数据链路层思维导图

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2024-12-02

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技术概述

技术协议

流量控制

数据链路层概述，协议相关内容讲解

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思维导图大纲

数据链路层概述

功能与地位：负责将网络层数据报封装成帧，在相邻节点间的链路上传输，实现可靠或不可靠传输，为网络层提供服务，屏蔽物理层差异。 - 数据链路层服务：无确认无连接服务（适用于误码率低的信道或实时性要求高的场合）、有确认无连接服务（提供一定可靠性）、有确认面向连接服务（高可靠性，如 HDLC 协议）。 - 与物理层的关系：依赖物理层提供的物理连接和比特流传输能力，在其基础上进行帧的传输处理，如编码、调制等功能由物理层完成，而帧定界、差错控制等由数据链路层负责。

数据链路层协议

以太网协议：应用广泛的局域网协议，基于 CSMA/CD 介质访问控制方式。

PPP 协议：常用于广域网连接，支持多种网络层协议，简单灵活且具有身份验证功能。

协议格式： - 帧格式：一般包括首部（如目的地址、源地址、控制字段等，用于标识帧的来源、去向和控制信息）、数据（网络层交付下来的数据包）、尾部（如帧校验序列 FCS，用于差错检测）。

差错控制

检错码： - 奇偶校验码：通过在数据位后添加奇偶校验位，使整个数据单元（包括校验位）中 1 的个数为奇数或偶数，只能检测奇数个比特错误。 - 循环冗余码 CRC：基于多项式除法，发送方和接收方事先约定生成多项式，发送方将数据除以多项式得到余数作为 CRC 码添加到数据后发送，接收方用相同多项式检验，若余数不为 0 则出错。

纠错码： - 汉明码：通过在数据位中插入冗余位，利用这些冗余位与数据位的特定关系来检测和纠正单个比特错误，其原理基于奇偶校验的组合与位置编码。

差错控制机制： - 自动重传请求 ARQ：包括停止 - 等待 ARQ（发送方发送一帧后等待接收方确认，收到确认后发送下一帧，若超时未收到则重发）、后退 N 帧 ARQ（发送方可连续发送多帧，接收方若发现错误帧则丢弃后续帧并通知发送方，发送方从错误帧开始重发）、选择重传 ARQ（接收方发现错误帧后只要求发送方重传错误帧）。

流量控制

停止 - 等待协议：发送方发送一帧后必须等待接收方的确认帧才能发送下一帧，简单但信道利用率低。

滑动窗口协议

发送窗口：发送方允许连续发送的帧的序号范围，限制发送方发送未确认帧的数量，可提高信道利用率。 - 接收窗口：接收方允许接收的帧的序号范围，用于控制接收顺序和流量。

后退 N 帧协议：发送窗口大于 1，接收方若发现错误帧则丢弃该帧及其后续帧，发送方需重发该错误帧及其之后的所有已发送但未确认帧。

选择重传协议：发送窗口和接收窗口均大于 1，接收方发现错误帧后仅重传错误帧，发送方只重发接收方要求重传的帧，相比后退 N 帧协议提高了信道利用率，但实现较复杂。

介质访问控制

信道划分

频分复用 FDM：将信道带宽划分为多个互不重叠的子频带，每个子频带分配给一个用户，各用户在自己的子频带上传输信号，互不干扰，如广播电台。 - 时分复用 TDM：将时间划分为固定长度的时隙，每个时隙分配给一个用户，各用户在自己的时隙内传输数据，适用于数字信号传输，如电话系统。 - 波分复用 WDM：应用于光纤通信，类似频分复用，是在光的波长上进行划分，不同波长的光信号在同一根光纤中传输。 - 码分复用 CDM：各用户使用不同的编码序列对数据进行编码，通过特定的算法实现多用户在同一信道同时传输且互不干扰，如 CDMA 移动通信系统。

随机访问

ALOHA 协议：分为纯 ALOHA 和时隙 ALOHA。纯 ALOHA 中用户随时可发送数据，若发生碰撞则随机重发；时隙 ALOHA 将时间划分为时隙，用户只能在时隙开始时发送数据，减少了碰撞概率，但信道利用率仍有限。 - CSMA 协议：在发送数据前先监听信道，若信道空闲则发送，若忙则根据不同策略（如非坚持 CSMA：忙则等待随机时间再监听；1 - 坚持 CSMA：忙则持续监听直至空闲立即发送；P - 坚持 CSMA：忙则按概率 P 发送，1 - P 概率等待）处理。 - CSMA/CD 协议（以太网核心机制）：在 CSMA 基础上增加碰撞检测功能，边发送边监听，若检测到碰撞则立即停止发送，并发送阻塞信号强化碰撞，然后随机等待一段时间后重发，有效解决了局域网中多节点共享信道的冲突问题。

