计算机网络技术基础课程课件设计数据链路层

数据链路层计算机网络技-术基础欢迎来到数据链路层课程！本课程将深入探讨计算机网络分层架构中的关键组成部分数据链路层作为模型的第二层，担负着将物理层的比特流转换OSI为有意义数据帧的重要任务在接下来的学习中，我们将系统地了解数据链路层的核心功能，包括成帧、差错控制、流量控制以及介质访问控制等关键技术这些知识对于理解现代网络通信的工作原理至关重要希望通过本课程的学习，大家能够掌握数据链路层的基本概念和技术，为进一步深入学习计算机网络打下坚实基础网络体系结构回顾七层模型四层模型数据链路层定位OSI TCP/IP参考模型由国际标准化组织（）模型是互联网的实际应用模型，数据链路层在网络通信中扮演着至关重OSI ISOTCP/IP提出，自顶向下包括应用层、表示包括应用层、传输层、网络层和网络要的角色，它将网络层传来的数据包封层、会话层、传输层、网络层、数据链接口层其中网络接口层大致对应模装成帧，并通过物理层发送到网络介质OSI路层和物理层这种分层结构使得网络型中的数据链路层和物理层，负责处理上同时，它还负责处理传输过程中的设计更为模块化，便于标准化和实现实际的物理连接和数据传输差错检测和流量控制等问题数据链路层的定义基本定义数据链路层是参考模型中的第二层，位于物理层之上，网络层之下它负责在OSI物理介质上传输的原始比特流中定义数据帧（）格式，实现可靠的点对点Frame数据传输错误检测数据链路层通过各种校验算法和重传机制实现对传输错误的检测和纠正，确保数据在不可靠的物理媒介上可靠传输流量控制防止发送方的数据传输速率超过接收方的处理能力，通过滑动窗口等机制实现对数据流的控制介质访问控制特别是在共享媒体网络中，数据链路层需要协调各节点对传输介质的访问，避免数据冲突和碰撞数据链路层的基本功能成帧将比特流分割成离散的帧差错控制检测并纠正传输过程中的错误流量控制调节发送速率以匹配接收能力物理寻址通过地址确定数据的物理传输路径MAC数据链路层的功能构成了网络通信的基础保障机制成帧使数据传输更加结构化，差错控制确保数据完整性，流量控制防止网络拥塞，而物理寻址则为数据包确定了正确的传输路径这些功能共同作用，确保了网络中点对点的可靠通信数据链路层的地位与作用网络层负责路由和寻址数据链路层实现可靠点对点传输物理层传输原始比特流数据链路层在网络架构中处于承上启下的关键位置它从网络层接收数据报，将其封装成帧后交给物理层传输同Datagram Frame时，它还负责从物理层接收比特流，重新组合成帧，并在剔除帧头帧尾后将数据上交给网络层在这个过程中，数据链路层实现了对物理传输介质的抽象，为网络层屏蔽了底层的物理传输细节，同时提供了比物理层更可靠的传输服务这种分层设计使得上层应用开发者无需考虑底层传输的复杂性，大大简化了网络应用的开发过程物理寻址与地址MAC地址的结构地址的特点地址的应用MAC MAC MAC地址是一个位（字节）的标全球唯一性每个网络设备的地址主要用于局域网内的通信，当MAC486•MAC MAC识符，通常表示为个十六进制数字，地址在理论上是唯一的数据帧在同一局域网内传输时，通过12如其中地址可以确保数据帧能够被正确送00-1A-2B-3C-4D-5E固定性地址通常在设备制造MAC•MAC前位（字节）是组织唯一标识符达目标设备地址也是、243时就被烧录到网卡中MAC DHCPROM（），由分配给设备制造商；等协议正常工作的基础OUI IEEEARP平面寻址不具有层次结构，不适•后位由制造商自行分配，确保每个网24合大型网络路由络接口的唯一性成帧的原理原始比特流物理层传输的是连续的比特流，没有明确的起止边界分割处理数据链路层需要将这些比特流分割成可管理的数据块添加边界标记在每个数据块的前后添加特殊标记，形成帧结构形成完整帧最终的帧包含控制信息、数据和校验码等组成部分成帧是数据链路层的首要功能，它通过在连续的比特流中划定边界，创建离散的数据单元这些数据单元称为帧，是数据链路层处理的基本单位成帧使得接收方能够清晰地识别数据的开始和结束，从而准确地提取出完整的信息常见成帧方法字节计数法1在帧头部使用一个字段指明帧中字节的数量优点是简单直接，缺点是一旦计数字段出错，将导致后续所有帧的边界判断错误字符填充法2使用特殊的起始和结束标记字符（如中的和）来界定帧边界ASCII STXETX当数据中出现与标记字符相同的内容时，需要插入转义字符进行区分比特填充法3使用特定的比特模式（如）作为帧的分界符当数据中出现连续011111105个时，自动插入一个，防止与分界符混淆10物理层编码违例法4利用物理层编码中不会出现的特殊信号作为帧的边界如以太网中的曼彻斯特编码违例，优点是不会与数据混淆，缺点是依赖于特定的物理层编码方式帧结构示例帧结构以太网帧结构帧结构HDLC