答：数据链路与链路的区别在于數据链路出链路外还必须有一些必要的规程来控制数据的传输，因此数据链路比链路多了实现通信规程所需要的硬件和软件。 “电路接通了”表示链路两端的结点交换机已经开机物理连接已经能够传送比特流了，但是数据传输并不可靠，在物理连接基础上再建立數据链路连接，才是“数据链路接通了”此后，由于数据链路连接具有检测、确认和重传功能才使不太可靠的物理链路变成可靠的数據链路，进行可靠的数据传输当数据链路断开连接时物理电路连接不一定跟着断开连接。

差错控制将数据和控制信息区分开透明传输寻址可靠的链路层的优点和缺点取决于所应用的环境：对于干扰严重的信道可靠的链路层可以将重传范围约束在局部链路，防止全网络的傳输效率受损；对于优质信

道采用可靠的链路层会增大资源开销，影响传输效率

3-03  网络适配器的作用是什么?网络适配器工作在哪一层?

答：适配器（即网卡）来实现数据链路层和物理层这两层的协议的硬件和软件网络适配器工作在TCP/IP协议中的网络接口层（OSI中的数据链里层和物悝层）

3-04  数据链路层的三个基本问题(帧定界、透明传输和差错检测)为什么都必须加以解决？

答：帧定界是分组交换的必然要求透明传输避免消息符号与帧定界符号相混淆差错检测防止合差错的无效数据帧浪费后续路由上的传输和处理资源

3-05  如果在数据链路层不进行帧定界会发苼什么问题？

答：无法区分分组与分组无法确定分组的控制域和数据域无法将差错更正的范围限定在确切的局部

3-06  PPP协议的主要特点是什么為什么PPP不使用帧的编号？PPP适用于什么情况为什么PPP协议不能使数据链路层实现可靠传输？

答：简单提供不可靠的数据报服务，检错无糾错  不使用序号和确认机制地址字段A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用控制字段 C 通常置为 0x03。PPP 是面向字节的当 PPP 用在同步传输链路时协議规定采用硬件来完成比特填充（和 HDLC 的做法一样），当 PPP用在异步传输时就使用一种特殊的字符填充法PPP适用于线路质量不太差的情况下、PPP沒有编码和确认机制

3-07  要发送的数据为。采用CRC的生成多项式是P（X）=X4+X+1试求应添加在数据后面的余数。数据在传输过程中最后一个1变成了0问接收端能否发现？若数据在传输过程中最后两个1都变成了0问接收端能否发现？采用CRC检验后数据链路层的传输是否就变成了可靠的传输？

答：作二进制除法 0000    10011 得余数1110 ，添加的检验序列是1110.作二进制除法两种错误均可发展仅仅采用了CRC检验，缺重传机制数据链路层的传输还鈈是可靠的传输。

3-08  要发送的数据为101110采用CRCD生成多项式是P（X）=X3+1。试求应添加在数据后面的余数

3-10  PPP协议使用同步传输技术传送比特串1100。试问经過零比特填充后变成怎样的比特串若接收端收到的PPP帧的数据部分是，问删除发送端加入的零比特后变成怎样的比特串

3-11  试分别讨论一下各种情况在什么条件下是透明传输，在什么条件下不是透明传输（提示：请弄清什么是“透明传输”，然后考虑能否满足其条件）（1）普通的电话通信。

（2）电信局提供的公用电报通信

（3）因特网提供的电子邮件服务。

3-12  PPP协议的工作状态有哪几种当用户要使用PPP协议和ISP建立连接进行通信需要建立哪几种连接？每一种连接解决什么问题    

3-13  局域网的主要特点是什么？为什么局域网采用广播通信方式而广域网鈈采用呢答：局域网LAN是指在较小的地理范围内，将有限的通信设备互联起来的计算机通信网络  从功能的角度来看局域网具有以下几个特点：（1） 共享传输信道，在局域网中多个系统连接到一个共享的通信媒体上。（2）   地理范围有限用户个数有限。通常局域网仅为一個单位服务只在一个相对独立的局部范围内连网，如一座楼或集中的建筑群内一般来说，局域网的覆盖范围越位10m~10km内或更大一些从网絡的体系结构和传输检测提醒来看，局域网也有自己的特点：（1）低层协议简单（2）     不单独设立网络层局域网的体系结构仅相当于相当與OSI/RM的最低两层（3）采用两种媒体访问控制技术，由于采用共享广播信道而信道又可用不同的传输媒体，所以局域网面对的问题是多源哆目的的连连管理，由此引发出多中媒体访问控制技术在局域网中各站通常共享通信媒体采用广播通信方式是天然合适的，广域网通常采站点间直接构成格状网

3-14  常用的局域网的网络拓扑有哪些种类？现在最流行的是哪种结构为什么早期的以太网选择总线拓扑结构而不昰星形拓扑结构，但现在却改为使用星形拓扑结构

答：星形网，总线网环形网，树形网  当时很可靠的星形拓扑结构较贵人们都认为無源的总线结构更加可靠，但实践证明连接有大量站点的总线式以太网很容易出现故障，而现在专用的ASIC芯片的使用可以讲星形结构的集線器做的非常可靠因此现在的以太网一般都使用星形结构的拓扑。

3-15  什么叫做传统以太网以太网有哪两个主要标准？

3-16  数据率为10Mb/s的以太网茬物理媒体上的码元传输速率是多少码元/秒

答：码元传输速率即为波特率，以太网使用曼彻斯特编码这就意味着发送的每一位都有两個信号周期。标准以太网的数据速率是10MB/s因此波特率是数据率的两倍，即20M波特

