧长(bit)= 发送速率(bit/s)× 争用期(s)
- 推导逻辑:帧长需足够长,确保发送方在“信号往返时间内”能检测到碰撞(避免帧太短导致漏检)。
- 实例:10Mbit/s以太网 → 10×10⁶ bit/s × 51.2×10⁻⁶ s = 512 bit = 64字节(考点:凡长度<64字节的帧均为碰撞无效帧)。
-
(3)二进制指数退避算法(重传等待时间计算)
- 规则:
- 基本退避时间 = 争用期(2τ,如10M以太网为51.2μs);
- 重传次数k ≤10时,从[0, 2ᵏ -1]随机选r,等待时延 = r × 基本退避时间;
- k>10时,固定k=10;重传16次失败则丢弃帧。
- 实例:
- 第1次碰撞:k=1,r∈[0,1],等待时延=0或51.2μs;
- 第2次碰撞:k=2,r∈[0,3],等待时延=0、51.2、102.4、153.6μs。
- 规则:
三、重点考点模块2:以太网信道利用率与信道占用时间
1. 信道占用时间构成(必考分析点)
-
(1)有用占用时间
- 定义:真正传输有效数据的时间,包括“帧发送时间(T₀)”+“帧传播收尾时间(τ)”。
- 逻辑:T₀是发送完整帧的时间(帧长/发送速率);τ是帧发送完后,信号传到远端的时间(需等待信号传完,避免后续碰撞)。
- 实例:帧长1500字节(12000bit),10Mbit/s发送 → T₀=12000bit / 10×10⁶ bit/s = 1200μs;τ=5μs → 有用占用时间=1200+5=1205μs。
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(2)浪费占用时间
- 定义:因碰撞导致的无效时间,包括“碰撞时间(信号叠加的杂音时间)”+“干扰信号时间(提醒主机的短信号)”+“退避等待时间(重传前的随机等待)”。
- 实例:碰撞时间0.5μs,干扰信号0.1μs,退避等待51.2μs → 浪费占用时间=0.5+0.1+51.2=51.8μs。
2. 信道利用率计算(核心公式)
-
(1)极限利用率(理想无碰撞场景)
- 公式:( S_{max} = \frac{T_0}{T_0 + τ} )
- 含义:Smax是信道“真正传有效数据”的时间占比,越高说明信道越不浪费。
- 关键参数:( a = \frac{τ}{T_0} )(传播时延/发送时间),a越小,Smax越接近1(利用率越高)——考点:通过增大帧长(T₀↑)或减小网线长度(τ↓)降低a,提升利用率。
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(2)实际利用率
- 逻辑:需扣除碰撞浪费时间,实际利用率 = 有用占用时间 /(有用占用时间 + 浪费占用时间)。
- 考点:判断“利用率达30%即重载”——碰撞增多会导致浪费时间上升,利用率下降。
四、重点考点模块3:以太网交换机交换表填写(答题必考)
1. 交换表核心结构
- 字段:目的MAC地址、对应接口、有效时间(防止主机移动/更换网卡导致表项失效,过期自动删除)。
2. 自学习算法(填写步骤,必考流程)
步骤1:接收帧,记录“源MAC+接口”
- 交换机收到任一帧时,提取帧的“源MAC地址”和“进入接口”,检查交换表:
- 若表中无该MAC地址:新增表项(源MAC→接口,设有效时间);
- 若表中有该MAC地址但接口不同:更新接口和有效时间;
- 若表中有该MAC地址且接口相同:仅更新有效时间。
步骤2:查找“目的MAC”,决定转发策略
- 提取帧的“目的MAC地址”,查交换表:
- 若表中有该MAC地址:将帧从对应接口转发(仅转发到目的接口,不广播);
- 若表中无该MAC地址:将帧从“除进入接口外的所有接口广播”(让所有主机接收,目的主机回应后可记录其MAC);
- 若目的MAC是广播地址(全1):直接广播到所有接口。
3. 实例演练(典型考题)
- 场景:交换机有4个接口(1、2、3、4),主机A(MAC-A)从接口1发帧给主机B(MAC-B),主机B从接口3回帧给A。
- 交换表填写过程:
- A发帧到接口1:交换机新增表项(MAC-A → 接口1,有效时间);因无MAC-B,广播帧到接口2、3、4。
- B从接口3接收帧,回帧给A:交换机提取源MAC-B和接口3,新增表项(MAC-B → 接口3,有效时间);查MAC-A对应接口1,将帧从接口1转发给A。
- 最终交换表:
| 目的MAC地址 | 对应接口 | 有效时间 |
|--------------|----------|----------|
| MAC-A | 1 | 300s |
| MAC-B | 3 | 300s |
4. 关键注意点
- 交换机不转发“自己接口进入的帧”(避免环路);
- 广播帧仅在“未知目的MAC”或“目的为广播地址”时发送;
- 有效时间通常为300秒(考题中若未给,可默认填写)。
五、次重点模块:虚拟局域网(VLAN)(辅助理解,非计算)
- 定义:按需求划分的逻辑网络(与物理位置无关),帧含4字节VLAN标记(802.1Q帧,含VLAN ID)。
- 核心作用:隔离广播风暴(仅在同一VLAN广播)、提高安全性(不同VLAN不可直接通信)。
- 划分方法:基于端口(常用,如接口1-4归VLAN10)、基于MAC地址(支持用户移动)——仅记两种主流方法,不展开配置。