PPP（高级数据链路控制）帧是点对点以太网帧包含前导码、目的地址、源地（点对点协议）帧包含标志字段、地HDLC PPP通信的标准帧格式，由标志字段、地址字址、类型长度字段、数据和校验字址字段、控制字段、协议字段、信息字段/FCS段、控制字段、信息字段和帧校验序列组段以太网帧具有简单高效的特点，广泛和校验字段是广泛应用的串行线路PPP成其特点是使用比特填充法和标应用于局域网通信中，是当今最常见的链协议，支持多种网络层协议，适用于拨号0x7E志字节界定帧边界，适用于同步传输环路层帧格式之一连接等点对点场景境差错检测与纠正基础差错的来源随机差错突发差错在数据传输过程中，信号会受到各种干随机差错是由于热噪声等因素导致的零突发差错是连续的多个比特出错，通常扰因素的影响而产生差错这些干扰来星比特错误，通常表现为单个比特的翻由雷电干扰、电压波动等因素引起突源包括电磁干扰（）、无线信号转（变或变）这类错误分布较发差错更具破坏性，需要更复杂的错误EMI0110衰减、设备故障、热噪声等即使是高为分散，可以通过简单的校验码有效检检测与纠正机制，如交错编码、块校验质量的传输介质，也无法完全避免比特测码等错误的发生典型差错检测方法校验和循环冗余校验CRC将数据分成等长字段，对所有字段进行基于多项式除法，可以检测出几乎所有二进制加法，结果取反作为校验和常见的错误模式优点实现较简单，检错能力比奇偶校优点检错能力强，硬件实现简单哈希函数验强缺点计算相对复杂，需要特定硬件支奇偶校验将任意长度的数据映射为固定长度的散缺点对某些特定模式的错误检测无效持通过添加一个校验位，使数据中的总列值，用于检测数据完整性1数为奇数（奇校验）或偶数（偶校优点安全性高，适用于数据完整性验验）优点实现简单，开销小证缺点只能检测奇数个比特错误缺点计算开销大，主要用于高层协议奇偶校验原理单奇偶校验在数据字节的最高位添加一个校验位，使得整个字节中的个数为奇1数（奇校验）或偶数（偶校验）例如，对于数据，若10101010采用偶校验，则校验位为，最终传输的数据为0010101010双奇偶校验将数据排列成矩阵形式，对每行和每列都进行奇偶校验，形成二维校验这种方法不仅能检测错误，还能定位错误的具体位置，从而实现简单的错误纠正功能奇偶校验的局限性奇偶校验只能检测奇数个比特错误，如果发生偶数个比特错误（如2位同时翻转），校验结果仍然符合预期，错误将无法被发现因此，在要求较高的场合需要使用更先进的校验方式校验和（）CheckSum数据分段将待传输的数据分成若干等长段（通常为位或位）如果最后一段1632不足，则用填充至等长0段相加将所有数据段按位进行二进制加法操作，加法过程中产生的进位会被回卷（即加回结果的低位）这种操作也称为的补码加法1取反操作将上一步得到的和进行按位取反操作，得到的结果即为校验和发送方将校验和与数据一起发送接收方验证接收方收到数据后，按照同样方法计算校验和，如果计算结果与接收到的校验和相同，则认为数据无差错；否则认为数据传输过程中发生了错误循环冗余校验（）CRC基本思想利用多项式除法的原理，将数据看作一个大的二进制数，对其进行特定多项式的CRC模二除法，余数作为校验码附加到原数据后发送接收方用同样的多项式除以接收到的数据，如果余数为，则认为数据无错误0生成多项式的核心是选择合适的生成多项式好的生成多项式应能检测出常见的错误模式，CRC如单比特错误、双比特错误、奇数个错误位以及特定长度的突发错误等检错能力3的检错能力与生成多项式的选择直接相关对于阶数为的生成多项式，能CRC rCRC检测出所有长度小于或等于的突发错误，以及所有奇数个比特错误r硬件实现的计算可以通过简单的移位寄存器电路实现，使其在高速数据传输中也能高效执CRC行这使得在现代通信系统中得到广泛应用CRC实现步骤CRC数据预处理将原始数据后面添加个（为生成多项式的最高次数）r0r模二除法使用生成多项式对处理后的数据进行模二除法运算获取余数余数即为校验码，长度为位CRC r附加发送将校验码附加在原始数据后面一起发送CRC在实际应用中，常见的生成多项式包括（CRC CRC-8x^8+x^7+x^6+x^4+x^2），常用于网络的头部错误检测；（），广+1ATM CRC-16x^16+x^15+x^2+1泛应用于等工业通信协议；（），被用于Modbus CRC-32x^32+x^26+...+x+