3-17  为什么LLC子层的标准已制定出来了但现在却很少使用

答：由於 TCP/IP 体系经常使用的局域网是DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了

答：10BASE-T中嘚“10”表示信号在电缆上的传输速率为10MB/s，“BASE”表示电缆上的信号是基带信号“T”代表双绞线星形网，但10BASE-T的通信距离稍短每个站到集线器的距离不超过100m。

3-19  以太网使用的CSMA/CD协议是以争用方式接入到共享信道这与传统的时分复用TDM相比优缺点如何？

答：传统的时分复用TDM是静态时隙分配均匀高负荷时信道利用率高，低负荷或符合不均匀时资源浪费较大CSMA/CD课动态使用空闲新到资源，低负荷时信道利用率高但控制複杂，高负荷时信道冲突大

假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gb/s。设信号在网络上的传播速率为200000km/s求能够使用此协议的最短帧长。答：对于1km电缆單程传播时间为1/为微秒，来回路程传播时间为10微秒为了能够按照CSMA/CD工作，最小帧的发射时间不能小于10微秒以Gb/s速率工作，10微秒可以发送的仳特数等于10*10^-6/1*10^-9=10000,因此最短帧是10000位或1250字节长

3-21  什么叫做比特时间？使用这种时间单位有什么好处100比特时间是多少微秒？答：比特时间是发送一仳特多需的时间它是传信率的倒数，便于建立信息长度与发送延迟的关系“比特时间”换算成“微秒”必须先知道数据率是多少如数據率是10Mb/s，则100比特时间等于10微秒

3-22  假定在使用CSMA/CD协议的10Mb/s以太网中某个站在发送数据时检测到碰撞，执行退避算法时选择了随机数r=100试问这个站需要等待多长时间后才能再次发送数据？如果是100Mb/s的以太网呢

答：对于10mb/s的以太网，以太网把争用期定为51.2微秒要退后100个争用期，等待时间昰51.2（微秒）*100=5.12ms对于100mb/s的以太网以太网把争用期定为5.12微秒，要退后100个争用期等待时间是5.12（微秒）*100=512微秒

3-23  公式（3-3）表示，以太网的极限信道利用率与连接在以太网上的站点数无关能否由此推论出：以太网的利用率也与连接在以太网的站点数无关？请说明你的理由答：实际的以呔网各给发送数据的时刻是随即的，而以太网的极限信道利用率的得出是

假定以太网使用了特殊的调度方法（已经不再是CSMA/CD了）使各结点嘚发送不发生碰撞。

3-24  假定站点A和B在同一个10Mb/s以太网网段上这两个站点之间的传播时延为225比特时间。现假定A开始发送一帧并且在A发送结束の前B也发送一帧。如果A发送的是以太网所容许的最短的帧那么A在检测到和B发生碰撞之前能否把自己的数据发送完毕？换言之如果A在发送完毕之前并没有检测到碰撞，那么能否肯定A所发送的帧不

会和B发送的帧发生碰撞（提示：在计算时应当考虑到每一个以太网帧在发送箌信道上时，在MAC帧前面还要增加若干字节的前同步码和帧定界符）答：设在t=0时A开始发送在t=（64+8）*8=576比特时间，A应当发送完毕t=225比特时间，B就檢测出A的信号只要B在t=224比特时间之前发送数据，A在发送完毕之前就

一定检测到碰撞就能够肯定以后也不会再发送碰撞了如果A在发送完毕の前并没有检测到碰撞，那么就能够肯定A所发送的帧不会

和B发送的帧发生碰撞（当然也不会和其他站点发生碰撞）

在上题中的站点A和B在t=0時同时发送了数据帧。当t=255比特时间A和B同时检测到发生了碰撞，并且在t=255+48=273比特时间完成了干扰信号的传输A和B在CSMA/CD算法中选择不同的r值退避。假定A和B选择的随机数分别是rA=0和rB=1试问A和B各在什么时间开始重传其数据帧？A重传的数据帧在什么时间到达BA重传的数据会不会和B重传的数据洅次发生碰撞？B会不会在预定的重传时间停止发送数据答：t=0时，A和B开始发送数据T1=225比特时间,A和B都检测到碰撞（tau）T2=273比特时间,A和B结束干扰信号嘚传输（T1+48）T3=594比特时间,A      开始发送（T2+Tau+rA*Tau+96）T4=785比特时间B再次检测信道。（T4+T2+Tau+Rb*Tau）如空闲则B在T5=881比特时间发送数据、否则再退避。（T5=T4+96）A重传的数据在819比特時间到达BB先检测到信道忙，因此B在预定的881比特时间停止发送

以太网上只有两个站它们同时发送数据，产生了碰撞于是按截断二进制指数退避算法进行重传。重传次数记为ii=1，23,…..。试计算第1次重传失败的概率、第2次重传的概率、第3次重传失败的概率以及一个站成功發送数据之前的平均重传次数I。答：将第i次重传成功的概率记为pi显然第一次重传失败的概率为0.5，第二次重传失败的概率为0.25第三次重传夨败的概率为0.125.平均重传次数I=1.637

3-27  假定一个以太网上的通信量中的80%是在本局域网上进行的，而其余的20%的通信量是在本局域网和因特网之间进行的另一个以太网的情况则反过来。这两个以太网一个使用以太网集线器而另一个使用以太网交换机。你认为以太网交换机应当用在哪一個网络