轮询访问

令牌传递协议：适用于环形拓扑结构网络。网络中有一个特殊的令牌帧在节点间依次传递，只有获得令牌的节点才能发送数据，发送完后将令牌传递给下一个节点，避免了冲突，保证了各节点公平地访问信道。

局域网

以太网： - 拓扑结构：常见的有总线型（已逐渐被淘汰）、星型（目前主流，以交换机为中心节点连接各设备）。 - 特点：成本低、易于实现、传输速率高、应用广泛等。 - MAC 地址：每个以太网设备都有唯一的 48 位 MAC 地址，用于在局域网中标识设备，前 24 位为厂商编号，后 24 位为厂商自定义编号，在数据帧传输中用于目的地址和源地址标识。

虚拟局域网 VLAN： - 概念：通过逻辑方式将局域网内的设备划分成不同的广播域，不受物理位置限制，增强了网络的安全性、灵活性和可管理性。 - 作用：隔离广播风暴、提高网络安全性、方便网络管理与维护等。 - 划分方法：基于端口（将交换机的某些端口划分到一个 VLAN）、基于 MAC 地址（根据设备的 MAC 地址划分 VLAN）、基于协议（按网络层协议类型划分）、基于 IP 子网（根据设备的 IP 地址所属子网划分）。

广域网

PPP 协议： - 特点：简单（只包含几个基本组件）、支持多种网络层协议（如 IP、IPX 等）、提供链路控制（如 LCP 协议用于建立、配置和测试数据链路连接）、支持身份验证（如 PAP 简单密码验证和 CHAP 挑战握手验证协议）、可进行网络层地址协商（如 NCP 协议用于协商不同网络层协议的配置参数）。 - 帧格式：包括标志字段（用于帧定界）、地址字段（固定值，因为是点到点连接）、控制字段（默认值，可扩展）、协议字段（标识封装的网络层协议）、信息字段（网络层数据）、FCS 字段（帧校验序列）。 - 工作过程：链路建立阶段（通过 LCP 协商链路参数，如最大接收单元 MRU、认证方式等）、认证阶段（可选，如果配置了认证则进行 PAP 或 CHAP 认证）、网络层协议阶段（通过 NCP 协商网络层协议参数，如 IP 地址分配等）、链路终止阶段（当链路不再使用时，通过交换 LCP 帧来关闭链路）。 - HDLC 协议（高级数据链路控制协议特点）：面向比特，采用零比特填充法实现透明传输（即数据中出现与标志字段相同的比特序列时，在其前面插入 0 以区分），具有统一的帧格式（标志字段、地址字段、控制字段、信息字段、FCS 字段），有多种控制字段格式用于不同的操作模式（如信息传输模式、监控模式、无编号模式等），可靠性较高，适用于多种链路类型（如点到点、点到多点等）。

以太网

- 传统以太网概述： - 是早期的以太网技术，采用共享总线型拓扑结构，所有节点共享同一传输介质。 - 基于CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）机制来协调多个节点对共享介质的访问。 - 帧结构 - 包括目的MAC地址（6字节）、源MAC地址（6字节）、类型/长度字段（2字节）、数据字段（46 - 1500字节）和帧校验序列（4字节）。 - CSMA/CD工作原理 - 先监听信道，若空闲则发送数据；发送时检测是否发生碰撞，若碰撞则停止发送，等待一段随机时间后再尝试发送。 - 限制与不足 - 共享式以太网存在冲突域问题，网络中节点越多，冲突概率越高，导致带宽利用率下降。

高速以太网 - 概述 - 为满足更高的数据传输速率需求而发展，如100Base - T（快速以太网）、1000Base - T（千兆以太网）等标准。 - 物理层采用新的编码和传输技术，以提高传输速度。 - 关键技术与标准 - 100Base - T使用双绞线作为传输介质，采用了不同于传统以太网的信号编码方式，传输速率达到100Mbps。 - 1000Base - T则能提供1Gbps的传输速率，在布线系统和设备接口等方面有相应的技术要求。 - 应用场景与优势 - 适合在对带宽要求较高的局域网环境中使用，如企业办公网络、校园网的骨干链路等，能够快速传输大量数据。