1、等多种标准中，提供极高的检错能力Ethernet ZIP差错纠正机制机制类型工作原理优点缺点应用场景前向纠错（）发送方在数据中添加额外冗无需反馈通道，传输延迟低固有开销大，纠错能力有限卫星通信、音视频传输FEC余信息，使接收方能直接纠正一定数量的错误，无需重传自动重传请求（）接收方检测到错误后请求发实现简单，开销较小需要反馈通道，延迟较高互联网数据传输、局域网通ARQ送方重新传输数据信混合（）结合和优点，先尝降低重传频率，提高效率实现复杂，处理开销大移动通信网络、系统ARQ HARQFEC ARQ4G/5G试纠错，失败才请求重传差错自动重传请求ARQ停止等待回退帧（）选择性重传（）ARQ NARQ GBNARQ SR最简单的形式，发送方发送一个帧后停发送方可以连续发送多个帧而无需等待每一允许接收方接受并缓存除出错帧之外的所有ARQ止等待，直到收到接收方的确认（）才帧的确认，但在出错时需要回退到最早未确帧，只请求重传出错的特定帧ACK发送下一个帧如果超时未收到确认或收到认的帧重新开始传送优点最大限度减少重传数据量•否定确认（），则重传该帧NAK优点提高链路利用率•缺点接收方需要较大缓冲区和能重排•优点实现简单，接收方缓冲区需求小•缺点单个帧错误可能导致多个正确帧序的能力•缺点链路利用率低，效率不高需要重传•停止等待协议详解发送数据帧等待确认发送方发送一个数据帧，并启动计时器发送方进入等待状态，不发送新帧超时处理接收确认计时器超时或收到，重传当前帧收到后，准备发送下一帧NAK ACK停止等待协议是最基本的协议，工作原理简单明了尽管其链路利用率较低，但在某些简单网络或要求不高的场景中仍有应用ARQ要提高其效率，可以增大帧的大小，但这又会增加传输错误的概率，因此需要在帧大小和错误率之间找到平衡点回退帧协议N GBN滑动窗口控制发送方维护一个发送窗口，允许在窗口内连续发送多个帧，不必等待每一帧的确认累积确认接收方对按序到达的最高序号帧发送确认，表示此序号及之前的所有帧都已正确接收错误处理一旦检测到序号不连续或帧错误，接收方丢弃该帧及其后所有帧，并发送最后一个正确接收的帧序号的确认回退重传发送方收到重复确认或超时，将回退到确认序号之后的帧开始重新传送所有后续帧回退帧协议特别适用于单向通信量大的场景，通过流水线传输提高了链路利用率但在误码率较高的环境中，大量重传可能导致性能下降，此时选择性重传可能是更好的选择N选择重传协议（）SR单帧重传接收窗口重排序与交付选择重传协议的最大特点是只重传出错的接收方维护一个接收窗口，允许接收和缓接收方需要对收到的失序帧进行缓存和重帧，而不是像那样重传所有后续帧存不连续的帧当检测到某帧出错或丢失排序，当收到缺失帧后，将连续的帧按序GBN这大大减少了在高错误率链路上的不必要时，接收方会专门为该帧发送或重复交付上层这增加了接收方的复杂性，但NAK重传，提高了带宽利用效率发送前一帧的，请求发送方重传特定提高了传输效率，特别是在高时延或高误ACK帧码率的网络中流量控制基本原理速率匹配确保发送方的发送速率不超过接收方的处理能力拥塞预防防止网络中间设备缓冲区溢出或拥塞反馈机制通过控制信号调节发送速率公平分配合理分配有限的网络资源流量控制是数据链路层的重要功能之一，它解决的核心问题是防止发送方过快地发送数据而使接收方来不及处理没有流量控制，可能导致接收方缓冲区溢出，造成数据丢失，进而引发频繁重传，反而降低整体网络性能流量控制通常通过反馈机制实现，接收方通过专门的控制帧或者数据帧中的窗口字段，向发送方通告其当前可接收的数据量这种机制既可以是停止等待式的-简单控制，也可以是基于窗口的滑动窗口机制滑动窗口机制发送窗口接收窗口窗口滑动发送方维护一个发送窗口，窗口内的帧可接收方维护一个接收窗口，表示期望接收随着数据的成功接收与确认，发送窗口和以连续发送而无需等待前面帧的确认窗的帧序号范围接收窗口大小反映了接收接收窗口沿着序号空间向前滑动这种机口大小表示发送方可以在未收到任何确认方的缓冲能力，通过确认帧告知发送方自制既保证了可靠传输，又实现了高效的流的情况下连续发送的最大帧数己的窗口大小，从而实现流量控制水线传输，大大提高了链路利用率媒体访问控制（）MAC争用型协议非争用型协议协议的选择因素MACMAC MAC在争用型协议中，没有中央控制点，各非争用协议通过某种调度机制，保证各选择适当的协议需要考虑多种因MAC站点相互独立，按需争用共享信道当站点轮流使用信道，从根本上避免了冲素，包括网络规模、流量模式、服务多个站点同时发送数据时，可能发生冲突这类协议在带宽分配上更为公平，质量要求、物理媒介特性等不同应用突争用协议提供了检测冲突但可能引入额外延迟场景下，最佳的协议可能大相径collision MAC和冲突恢复的机制庭典型的非争用协议包括轮询典型的争用协议包括、、令牌传递例如，高实时性要求的工业控制网络可ALOHA Polling Token Passing以太网使用和以及预约等能选择确定性的非争用协议，而普通办CSMA/CDReservation无线局域网使用等公环境则可能选择更灵活的争用型协CSMA/CA议争用型协议MAC争用型协议允许各站在需要时自由访问信道，无需集中控制，适用于流量突发且不可预测的网络环境纯协议最为简MAC ALOHA单，站点直接发送数据，发生冲突后等待随机时间再重发，但其信道利用率仅约18%时隙改进了纯，将时间划分为离散的时隙，站点只能在时隙开始时发送，将信道利用率提高到约（载ALOHA ALOHA37%CSMA波监听多路访问）通过先侦听再发送的策略，进一步提高了效率其中适用于有线网络，发生冲突时立即停止发送；而CSMA/CD则适用于无线环境，通过预约机制尽量避免冲突的发生CSMA/CA协议ALOHA1970发明年份由夏威夷大学开发，是最早的随机访问协议18%纯吞吐率ALOHA理论最大信道利用率仅为1/2e≈