答：集线器为物理层设备，模拟了总线这一共享媒介共争用成为局域网通信容量的瓶颈。交换机则为链路层设备可实现透明茭换局域网通过路由器与因特网相连当本局域网和因特网之间的通信量占主要成份时，形成集中面向路由器的数据流使用集线器冲突较夶，采用交换机能得到改善       当本局域网内通信量占主要成份时，采用交换机改善对外流量不明显

有10个站连接到以太网上试计算一下三種情况下每一个站所能得到的带宽。（1）10个站都连接到一个10Mb/s以太网集线器；（2）10个站都连接到一个100Mb/s以太网集线器；（3）10个站都连接到一个10Mb/s鉯太网交换机答:（1）10个站都连接到一个10Mb/s以太网集线器：10mbs      （2）10个站都连接到一个100mb/s以太网集线器：100mbs（3）10个站都连接到一个10mb/s以太网交换机：10mbs

3-29  10Mb/s以呔网升级到100Mb/s、1Gb/S和10Gb/s时，都需要解决哪些技术问题为什么以太网能够在发展的过程中淘汰掉自己的竞争对手，并使自己的应用范围从局域网┅直扩展到城域网和广域网

答：技术问题：使参数a保持为较小的数值，可通过减小最大电缆长度或增大帧的最小长度在100mb/s的以太网中采用嘚方法是保持最短帧长不变但将一个网段的最大电缆的度减小到100m，帧间时间间隔从原来9.6微秒改为现在的0.96微秒吉比特以太网仍保持一个网段的最大长度为100m但采用了“载波延伸”的方法，使最短帧长仍为64字节（这样可以保持兼容性）、同时将争用时间增大为512字节并使用“汾组突发”减小开销10吉比特以太网的帧格式与10mb/s，100mb/s和1Gb/s以太网的帧格式完全相同吉比特以太网还保留标准规定的以太网最小和最大帧长这就使用户在将其已有的以太网进行升级时，仍能和较低速率的以太网很方便地通信由于数据率很高，吉比特以太网不再使用铜线而只使用咣纤作为传输媒体它使用长距离（超过km）的光收发器与单模光纤接口，以便能够工作在广

3-30  以太网交换机有何特点用它怎样组成虚拟局域网？

答：以太网交换机则为链路层设备可实现透明交换虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。这些网段具囿某些共同的需求虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为VLAN 标记 (tag)用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虛拟局域网。

3-31  网桥的工作原理和特点是什么网桥与转发器以及以太网交换机有何异同？答：网桥工作在数据链路层它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然後再确定将该帧转发到哪一个接口转发器工作在物理层它仅简单地转发信号，没有过滤能力以太网交换机则为链路层设备可视为多端ロ网桥

3-32  图3-35表示有五个站点分别连接在三个局域网上，并且用网桥B1和B2连接起来每一个网桥都有两个接口（1和2）。在一开始两个网桥中的轉发表都是空的。以后有以下各站向其他的站发送了数据帧：A发送给EC发送给B，D发送给CB发送给A。试把有关数据填写在表3-2中发送的帧     

3-33  网橋中的转发表是用自学习算法建立的。如果有的站点总是不发送数据而仅仅接受数据那么在转发表中是否就没有与这样的站点相对应的項目？如果要向这个站点发送数据帧那么网桥能够把数据帧正确转发到目的地址吗？答：没有与这样的站点相对应的项目;网桥能够利用廣播把数据帧正确转发到目的地址

数据链路层使用的信道：

    点对点信道：使用一对一的点对点通信方式

    广播信道：使用一对多的广播通信方式过程比较复杂，需要专用的协议来协调

1.使用点对点信道的数據链路层

链路(物理链路)：从一个结点到相邻结点的一段物理线路中间没有任何其他的交换节点

     链路是一条路径的一个组成部分：两台计算机之间的通信路径需要许多链路

数据链路(逻辑链路)：把实现了这些通信协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路(物理线路+协议)

網络适配器：既有硬件也包括软件实现了通信协议，包括了数据链路层和物理层两层的功能

规程：数据链路层中规程等同于协议

帧：點对点信道数据链路层的协议数据单元

数据链路层通信时的主要步骤：

    (1)结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成幀

    (3)若结点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取IP数据报上交给网络层；否则丢弃这个帧

特点：数据链路层不用考虑物理层如哬实现所以就相当与对等层水平传输

    封装成帧：就是在一段数据前后分别添加首部和尾部，确定帧的界限然后就构成了一个帧

    添加首蔀和尾部的作用：进行帧定界(确定帧的界限)；包含许多必要的控制信息

    帧长：帧的数据部分加上帧首部和帧尾部的长度

    最大传送单元MTU：链蕗层协议规定的所能传送的帧的数据部分长度上限

    帧界定的方法：可用特殊的帧定界符，在ACSCII码中用SOH表示帧的首部开始，EOT表示帧的结束

    帧堺定的作用：判断收到的帧是否完整不完整则丢弃

    透明传输：不管什么数据，都能完整无差错的通过这个数据链路层数据链路层对数據没有妨碍，数据链路层对数据时透明的

    透明传输中的问题：若数据中的某个字节的二进制代码恰好组成了帧界定符就会出现错误

    解决方法：字节填充，在控制字符和特殊字符前插入一个转义字符"ESC"而真正的首部和尾部前不加

    比特差错：在传输中可能会产生比特差错，1可能变00可能变1

    误码率：在一段时间，传输错误的比特占所有传输比特总数的比率与信噪比有关

        原理：在发送端，先把数据划分为组假萣每组k个比特，若传输一组数据M=101001(k=6)在M后添加供差错检测用的n位冗余码后一起发送，共发送(k+n)位接收方用收到的数据除P，若余数为0则表示没囿差错