交换式以太网 - 交换机工作原理 - 基于MAC地址学习，交换机通过分析接收到的数据帧的源MAC地址，将MAC地址与端口对应记录在转发表中。 - 数据转发时，根据目的MAC地址查找转发表，将数据帧转发到对应的端口，若目的MAC地址未知，则向除接收端口外的所有端口广播。 - 性能优势 - 每个端口形成一个独立的冲突域，有效减少了冲突，提高了网络带宽利用率和整体性能。 - 可以同时支持多个端口对之间的通信，实现全双工通信，进一步提升了传输效率。

虚拟局域网（VLAN） - 概念与原理 - 是一种通过软件配置将一个物理局域网划分成多个逻辑广播域（VLAN）的技术，不同VLAN之间的广播帧不能直接相互转发。 - 划分方法 - 基于端口划分：将交换机的某些端口划分到同一个VLAN，简单直接，是最常用的方法。 - 基于MAC地址划分：根据设备的MAC地址来划分VLAN，灵活性高，但配置和管理相对复杂。 - 基于协议划分：按照网络层协议类型划分VLAN，适用于需要隔离不同协议网络的场景。 - 基于IP子网划分：根据设备的IP地址所属子网来划分VLAN，便于与网络层的路由策略相结合。 - 优势与应用场景 - 有效隔离广播风暴，增强网络安全性，方便网络管理，如在企业网络中按部门划分VLAN，提高网络的安全性和管理效率。

无线局域网

一、概述 - 无线局域网（WLAN）是利用无线通信技术在有限范围内建立的计算机网络，它使用无线电波作为传输媒介，摆脱了有线网络线缆的束缚，提供了灵活的网络接入方式。

二、IEEE 802.11标准 - 标准体系：这是无线局域网的主要标准。其中包括802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac和802.11ax（Wi - Fi 6）等标准。 - 频段与速率： - 802.11a工作在5GHz频段，传输速率最高可达54Mbps，受干扰少，但传输距离较短。 - 802.11b工作在2.4GHz频段，速率最高11Mbps，传输距离较远，但易受干扰。 - 802.11g也工作在2.4GHz频段，速率最高54Mbps，兼容802.11b设备。 - 802.11n工作在2.4GHz和/或5GHz频段，采用MIMO（多输入多输出）技术，速率大幅提升，最高可达600Mbps。 - 802.11ac工作在5GHz频段，利用更宽的信道和高阶调制技术，速率可达数Gbps。 - 802.11ax（Wi - Fi 6）进一步提升效率，特别是在密集用户环境下的性能。

无线接入点（AP） - 是无线局域网的核心设备，它就像一个桥梁，一方面连接无线客户端，另一方面通过有线网络连接到其他网络设备，如路由器、交换机等。 - AP负责管理无线客户端的接入、数据转发以及频段和功率管理等功能。服务集（SS）和基本服务集（BSS） - 服务集（SS）：是由接入点（AP）和与之关联的无线客户端构成的无线网络服务区域。 - 基本服务集（BSS）：是最小的802.11网络单元，由一个AP和与之关联的无线客户端组成。多个BSS可以构成扩展服务集（ESS），用于扩大无线网络的覆盖范围。

无线安全 - WEP（有线等效保密）：早期的安全协议，通过对数据加密来提供安全性，但由于加密算法存在弱点，很容易被破解。 - WPA（Wi - Fi保护接入）和WPA2： - WPA采用临时密钥完整性协议（TKIP）来加强数据加密和认证过程，比WEP安全性高。 - WPA2基于更强大的高级加密标准（AES），安全性更高，是目前广泛使用的无线安全协议。 - WPA3：是新一代的无线安全协议，提供了更强大的加密方式、抵御暴力破解攻击的能力，并且在用户隐私保护方面有了改进，如个性化数据加密等。

MAC层 - CSMA/CA协议（载波监听多路访问/冲突避免）： - 由于无线网络难以进行碰撞检测，所以采用CSMA/CA机制。设备在发送数据前先监听信道是否空闲，若空闲则等待一个随机时间后再发送，以避免多个设备同时发送数据导致冲突。 - 为了进一步减少冲突，采用请求发送（RTS）和清除发送（CTS）机制。发送端先发送RTS帧，接收端收到后回复CTS帧，其他设备收到RTS或CTS后在一定时间内停止发送数据，从而为数据传输预留信道。 - 隐藏节点和暴露节点问题： - 隐藏节点问题是指两个节点彼此不在对方的信号覆盖范围内，但都能与同一个接入点通信，可能导致冲突。可以通过RTS/CTS机制缓解。 - 暴露节点问题是指一个节点虽然检测到信道忙，但其实它可以发送数据而不会产生冲突。这也会影响网络性能，需要合理的信道分配和接入控制来解决。

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