0.1837%时隙吞吐率ALOHA通过时隙同步将效率提高至1/e≈

0.372协议变种纯和时隙两种基本形式ALOHA ALOHA协议的工作原理极为简单在纯中，站点有数据发送时立即发送，不考虑其他站点的状态；如果发生冲突（通过未收到确认检ALOHA ALOHA测），则等待一个随机时间后重新发送这种简单性使其实现成本低，但也导致了较高的冲突概率和较低的信道利用率时隙通过将时间划分为离散的时隙，并要求站点只能在时隙开始时发送数据，减少了冲突发生的可能性尽管协议本身的效率不ALOHA ALOHA高，但其简单的思想为后来的许多协议奠定了基础，尤其是系列协议MAC CSMA协议CSMA载波监听与不同，要求站点在发送数据前先监听信道，检测是否有其他站点正在传ALOHA CSMA输只有当信道空闲时，站点才开始传输，这大大减少了冲突的可能性持续时间策略持续站点监听到信道忙时持续监听，一旦空闲立即发送持续监1-CSMA0-CSMA听到信道忙时等待随机时间后再次监听持续信道空闲时以概率发送，以概p-CSMA p率延迟一个时隙1-p冲突处理尽管通过载波监听降低了冲突概率，但由于信号传播延迟的存在，冲突仍然无法完CSMA全避免不同的变种采用不同的冲突处理策略，如碰撞检测（）和碰撞避免CSMA CD（）CA性能表现的性能与网络负载密切相关在低负载时，的吞吐率接近；但随着负CSMA CSMA100%载增加，性能会显著下降具体表现取决于持续策略、传播延迟与帧传输时间的比值等多个因素协议详解CSMA/CD监听信道数据发送发送前先监听信道是否空闲信道空闲时开始发送数据帧2退避重发碰撞检测发生碰撞时立即停止并等待随机时间发送过程中持续监听检测碰撞（带碰撞检测的载波监听多路访问）是以太网（）采用的协议与基本相比，它增加了碰撞检测机制站点在发送CSMA/CD IEEE

802.3MAC CSMA数据的同时继续监听信道，一旦检测到碰撞（如检测到信号电平异常），立即停止发送并发送阻塞信号（）通知所有站点jam signal为了有效检测碰撞，要求最小帧长度必须大于倍的信号传播时间，这就是以太网规定最小帧长为字节的原因发生碰撞后，站点采用二进制指数退避264算法确定等待时间第次碰撞后，从到中随机选择一个数，再乘以时隙长度作为等待时间k02^k-1协议CSMA/CA信道监听与类似，先监听信道状态CSMA/CD帧间间隔检测到信道空闲后等待时间DIFS随机退避竞争窗口内选择随机时隙数作为等待时间交换RTS/CTS发送帧请求信道，接收确认RTS CTS数据传输5成功预约后发送数据并等待确认ACK（带碰撞避免的载波监听多路访问）主要应用于无线局域网（），因为在无线环境中，碰撞检测难以实现（发送时无法同时接收）该协议通过CSMA/CA IEEE

802.11延迟传输和预约机制减少碰撞发生的可能性非争用型协议MAC集中控制类分布式控制类信道划分类集中控制类协议由一个中央控制器协调分布式控制类协议不依赖中央控制器，信道划分类协议通过将通信信道分割成所有站点的传输活动最典型的例子是而是通过某种机制让各站点轮流获得传多个子信道，分配给不同的站点使用，轮询协议，控制器按顺序询问输权最著名的例子是令牌环从而避免冲突主要方法包括频分多址PollingToken各站点是否有数据要发送，以此分配传，一个特殊的控制帧（令牌）在站、时分多址和码分多址Ring FDMA TDMA输权这类协议确保了公平性和确定点间循环传递，只有持有令牌的站点才这类方法适合稳定的通信需CDMA性，但增加了延迟并存在单点故障风能发送数据这避免了冲突，但引入了求，但在突发流量下可能造成资源浪险令牌管理的复杂性费令牌环工作机制令牌传递空闲令牌在环网中按固定方向循环传递获取令牌需要发送数据的站点捕获令牌并修改为忙状态数据发送持有令牌的站点发送数据帧令牌释放数据传输完成后释放新的空闲令牌令牌环（）是由开发并被标准化的一种网络技术在令牌环网中，所Token RingIBM IEEE