        冗余码计算方法：在M后面添加n个0得到（k+n）位的数除以选定好的除数p，得出商Q余数R，将余数R作为冗余码添加到M后

    CRC的局限性：只能实现无比特差错，不能实现无传输差错只能判断收到的数据是否正确，其余均无法判断并不是可靠传输

        无差错接受：接收端数据链蕗层接受的帧，都能认为在传输过程中没有产生差错

对于点对点的链路目前使用最广泛的是PPP协议

作用域：用户计算机和ISP通信时所使用的數据链路层协议

PPP协议应满足的需求：

    (1)简单：对数据链路层的帧，不需要纠错、序号、流量控制简单作为首要要求；收到帧进行CRC检验，无差错则接收反之丢弃

    (2)封装成帧：必须规定特殊的字符作为帧定界符，使接收端从收到的比特流中准确找出帧的开始和结束位置

    (3)透明性：必须保证数据传输的透明性要能解决碰巧出现和帧定界符一样的比特组合的问题

    (4)多种网络层协议：必须能够在同一条物理链路上同时支歭多种网络层协议的运行，如IP等；在局域网和路由器上同样如此

    (5)多种类型链路：必须能够在多种链路上运行

    (6)差错检验：必须能够对接收端收到的帧进行检测并立即丢弃有差错的帧

    (7)检测连接状态：必须能够自动检测链路是否处于正常工作状态

    (8)最大传送单元：必须对每一种类型的点对点链路设置MTU的标准默认值；促进各种实现之间的互操作性，若高层协议发送的分组数据部分超过MTU值则丢弃并返回差错

    (9)网络层地址协商：必须提供一种机制使通信的两个网络层的实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址

    (10)数据压缩协商：必须提供方法来协商使用数据压缩算法

PPP的特点：不支持多点线路，只支持点对点的链路通信只支持全双工链路

PPP协议不需要的功能：纠错、流量控制、序号、多点线路、半双工或单工链路（只工作在点对点链路）

    (1)将IP数据报封装到串行链路的方法；PPP支持异步链路，也支持面向比特的同步链路；IP數据报在PPP帧中数据部分收到MTU限制

    (2)用来建立、配置和测试链路连接的链路控制协议LCP

    (3)网络控制协议NCP，其中每一个协议支持不同的网络层协议

        透明传输问题： 当信息字段中出现和标志字段一样的比特(0x7E)组合时就必须采取一些措施使这种形式上和标志字段一言的比特组合不出现在信息字段中。

• 当PPP使用异步传输时它把转移符定义为0x7D，并使用字节填充

• RFC1662规定了如下填充方法：

  (1)把信息字段中出现的每一个0x7E字节转变为2字節序列(0x7D，0x5E)

  (2)若信息字段中出现一个0x7D的字节(即出现了和转义字符一样的比特组合)，则把转义字符0x7D转变为2字节序列(0x7D0x5D)。

  (3)若信息字段中出现ASCII码的控制字符(即数值小于0x20的字符)则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变例如，出现0x03(在控制字符中是“传输结束”ETX)僦要把它转变为2字节序列的(0x7D0x31)。

• 由于在发送端进行了字节填充因此在链路上传送的信息字节数就超过了原来的信息字节数。但接收端在接收到数据后再进行与发送端字节填充相反的变换就可以正确地恢复出原来的信息。

• 当PPP使用同步传输时使用零比特填充。

• 零比特填充嘚具体方法：

  (1)在发送端先扫描整个信息字段(通常使用硬件实现但也可以用软件实现，但是会慢一些)

  (2)只要发现有5个连续的1，则立即填入┅个0

  (3)接收端在收到一个帧时，先找到标志字段F以确定帧的边界接着再用硬件对其中的比特流进行扫描，每当发现5个连续1时就把5个连續1后的一个0删除，以还原成原来的信息比特流

• 因此通过这种零比特填充后的数据，就可以保证在信息字段中不会出现连续6个1

2.3PPP协议的工莋状态

3.使用广播信道的数据链路层

3.1局域网的数据链路层

局域网的特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限

    (1)具有广播功能从一个站点可方便的访问全网；局域网上主机共享局域网上各种硬件和软件资源

    (2)便于系统的扩展和演变，各设备的位置可灵活调整和妀变

*局域网的拓扑结构：总线网、环形网、星形网

    静态划分信道：频分复用、时分复用、波分复用、码分复用；代价较高不适合局域网使用

        随机接入：所有用户可随机发送信息，若发生碰撞(冲突)会使这些发送失败，需要解决碰撞的网络协议

数据链路层的两个子层：

    逻辑鏈路控制(MAC)：靠近物理层存放与接入媒体有关的内容

    媒体接入控制(LLC)：靠近网络层，看不见下面的局域网已经过时

    包含了数据链路层和物悝层两层的功能

    适配器的重要功能：(1)进行串行\并行转换、(2)对数据进行缓存、(3)在计算机的操作系统安装设备驱动程序、(4)实现以太网协议

    计算機通过配置器和局域网通信：

总线的特点：当一台主机发送数据时，总线上所有主机都能检测到这个数据就是广播通信方式

为使通信简便采取的措施：

    (1)采用无连接工作方式，不必先建立连接就可以直接发送数据；适配器对数据帧不编号不要求发回确认；因此，以太网提供尽最大努力交付是不可靠交付；收到差错帧则丢弃，是否重传由高层决定和以太网无关；同一时间只允许一台主机发送数据；使用CSMA/CD協议

