# 链路层

## 计算机网络 - 链路层

## 基本问题

### 1. 封装成帧

将网络层传下来的分组添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。

[![img](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/notes/pics/29a14735-e154-4f60-9a04-c9628e5d09f4.png)](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/pics/29a14735-e154-4f60-9a04-c9628e5d09f4.png)

### 2. 透明传输

透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。

帧使用首部和尾部进行定界，如果**帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容**，那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。**需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符**。如果数据部分出现转义字符，那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符，用户察觉不到转义字符的存在。

[![img](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/notes/pics/e738a3d2-f42e-4755-ae13-ca23497e7a97.png)](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/pics/e738a3d2-f42e-4755-ae13-ca23497e7a97.png)

### 3. 差错检测

目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验（CRC）来检查比特差错。

## 信道分类

### 1. 广播信道

一对多通信，一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到。

所有的节点都在同一个广播信道上发送数据，因此需要有专门的控制方法进行协调，避免发生冲突（冲突也叫碰撞）。

主要有两种控制方法进行协调，一个是使用信道复用技术，一是使用 CSMA/CD 协议。

### 2. 点对点信道

一对一通信。

因为不会发生碰撞，因此也比较简单，使用 PPP 协议进行控制。

## CSMA/CD 协议

CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。

* **多点接入** ：说明这是总线型网络，许多主机以多点的方式连接到总线上。
* **载波监听** ：每个主机都必须不停地监听信道。在发送前，如果监听到信道正在使用，就必须等待。
* **碰撞检测** ：在发送中，如果监听到信道已有其它主机正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲，但是由于电磁波的传播时延的存在，还是有可能会发生碰撞。

记端到端的传播时延为 τ，最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞，称 2τ 为 **争用期** 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

当发生碰撞时，站点要停止发送，等待一段时间再发送。这个时间采用 **截断二进制指数退避算法** 来确定。从离散的整数集合 {0, 1, .., (2k-1)} 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。

[![img](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/notes/pics/19d423e9-74f7-4c2b-9b97-55890e0d5193.png)](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/pics/19d423e9-74f7-4c2b-9b97-55890e0d5193.png)

## PPP 协议

互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网，PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。

[![img](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/notes/pics/e1ab9f28-cb15-4178-84b2-98aad87f9bc8.jpg)](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/pics/e1ab9f28-cb15-4178-84b2-98aad87f9bc8.jpg)

PPP 的帧格式：

* F 字段为帧的定界符
* A 和 C 字段暂时没有意义
* FCS 字段是使用 CRC 的检验序列
* 信息部分的长度不超过 1500

[![img](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/notes/pics/759013d7-61d8-4509-897a-d75af598a236.png)](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/pics/759013d7-61d8-4509-897a-d75af598a236.png)

## MAC 地址

MAC 地址是链路层地址，长度为 6 字节（48 位），用于唯一标识网络适配器（网卡）。

一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器，因此就有两个 MAC 地址。

## 局域网

局域网是一种典型的广播信道，主要特点是网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术，目前以太网占领着有线局域网市场。

可以按照网络拓扑结构对局域网进行分类：

[![img](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/notes/pics/807f4258-dba8-4c54-9c3c-a707c7ccffa2.jpg)](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/pics/807f4258-dba8-4c54-9c3c-a707c7ccffa2.jpg)

## 以太网

以太网是一种星型拓扑结构局域网。

早期使用集线器进行连接，集线器是一种物理层设备， 作用于比特而不是帧，当一个比特到达接口时，集线器重新生成这个比特，并将其能量强度放大，从而扩大网络的传输距离，之后再将这个比特发送到其它所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧，那么就发生了碰撞。

目前以太网使用交换机替代了集线器，交换机是一种链路层设备，它不会发生碰撞，能根据 MAC 地址进行存储转发。

以太网帧格式：

* **类型** ：标记上层使用的协议；
* **数据** ：长度在 46-1500 之间，如果太小则需要填充；
* **FCS** ：帧检验序列，使用的是 CRC 检验方法；

[![img](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/notes/pics/164944d3-bbd2-4bb2-924b-e62199c51b90.png)](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/pics/164944d3-bbd2-4bb2-924b-e62199c51b90.png)

## 交换机

交换机具有自学习能力，学习的是交换表的内容，交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。

正是由于这种自学习能力，因此交换机是一种即插即用设备，不需要网络管理员手动配置交换表内容。

下图中，交换机有 4 个接口，主机 A 向主机 B 发送数据帧时，交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B，先查交换表，此时没有主机 B 的表项，那么主机 A 就发送广播帧，主机 C 和主机 D 会丢弃该帧，主机 B 回应该帧向主机 A 发送数据包时，交换机查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1，就发送数据帧到接口 1，同时交换机添加主机 B 到接口 2 的映射。

[![img](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/notes/pics/a4444545-0d68-4015-9a3d-19209dc436b3.png)](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/pics/a4444545-0d68-4015-9a3d-19209dc436b3.png)

## 虚拟局域网

虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组，只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息。

例如下图中 (A1, A2, A3, A4) 属于一个虚拟局域网，A1 发送的广播会被 A2、A3、A4 收到，而其它站点收不到。

使用 VLAN 干线连接来建立虚拟局域网，每台交换机上的一个特殊接口被设置为干线接口，以互连 VLAN 交换机。IEEE 定义了一种扩展的以太网帧格式 802.1Q，它在标准以太网帧上加进了 4 字节首部 VLAN 标签，用于表示该帧属于哪一个虚拟局域网。

[![img](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/notes/pics/e98e9d20-206b-4533-bacf-3448d0096f38.png)](https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/pics/e98e9d20-206b-4533-bacf-3448d0096f38.png)


---

# Agent Instructions: Querying This Documentation

If you need additional information that is not directly available in this page, you can query the documentation dynamically by asking a question.

Perform an HTTP GET request on the current page URL with the `ask` query parameter:

```
GET https://im-qianuxn.gitbook.io/pytorch/ji-suan-ji/interview/3-1.md?ask=<question>
```

The question should be specific, self-contained, and written in natural language.
The response will contain a direct answer to the question and relevant excerpts and sources from the documentation.

Use this mechanism when the answer is not explicitly present in the current page, you need clarification or additional context, or you want to retrieve related documentation sections.