802.5有站点物理连接成一个环形拓扑，数据和控制信息单向传输网络中只有一个特殊的控制帧令——牌，它赋予持有者独占发送权当站点接收到自己发出的数据帧返回时，它知道数据已经完成环路传输，此时会将该帧从环中移除并释放一个新的令牌此外，令牌环还具有优先级机制和令牌保持时间限制，以确保网络资源的公平分配和防止单个站点长时间占用令牌轮询访问机制轮询（）是一种主从式的协议，由一个中央控制站（主站）周期性地询问每个终端站（从站）是否有数据要发送只有Polling MAC在收到主站的轮询请求后，从站才能发送数据轮询流程通常包括选择轮询响应数据传输四个基本步骤---轮询机制的主要优势在于实现简单、完全避免了冲突，并且可以实现优先级控制（通过调整轮询频率）然而，它也存在明显缺点主站故障将导致整个网络瘫痪；轮询开销较大，尤其是在从站数量多但通信需求低的情况下；系统响应时间取决于轮询周期，可能导致实时性能下降多址接入技术概述频分多址（）时分多址（）FDMA TDMA将可用频谱划分为多个频段，每个用将时间划分为多个时隙，每个用户在FDMATDMA户独占一个频段用户可以在分配的频段内指定的时隙内使用整个频段带宽要TDMA随时发送数据，不会与其他用户产生干扰求精确的时间同步，但能提高频谱利用率技术简单可靠，但频谱利用率较低，在用户通信量变化较大时，可以动态分配时FDMA特别是在通信不频繁的情况下隙数量应用早期蜂窝电话系统（）、应用移动通信（）、卫星通•AMPS•2G GSM卫星通信信系统特点实现简单，无需同步，但频谱效特点频谱效率高，但需要精确同步••率较低码分多址（）CDMA允许多个用户同时使用相同的频率带宽，通过分配不同的编码序列来区分各用户信号CDMA接收方通过相关运算提取特定用户的信号具有抗干扰能力强、容量弹性大等优点CDMA应用移动通信、军事通信•3G特点抗干扰性强，安全性高，但实现复杂•局域网技术简介以太网（）IEEE

802.3以太网是当今最广泛使用的局域网技术，基于介质访问控制方CSMA/CD法从最初的发展到现在的、甚至，以10Mbps1Gbps10Gbps100Gbps太网因其简单、成本低和可扩展性强而成为事实标准无线局域网（）IEEE

802.11无线局域网（）基于访问方法，提供灵活的无线连接不Wi-Fi CSMA/CA同标准提供不同的传输速率和覆盖范围，从的到最新

802.11b11Mbps的数，满足各种应用需求

802.11ax Gbps其他局域网技术尽管以太网占据主导地位，但其他技术在特定场景仍有应用如令牌环网（开发，标准化）、令牌总线（）、光纤分IBM IEEE

802.5IEEE

802.4布式数据接口（）等，各有其特点和适用场景FDDI以太网（）基础Ethernet年11973罗伯特梅特卡夫在施乐实验室发明以太网，初始速率为这·PARC

2.94Mbps个早期版本采用总线型拓扑结构和同轴电缆年

21980、和联合发布以太网规范，速率提升至DEC IntelXerox V

1.010Mbps1983年，将其标准化为，奠定了现代以太网的基础IEEE IEEE

802.3年31995快速以太网（）出现，采用星型拓扑和双绞线，引入100Mbps IEEE

802.3u了自动协商功能这一代产品大大提高了局域网速度年至今41999千兆以太网（）、以太网（）相继推IEEE

802.3z/ab10G IEEE

802.3ae出，后续还出现了、乃至以太网，不断刷新速度记录40G100G400G以太网帧结构字段名称长度（字节）功能描述前导码个字节的模7701010101式，用于同步接收方的时钟帧起始定界符值为，标志着帧110101011的开始目的地址接收方的物理地址，可以是单MAC6播、多播或广播地址源地址发送方的物理地址，始终是单MAC6播地址类型长度大于等于表示上层协议/21536类型，小于等于表示数1500据字段长度数据实际载荷，如果不足字节46-150046需要填充帧校验序列，使用算FCS4CRC-32法计算除前导码和定界符外的所有字段以太网交换技术交换机的工作原理以太网交换机是工作在数据链路层的网络设备，通过内部交换矩阵实现高速数据转发交换机读取帧的地址，根据内部的地址表决定将帧转发到哪个端口，而不是像集线器那MAC MAC样向所有端口广播地址表的建立与维护MAC交换机通过自学习过程建立地址表当接收到帧时，记录源地址与接收端口的对MAC MAC应关系这个表项会有一个老化时间，通常为秒，如果在此期间没有来自该地址的300MAC流量，条目将被删除广播域与冲突域交换机将网络分割成多个冲突域（每个端口一个），但保持为单个广播域这意味着连接到不同交换机端口的设备可以同时进行通信而不会发生冲突，但广播帧仍会被转发到除源端口外的所有端口交换方式交换机有三种主要的交换方式直通交换（最快，但无错误检查）、碎片过滤（检查前字64节）和存储转发（完整接收并检查后再转发）现代交换机大多采用存储转发方式，以确保数据完整性虚拟局域网（）VLAN的概念与优势标签帧结构间通信VLAN