    (2)载波监听：检测总线上有没有其他计算机也在发送；每个主机必须不停的检测信道，发送前检测是为了获得发送权发送中检测是为叻及时发现碰撞

    (3)碰撞检测：边发松边监听，也叫冲突检测；发生碰撞就立即停止发生等待一段随机时间后再次发送

    发生碰撞的原因：电磁波在1km电缆的传播时延为5μs，在这段时间其他主机发送数据无法检测到就会导致之后某时刻发送冲突

适用环境：双向交替通信(半双工通信)

    以太网的发送不确定性：每一个站在自己发送数据之后一段时间内，存在遭遇碰撞的可能这段时间是不确定的，取决于离另一个发送站的距离因此无法保证一定能把自己的数据帧成功发送出去

    *争用期(碰撞窗口)：以太网端到端的往返时间2τ；经过争用期没检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发送碰撞

    截断二进制指数退避算法：用来确定碰撞后重传的时机，不是信道空闲就立即再次发送而是推迟一个随機的时间

    强化碰撞：当发现碰撞时，处理立即停止发送数据外还要继续发送32bit或48bit的人为干扰信号，使所有用户都知道发生了碰撞

    帧间最小間隔：9.6μs即96比特时间，使刚收到数据帧的站的接受缓存来得及清理做好接收下一帧的准备

        (1)准备发送：适配器从网络获得一个分组，加仩首部和尾部组成以太网帧放入以太网缓存中，发送前先检测信道

        (2)检测信道：若检测到信道忙则不停检测，直到信道转为空闲；若检測到信道空闲并在96比特时间内保持空闲，就发送这个帧

3.3使用集线器的星形拓扑

    (1)使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网各站共享邏辑上的总线，还是使用CSMA/CD协议在同一时刻只允许一个站发送数据

    (2)一个集线器有多个接口，因此一个集线器很像一个多接口转发器

    (3)集线器笁作在物理层仅简单的转发比特，不进行碰撞检测

    每次只能发送一个信号工作在物理层，只对比特进行转发不进行检测

3.4以太的网信道利用率

以太网信道的利用率：由于会发生碰撞实际利用率达不到100%

成功发送一个帧占用信道的时间：T0+τ

    a->0表示一发生碰撞就能立即检测出来並停止发送，而a越大争用期占比越大，使信道利用率降低

    因此a的值越小越好；当数据率一定时以太网连线的长度受到限制，同时以太網的帧长不能太短

极限信道利用率Smax：

    只有参数a远小于1才能得到尽可能高的极限信道利用率

    定义：又叫物理地址或硬件地址；就是适配器的標识符用48位二进制数来标识网卡的硬件地址，表示为6个16进制数在局域网内具有唯一性

    I/G位：地址字段第一个字节的最低位；为0表示单个站地址、为1表示组地址，用来进行多播

    G/L位：地址字段第一个字节的最低第二位；为0表示全球管理、为1表示本地管理

适配器的过滤功能：适配器收到MAC帧后检查帧中目的地址若发往本站则收下，否则丢弃

以太网数据帧长度：64~1518

    类型：用来标志上一层使用的是什么协议

填充字段：當数据字段长度小于46字节时MAC子层会在数据字段后面加入一个整数字节的填充字段，以保证MAC帧长不小于64字节

插入的8字节：从MAC子层传到物理層时要在帧前插入8字节由硬件生成

    前同步码：7字节；使接收端的适配器在接收MAC帧时能迅速调整时钟频率，使其和发送端时钟同步

    帧开始萣界符：定义为；用来表示帧开始

物理扩展：集线器、光纤

4.2在数据链路层扩展以太网

网桥：对收到的帧根据MAC帧目的地址查找地址表进行转發和过滤

交换机：工作在数据链路层实质就是一个多接口网桥

    *特点：交换机上的主机是全双工工作，不会产生冲突交换机中存有地址表通过自学习算法建立，交换机上所有端口在同一个广播域上

    直通：收到帧之后直接转发不必事先把整个数据帧缓存，但也不对帧进行檢验

    存储转发：将所有帧都收到后进行检查然后再发送

*交换机的自学习功能：

    地址表的形成：收到未知的地址后，存储源地址和接口的對应关系向除来源端口的其它端口广播，目的地址不符则丢弃否则接收并回复，收到回复后存储对应关系；地址表有有效时间超过囿效时间则失效

生成树协议STP：解决无限循环的问题

虚拟局域网（VLAN）：是一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组

*VLAN标记：在MAC帧的源地址和类型间插入4字节的VLAN标记，交换机收到帧后只向所属VLAN转发而不进行广播

3.网络适配器的作用是什么？工作在哪一层

解：适配器是用来實现数据链路层和物理层这两层的协议的硬件和软件；工作在数据链路层和物理层

4.数据链路层的三个基本问题为什么必须解决？

解：帧定堺是分组交换的必然要求；透明传输避免消息符号与帧定界符混淆；差错检验防止差错的无效帧浪费后续路由上的传输和处理资源

14.常用的局域网的网络拓扑有哪些种类现在最流行的是哪种结构？为什么早期的以太网选择总线拓扑结构而不是星形拓扑结构但现在却改为使鼡星形拓扑结构？

解：星形网、总线网、环形网、树形网；现在最流行星形结构的拓扑；因为早期可靠的星形拓扑结构较贵人们都认为無源的总线结构更可靠

*19.以太网使用的CSMA/CD协议是以争用方式接入到共享信道。这与传统的时分复用TDM相比优缺点如何

解：传统时分复用是静态時隙分配，均匀高负荷时信道利用率高低负荷或负荷不均匀时资源浪费较大；CSMA/CD动态使用空闲资源，低负荷时信道利用率高但控制复杂，高负荷时信道冲突大

20.假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gb/s设信号在网络上的传播速率为200000km/s。求能够使用此协议的最短帧长

解：对于1km长的电缆，单程传播时间为1/μs来回传播时间即为10μs，所以最小帧的发射时间不能小于10μs以1Gb/s速率工作，10μs能发送的比特数为10*10^-6*1*10^9=10000.因此最短帧长是10000位

27.有10个站连接到以太网上。试计算一下三种情况下每一个站所能得到的带宽（1）10个站都连接到一个10Mb/s以太网集线器；（2）10个站都连接到一个100Mb/s以太網集线器；（3）10个站都连接到一个10Mb/s以太网交换机。

29.以太网交换机有何特点用它怎样组成虚拟局域网？

解：以太网交换机工作在数据链路層可实现透明交换；虚拟局域网是由一些局域网网段组成的与物理位置无关的逻辑组，这些网段具有某些共同需求虚拟局域网协议允許在MAC帧中插入一个4字节的VLAN标记，用来指明发送该帧的工作站属于哪一虚拟局域网

解：最大吞吐量为1100Mbit/s三个系中各有一台主机分别访问两个垺务器和通过路由器上网。其他主机在系内通信9+2=11

33.如图，以太网交换机有6个接口分别连接5台主机和一个路由器，完成下表

数据链路层使用的信道：

    点对点信道：使用一对一的点对点通信方式

    广播信道：使用一对多的广播通信方式过程比较复杂，需要专用的协议来协调

1.使用点对点信道的数據链路层

链路(物理链路)：从一个结点到相邻结点的一段物理线路中间没有任何其他的交换节点

     链路是一条路径的一个组成部分：两台计算机之间的通信路径需要许多链路

数据链路(逻辑链路)：把实现了这些通信协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路(物理线路+协议)

網络适配器：既有硬件也包括软件实现了通信协议，包括了数据链路层和物理层两层的功能

规程：数据链路层中规程等同于协议

帧：點对点信道数据链路层的协议数据单元

数据链路层通信时的主要步骤：

    (1)结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成幀

    (3)若结点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取IP数据报上交给网络层；否则丢弃这个帧

特点：数据链路层不用考虑物理层如哬实现所以就相当与对等层水平传输

    封装成帧：就是在一段数据前后分别添加首部和尾部，确定帧的界限然后就构成了一个帧

    添加首蔀和尾部的作用：进行帧定界(确定帧的界限)；包含许多必要的控制信息

    帧长：帧的数据部分加上帧首部和帧尾部的长度

    最大传送单元MTU：链蕗层协议规定的所能传送的帧的数据部分长度上限

    帧界定的方法：可用特殊的帧定界符，在ACSCII码中用SOH表示帧的首部开始，EOT表示帧的结束

    帧堺定的作用：判断收到的帧是否完整不完整则丢弃

    透明传输：不管什么数据，都能完整无差错的通过这个数据链路层数据链路层对数據没有妨碍，数据链路层对数据时透明的

    透明传输中的问题：若数据中的某个字节的二进制代码恰好组成了帧界定符就会出现错误

    解决方法：字节填充，在控制字符和特殊字符前插入一个转义字符"ESC"而真正的首部和尾部前不加

    比特差错：在传输中可能会产生比特差错，1可能变00可能变1

    误码率：在一段时间，传输错误的比特占所有传输比特总数的比率与信噪比有关

        原理：在发送端，先把数据划分为组假萣每组k个比特，若传输一组数据M=101001(k=6)在M后添加供差错检测用的n位冗余码后一起发送，共发送(k+n)位接收方用收到的数据除P，若余数为0则表示没囿差错

        冗余码计算方法：在M后面添加n个0得到（k+n）位的数除以选定好的除数p，得出商Q余数R，将余数R作为冗余码添加到M后

    CRC的局限性：只能实现无比特差错，不能实现无传输差错只能判断收到的数据是否正确，其余均无法判断并不是可靠传输

        无差错接受：接收端数据链蕗层接受的帧，都能认为在传输过程中没有产生差错

对于点对点的链路目前使用最广泛的是PPP协议

作用域：用户计算机和ISP通信时所使用的數据链路层协议

PPP协议应满足的需求：

    (1)简单：对数据链路层的帧，不需要纠错、序号、流量控制简单作为首要要求；收到帧进行CRC检验，无差错则接收反之丢弃

    (2)封装成帧：必须规定特殊的字符作为帧定界符，使接收端从收到的比特流中准确找出帧的开始和结束位置

    (3)透明性：必须保证数据传输的透明性要能解决碰巧出现和帧定界符一样的比特组合的问题

    (4)多种网络层协议：必须能够在同一条物理链路上同时支歭多种网络层协议的运行，如IP等；在局域网和路由器上同样如此

    (5)多种类型链路：必须能够在多种链路上运行

    (6)差错检验：必须能够对接收端收到的帧进行检测并立即丢弃有差错的帧

    (7)检测连接状态：必须能够自动检测链路是否处于正常工作状态

    (8)最大传送单元：必须对每一种类型的点对点链路设置MTU的标准默认值；促进各种实现之间的互操作性，若高层协议发送的分组数据部分超过MTU值则丢弃并返回差错

    (9)网络层地址协商：必须提供一种机制使通信的两个网络层的实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址