802.1Q VLAN虚拟局域网（）是一种将物理局域是实现的标准协不同之间的设备默认无法直接通VLAN IEEE

802.1Q VLANVLAN网分割成多个逻辑网络的技术它允许管议，通过在以太网帧中插入一个字节的信，需要通过第三层设备（如路由器或三4理员将网络划分为不同的广播域，即使这标签来标识信息这个标签包含层交换机）进行路由传统方法使用单臂VLAN些设备连接在同一个物理交换机上（字节，固定值，表示这路由，即路由器的一个物理接口通过子接TPID20x8100的主要优势包括增强网络安全性、是帧）和（字节，包含优先口连接到多个现代网络多采用三VLAN

802.1Q TCI2VLAN减少广播流量、简化网络管理和提高灵活级、位和位）交换机根层交换机实现间路由，提供更高的CFI12VLAN IDVLAN性据这个标签决定将帧转发到哪些端口性能无线链路层技术（）蓝牙链路控制其他无线链路技术IEEE

802.11Wi-Fi是无线局域网蓝牙是一种短距离无线通信技术，特别除了和蓝牙，还有其他几种重要的IEEE

802.11Wi-Fi（）的标准系列，通常被称为适用于个人区域网络（）蓝牙采无线链路层技术（WLAN PANZigBee IEEE它定义了物理层和子层的用主从架构，由一个主设备和最多个从）主要用于低功耗、低数据率Wi-Fi MAC

7802.

15.4规范，使用作为基本的介质设备组成微微网（）多个微微的物联网应用；适用于远距CSMA/CA piconetLoRaWAN访问控制机制标准有多个版网可以互联形成散射网离、低功耗的广域网络通信；（近

802.11NFC本，如等，提（）场通信）用于极短距离的数据传输和非

802.11a/b/g/n/ac/ax scatternet蓝牙链路层包括链路控制器（）和链LC供不同的数据率、频段和特性接触式支付；（新无线电）为移5G NR路管理器（）负责物理链路的LM LC动通信提供高速率、低延迟和大规模设网络主要有两种工作模式基建立、频率跳变序列的选择以及基带控

802.11备连接能力础结构模式（通过连接）和自组织模制；负责链路的建立、安全认证和配AP LM式（设备直接通信）层功能包置蓝牙还支持不同的链路类型，如MAC括扫描、认证、关联、加密、省电和（同步面向连接）和（异步无SCO ACL等连接）QoS无线帧结构举例帧基本结构控制帧管理帧与数据帧

802.11MAC帧由三部分组成控制帧用于辅助数据传输过程，常见的包管理帧用于建立和维护无线连接，包括IEEE

802.11MAC头部、帧体和帧校验序列（）括（请求发送）和（清除发送）（信标）帧，由定期发送以宣告MAC FCSRTS CTSBeacon AP头部包含帧控制字段、持续时间字帧，用于实现虚拟载波侦听和解决隐藏节点网络存在；（探测）帧，用于网络发MAC Probe段、地址字段（最多个地址）和序列控制问题；（确认）帧，用于确认单播帧的现；（认证）帧，用于身4ACK Authentication字段帧控制字段定义了帧的类型、子类型成功接收；（省电轮询）帧，用于份验证；（关联）帧，用于建PS-Poll Association和各种控制标志，决定了帧的处理方式省电模式下的数据请求；（块立连接数据帧则用于传输上层协议数据，Block ACK确认）帧，用于高吞吐量传输中批量确认多可能包含信息、加密保护等内容QoS个帧无线链路层的特殊问题无线局域网面临着有线网络不存在的独特挑战隐藏节点问题是其中最突出的一个当两个节点和都在节点的覆盖范围内，但由A C B于距离或障碍物，和互相不在对方的覆盖范围内时，它们无法感知对方的传输，可能同时向发送数据造成碰撞A CB暴露节点问题则是隐藏节点的反面当节点正在向发送数据时，能检测到的传输，因此不敢向发送数据，尽管向的传输不B ACBD CD会干扰向的传输这导致了信道利用率的下降为解决这些问题，引入了（请求发送允许发送）机制，使用小B A