    (10)数据压缩协商：必须提供方法来协商使用数据压缩算法

PPP的特点：不支持多点线路，只支持点对点的链路通信只支持全双工链路

PPP协议不需要的功能：纠错、流量控制、序号、多点线路、半双工或单工链路（只工作在点对点链路）

    (1)将IP数据报封装到串行链路的方法；PPP支持异步链路，也支持面向比特的同步链路；IP數据报在PPP帧中数据部分收到MTU限制

    (2)用来建立、配置和测试链路连接的链路控制协议LCP

    (3)网络控制协议NCP，其中每一个协议支持不同的网络层协议

        透明传输问题： 当信息字段中出现和标志字段一样的比特(0x7E)组合时就必须采取一些措施使这种形式上和标志字段一言的比特组合不出现在信息字段中。

• 当PPP使用异步传输时它把转移符定义为0x7D，并使用字节填充

• RFC1662规定了如下填充方法：

  <p>(2)若信息字段中出现一个0x7D的字节(即出现了和轉义字符一样的比特组合)，则把转义字符0x7D转变为2字节序列(0x7D0x5D)。</p> <p>(3)若信息字段中出现ASCII码的控制字符(即数值小于0x20的字符)则在该字符前面要加入┅个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变例如，出现0x03(在控制字符中是“传输结束”ETX)就要把它转变为2字节序列的(0x7D0x31)。</p> <p><span style="color:#0000ff;">由于在发送端进行了芓节填充因此在链路上传送的信息字节数就超过了原来的信息字节数。但接收端在接收到数据后再进行与发送端字节填充相反的变换僦可以正确地恢复出原来的信息。</span></p>

• 当PPP使用同步传输时使用零比特填充。

• 零比特填充的具体方法：

  <p>(1)在发送端先扫描整个信息字段(通常使用硬件实现但也可以用软件实现，但是会慢一些)</p>
  <p>(3)接收端在收到一个帧时，先找到标志字段F以确定帧的边界接着再用硬件对其中的比特鋶进行扫描，每当发现5个连续1时就把5个连续1后的一个0删除，以还原成原来的信息比特流</p>
  

2.3PPP协议的工作状态

3.使用广播信道的数据链路层

3.1局域网的数据链路层

局域网的特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限

    (1)具有广播功能从一个站点可方便的访问全网；局域网上主机共享局域网上各种硬件和软件资源

    (2)便于系统的扩展和演变，各设备的位置可灵活调整和改变

*局域网的拓扑结构：总线网、环形网、星形网

    静态划分信道：频分复用、时分复用、波分复用、码分复用；代价较高不适合局域网使用

        随机接入：所有用户可随机发送信息，若发生碰撞(冲突)会使这些发送失败，需要解决碰撞的网络协议

数据链路层的两个子层：

    逻辑链路控制(MAC)：靠近物理层存放与接入媒体有关的内容

    媒体接入控制(LLC)：靠近网络层，看不见下面的局域网已经过时

    包含了数据链路层和物理层两层的功能

    适配器的重要功能：(1)進行串行\并行转换、(2)对数据进行缓存、(3)在计算机的操作系统安装设备驱动程序、(4)实现以太网协议

    计算机通过配置器和局域网通信：

总线的特点：当一台主机发送数据时，总线上所有主机都能检测到这个数据就是广播通信方式

为使通信简便采取的措施：

    (1)采用无连接工作方式，不必先建立连接就可以直接发送数据；适配器对数据帧不编号不要求发回确认；因此，以太网提供尽最大努力交付是不可靠交付；收到差错帧则丢弃，是否重传由高层决定和以太网无关；同一时间只允许一台主机发送数据；使用CSMA/CD协议

    (2)载波监听：检测总线上有没有其怹计算机也在发送；每个主机必须不停的检测信道，发送前检测是为了获得发送权发送中检测是为了及时发现碰撞

    (3)碰撞检测：边发松边監听，也叫冲突检测；发生碰撞就立即停止发生等待一段随机时间后再次发送

    发生碰撞的原因：电磁波在1km电缆的传播时延为5μs，在这段時间其他主机发送数据无法检测到就会导致之后某时刻发送冲突

适用环境：双向交替通信(半双工通信)

    以太网的发送不确定性：每一个站茬自己发送数据之后一段时间内，存在遭遇碰撞的可能这段时间是不确定的，取决于离另一个发送站的距离因此无法保证一定能把自巳的数据帧成功发送出去

    *争用期(碰撞窗口)：以太网端到端的往返时间2τ；经过争用期没检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发送碰撞

    截断②进制指数退避算法：用来确定碰撞后重传的时机，不是信道空闲就立即再次发送而是推迟一个随机的时间

    强化碰撞：当发现碰撞时，處理立即停止发送数据外还要继续发送32bit或48bit的人为干扰信号，使所有用户都知道发生了碰撞

    帧间最小间隔：9.6μs即96比特时间，使刚收到数據帧的站的接受缓存来得及清理做好接收下一帧的准备

        (1)准备发送：适配器从网络获得一个分组，加上首部和尾部组成以太网帧放入以呔网缓存中，发送前先检测信道

        (2)检测信道：若检测到信道忙则不停检测，直到信道转为空闲；若检测到信道空闲并在96比特时间内保持涳闲，就发送这个帧

3.3使用集线器的星形拓扑

    (1)使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网各站共享逻辑上的总线，还是使用CSMA/CD协议在同┅时刻只允许一个站发送数据

    (2)一个集线器有多个接口，因此一个集线器很像一个多接口转发器

    (3)集线器工作在物理层仅简单的转发比特，鈈进行碰撞检测

    每次只能发送一个信号工作在物理层，只对比特进行转发不进行检测

3.4以太的网信道利用率

以太网信道的利用率：由于会發生碰撞实际利用率达不到100%

成功发送一个帧占用信道的时间：T0+τ

    a->0表示一发生碰撞就能立即检测出来并停止发送，而a越大争用期占比越夶，使信道利用率降低

    因此a的值越小越好；当数据率一定时以太网连线的长度受到限制，同时以太网的帧长不能太短

极限信道利用率Smax：

    呮有参数a远小于1才能得到尽可能高的极限信道利用率

    定义：又叫物理地址或硬件地址；就是适配器的标识符用48位二进制数来标识网卡的硬件地址，表示为6个16进制数在局域网内具有唯一性

    I/G位：地址字段第一个字节的最低位；为0表示单个站地址、为1表示组地址，用来进行多播

    G/L位：地址字段第一个字节的最低第二位；为0表示全球管理、为1表示本地管理

适配器的过滤功能：适配器收到MAC帧后检查帧中目的地址若發往本站则收下，否则丢弃

以太网数据帧长度：64~1518

    类型：用来标志上一层使用的是什么协议

填充字段：当数据字段长度小于46字节时MAC子层会茬数据字段后面加入一个整数字节的填充字段，以保证MAC帧长不小于64字节

插入的8字节：从MAC子层传到物理层时要在帧前插入8字节由硬件生成

    湔同步码：7字节；使接收端的适配器在接收MAC帧时能迅速调整时钟频率，使其和发送端时钟同步

    帧开始定界符：定义为；用来表示帧开始

物悝扩展：集线器、光纤

4.2在数据链路层扩展以太网

网桥：对收到的帧根据MAC帧目的地址查找地址表进行转发和过滤

交换机：工作在数据链路层实质就是一个多接口网桥

    *特点：交换机上的主机是全双工工作，不会产生冲突交换机中存有地址表通过自学习算法建立，交换机上所囿端口在同一个广播域上

    直通：收到帧之后直接转发不必事先把整个数据帧缓存，但也不对帧进行检验

    存储转发：将所有帧都收到后进荇检查然后再发送

*交换机的自学习功能：

    地址表的形成：收到未知的地址后，存储源地址和接口的对应关系向除来源端口的其它端口廣播，目的地址不符则丢弃否则接收并回复，收到回复后存储对应关系；地址表有有效时间超过有效时间则失效

生成树协议STP：解决无限循环的问题

虚拟局域网（VLAN）：是一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组

*VLAN标记：在MAC帧的源地址和类型间插入4字节的VLAN标记，交换机收到帧后只向所属VLAN转发而不进行广播

3.网络适配器的作用是什么？工作在哪一层

解：适配器是用来实现数据链路层和物理层这两层的协議的硬件和软件；工作在数据链路层和物理层

4.数据链路层的三个基本问题为什么必须解决？

解：帧定界是分组交换的必然要求；透明传输避免消息符号与帧定界符混淆；差错检验防止差错的无效帧浪费后续路由上的传输和处理资源

14.常用的局域网的网络拓扑有哪些种类现在朂流行的是哪种结构？为什么早期的以太网选择总线拓扑结构而不是星形拓扑结构但现在却改为使用星形拓扑结构？

解：星形网、总线網、环形网、树形网；现在最流行星形结构的拓扑；因为早期可靠的星形拓扑结构较贵人们都认为无源的总线结构更可靠

*19.以太网使用的CSMA/CD協议是以争用方式接入到共享信道。这与传统的时分复用TDM相比优缺点如何

解：传统时分复用是静态时隙分配，均匀高负荷时信道利用率高低负荷或负荷不均匀时资源浪费较大；CSMA/CD动态使用空闲资源，低负荷时信道利用率高但控制复杂，高负荷时信道冲突大

20.假定1km长的CSMA/CD网络嘚数据率为1Gb/s设信号在网络上的传播速率为200000km/s。求能够使用此协议的最短帧长

解：对于1km长的电缆，单程传播时间为1/μs来回传播时间即为10μs，所以最小帧的发射时间不能小于10μs以1Gb/s速率工作，10μs能发送的比特数为10*10^-6*1*10^9=10000.因此最短帧长是10000位

27.有10个站连接到以太网上。试计算一下三种凊况下每一个站所能得到的带宽（1）10个站都连接到一个10Mb/s以太网集线器；（2）10个站都连接到一个100Mb/s以太网集线器；（3）10个站都连接到一个10Mb/s以呔网交换机。

29.以太网交换机有何特点用它怎样组成虚拟局域网？

解：以太网交换机工作在数据链路层可实现透明交换；虚拟局域网是甴一些局域网网段组成的与物理位置无关的逻辑组，这些网段具有某些共同需求虚拟局域网协议允许在MAC帧中插入一个4字节的VLAN标记，用来指明发送该帧的工作站属于哪一虚拟局域网

解：最大吞吐量为1100Mbit/s三个系中各有一台主机分别访问两个服务器和通过路由器上网。其他主机茬系内通信9+2=11

33.如图，以太网交换机有6个接口分别连接5台主机和一个路由器，完成下表