802.11RTS/CTS/控制帧预约信道，减少数据帧碰撞的可能性协议简介PPP协议定位应用场景主要特性点对点协议（广泛应用于各种点对点连接的主要特性包括多协议支Point-to-Point PPPPPP，）是一种用于建场景，如拨号连接（通过调制解持（可承载、、Protocol PPPIP IPXAppleTalk立点对点连接的数据链路层协议，调器接入互联网）、宽带接等多种网络层协议）、链路质量监ADSL定义在中取代入（，即以太网上的测（）、拓扑检测（RFC1661PPP PPPoELQM LCP了早期的协议，提供了更完）、移动数据连接请求应答）、认证协议SLIP PPP3G/4G Echo/善的功能，包括错误检测、认证机（作为底层协议）、路由器（、）、网络层协议PPP PAPCHAP制、动态分配和数据压缩等之间的连接（通过串行链路配置（等）、压缩协议（支IP WANIPCP或）等持压缩等）HDLC VanJacobson协议层次包含三个主要组件一个用PPP于封装数据的方法（高层协议帧封装在帧中）；链路控制协议PPP（），用于建立、配置和测LCP试链路；一组网络控制协议（），如用于配置不同NCP IPCP网络层协议帧结构PPP标志字段，表示帧的开始或结束0x7E地址字段，点对点链路不需要地址，但保留以兼容0xFF HDLC控制字段，表示无序列号的无编号帧0x03协议字段指明信息字段中数据的类型信息字段包含上层协议数据，长度可变字段FCS帧校验序列，用于错误检测链路控制协议（）是的核心组件，负责建立、配置、测试和终止点对点链路通过交换配置请求（）、配置确认（）、配置拒绝（）等LCP PPPLCP Configure-Request Configure-Ack Configure-Nak/Reject消息来协商链路参数，如最大接收单元（）、认证协议、压缩协议等MRU还提供链路质量监测和失效检测功能，通过消息定期检测链路状态当检测到链路故障或收到终止请求（）时，负责优雅地关闭链路LCP Echo-Request/Reply Terminate-Request LCP数据链路层的安全问题地址欺骗MAC攻击者通过伪造地址实施多种攻击，如冒充合法设备、绕过基于的访问控制、实MACMAC施中间人攻击或欺骗防护措施包括实施地址过滤、启用端口安全、使用ARP MAC认证和部署等技术

802.1X DHCPSnooping广播风暴2广播风暴是指网络中广播帧数量急剧增加，占用大量带宽导致网络性能下降甚至瘫痪可能由环路、配置错误或恶意攻击引起防护措施包括部署生成树协议（）防止环路、配STP置风暴控制限制广播流量、划分减小广播域VLAN无线网络安全威胁无线网络面临独特的安全挑战，如窃听、伪造（钓鱼攻击）、拒绝服务攻击等关键防护AP措施包括使用强大的加密协议（而非）、启用地址过滤、隐藏、定WPA3WEP MACSSID期更改密钥、使用企业级认证（如）

802.1X+EAP物理访问威胁4未授权的物理访问可能导致严重安全隐患，如设备被篡改、增加恶意设备或直接连接到受限网段防护措施包括保护交换机物理安全、禁用未使用端口、实施端口认证、部署

802.1X网络准入控制（）系统监控连接设备NAC数据链路层与物理层的接口比特流到帧的转换信号和比特的映射媒体独立接口数据链路层接收来自物理层的比特流，需物理层负责将比特序列转换为适合传输介为了使数据链路层能适应不同的物理层技要进行成帧处理才能正确解析数据这一质的信号不同的物理层标准使用不同的术，现代网络设计中引入了媒体独立接口过程包括识别帧边界（使用前导码、标志编码方案，如以太网中的曼彻斯特编码（）的概念这种接口为数据链路层MII字节等方法）、去除填充比特或字节、校（）或编码提供了一个标准化的抽象层，使得同一数10Base-T4B/5B验帧的完整性和正确性这些操作由网络（）这些编码方案解决了据链路层协议栈可以适配多种物理传输技100Base-TX接口卡（）的硬件和固件协同完成时钟同步、直流平衡和误码检测等问题，术，如铜缆、光纤或无线介质NIC确保接收方能正确解码信号数据链路层设备举例网卡（）交换机NIC网络接口卡是连接计算机与网络的桥梁，实现物1基于地址转发帧，隔离冲突域提高网络效MAC理层和数据链路层功能率无线接入点桥接器将无线信号转换为有线网络数据，扩展网络覆盖连接两个相似的网络，过滤流量减少冲突网络接口卡（）是实现数据链路层功能的最基本设备，它包含物理层收发器和数据链路层控制器现代网卡通常集成了多种功能，如硬件校验和计算、分NIC段卸载（）、虚拟化支持等，以减轻负担并提高性能TSO CPU交换机是现代局域网的核心设备，通过自学习算法建立地址表，实现高效的帧转发智能交换机还支持、生成树协议、链路聚合等高级功能桥接MAC VLAN器功能类似但更为简单，主要用于连接两个网段或扩展网络覆盖范围无线接入点则在无线和有线网络之间提供桥接功能，同时管理无线客户端的接入和认证典型应用场景分析企业局域网部署无线热点部署广域网连接在企业网络环境中，数据链路层技术的公共场所的无线热点部署需要考虑覆盖广域网连接通常涉及点对点链路，PPP应用尤为重要典型部署包括核心层使范围、用户密度和安全性关键技术包和等协议在此发挥重要作用典HDLC用高性能交换机，接入层使用支持括的合理放置和功率控制（避免干型应用包括企业分支机构互联（通过专PoE AP的智能交换机，以及无线接入点提供移扰）、无线信道规划（最大化频谱利线或）、提供的接入VPN ISPInternet动连接关键技术包括划分（部用）、负载均衡（分散用户连接）和认服务（如）以及移动数据网络中VLAN PPPoE门隔离）、链路聚合（提高带宽和可靠证系统（如认证或）的链路层连接Portal

802.1X性）、生成树协议（防止环路）和现代无线网络通常采用控制器架构或云现代广域网趋向于软件定义（SD-认证（增强安全性）

802.1X管理模式，集中配置和监控多个高），通过智能控制平面动态优化连AP WAN大型企业通常采用分层设计，便于管理密度环境如会议中心可能需要支持波束接路径链路层协议需要适应不同的物和扩展数据中心则需要更高性能的交成形和等先进技术来优化性理媒介和拓扑，同时提供必要的支MU-MIMO QoS换架构，如拓扑和万兆以太能持和安全保障Spine-Leaf网现代数据链路层发展趋势高速以太网随着数据中心和云计算的发展，对网络带宽的需求不断增长高速以太网技术如、和正40GbE100GbE400GbE在快速普及这些技术采用先进的调制方案和并行传输，通常使用光纤作为传输介质高速以太网不仅提高了原始带宽，还引入了新的特性如精确时间协议（）和增强型转发控制PTP网络虚拟化随着服务器虚拟化的普及，网络虚拟化技术变得日益重要软件定义网络（）将控制平面和数据平面分离，实SDN现网络资源的编程控制网络功能虚拟化（）则将网络设备功能软件化，以虚拟机或容器形式运行在数据链NFV路层，技术如、等隧道协议允许在现有基础设施上创建大规模虚拟网络VXLAN NVGREL2物联网与低功耗网络物联网应用对链路层提出了新的要求，特别是低功耗广域网（）如、等这些协议优LPWAN LoRaWANNB-IoT化了电池寿命，同时提供足够的覆盖范围在短距离通信中，低功耗蓝牙（）和等协议针对资源受限设BLE Thread备进行了优化这些技术通常简化了传统链路层协议，减少开销，同时增加了电源管理功能确定性网络工业自动化、车载网络和时间敏感应用需要确定性网络技术时间敏感网络（）系列标准为以太网增加了IEEE TSN实时性和确定性保证这包括时间同步（）、调度传输（）和帧抢占（）等机

802.1AS

802.1Qbv

802.1Qbu制这些技术允许关键流量与非关键流量共享同一网络基础设施，同时保证服务质量数据链路层学习资源推荐经典教材实验工具在线资源《计算机网络自顶向下方法》（库罗斯，是最受欢迎的网络协议分析器，和平台提供多所名校的网络Wireshark CourseraedX罗斯）是国际公认的计算机网络入门经典，可以捕获和检查各种数据链路层协议的帧课程，如斯坦福大学的计算机网络课程该书第三章详细介绍了数据链路层概念和提供了模拟国内平台如中国大学和学堂Cisco PacketTracer GNS3MOOC MOOC《计算机网络》（谢希仁）是国内广泛使用网络环境，可以搭建虚拟网络拓扑进行实在线也有优质网络课程频道如YouTube的教材，对数据链路层有深入浅出的讲解验此外，开源的可用于创建软件和mininet NetworkDirection PowerCert《数据通信与网络》（福罗赞）则对差错控定义网络拓扑，学习现代网络概念树莓派提供生动的网络知识讲Animated Videos制和流量控制有深入剖析等小型设备也是进行实际网络实验的理想平解委员会网站可以获取最新的IEEE802台标准文档和技术白皮书课程知识点回顾基础概念数据链路层定义与功能成帧技术将比特流分割为有意义的帧差错控制3检测和纠正传输过程中的错误流量控制防止发送方过快淹没接收方介质访问控制5协调多个站点对共享信道的访问本课程系统介绍了数据链路层的核心概念和技术我们从数据链路层的基本定义开始，详细讨论了它在网络架构中的位置和功能随后，我们探讨了成帧技术，这是将比特流转换为有意义的数据单元的基础在差错控制部分，我们分析了奇偶校验、校验和和等方法，以及等自动重传机制CRC ARQ流量控制和介质访问控制是数据链路层的两大重要功能我们学习了滑动窗口机制以及、等多种协议此外，我们还研究了以太网、等实际网络技术中数据链CSMA/CD CSMA/CA MACWLAN路层的实现，以及等高级特性通过本课程的学习，你应该已经掌握了数据链路层的基本原理和关键技术，为理解更高层次的网络功能奠定了基础VLAN课后思考与总结思考问题为什么以太网能够取代其他早期局域网技术成为主流？如果重新设计数据链路层，你会做出哪些改进？实践作业使用捕获分析不同类型的以太网帧；设计一个简单的算法实现；模拟实现停止等待Wireshark CRC协议扩展阅读研究标准如何实现确定性网络；探索环境下数据链路层的新挑战与机遇TSN SDN后续学习网络层路由原理；无线网络安全技术；低延迟网络设计；数据中心网络架构在完成数据链路层的学习后，你应该能够理解数据包是如何在物理连接的设备之间可靠传输的这些知识不仅是理论性的，更在实际网络设计、故障排除和性能优化中具有重要应用价值随着网络技术的不断发展，数据链路层也在不断演进，如高速以太网、时间敏感网络（）和低功耗物联网协议等新技术的出现TSN我鼓励大家将所学知识与实际结合，通过网络模拟软件或实验室环境进行实践尝试配置、分析地址VLAN MAC表、观察帧格式等操作，将加深你对数据链路层工作机制的理解后续课程将探讨网络层的协议和路由原理，它IP们建立在数据链路层提供的服务之上，共同构成了现代计算机网络的基础架构。