## 数据链路层

### 1. 数据链路层功能

| 功能 | 说明 |
|------|------|
| 组帧 | 将网络层数据包封装成帧，添加首部和尾部 |
| 差错控制 | 检测或纠正传输中的比特错误 |
| 流量控制 | 协调收发双方速率，防止接收方溢出 |
| 介质访问控制 | 控制多个节点共享信道时的有序访问（MAC 子层） |
| 链路管理 | 建立、维护、释放数据链路连接 |

> **服务访问点（SAP）**：网络层与数据链路层的接口，帧中通过类型字段（EtherType）标识上层协议。

### 2. 组帧（Framing）

#### 2.1 字符计数法

- 帧首部用计数字段标识帧长
- 计数字段出错则无法同步，现已很少使用

#### 2.2 字符填充法

- 用特殊标志字符界定帧的起止（如 `DLE STX` / `DLE ETX`）
- 数据中出现标志字符时在其前插入转义字符 `DLE`

#### 2.3 零比特填充法（HDLC）

- 以 `01111110` 作为帧边界
- 数据中每出现连续的 5 个 `1` 后自动插入一个 `0`（透明传输）
- 接收端检测到 `01111110` 即帧边界，自动删除数据中的填充 `0`

#### 2.4 物理层编码违例法

- 利用物理层编码的冗余信号表示帧边界（如曼彻斯特编码的高-高/低-低）

### 3. 差错控制

#### 3.1 检错编码

| 编码 | 原理 | 特点 |
|------|------|------|
| 奇偶校验 | 添加一位使 `1` 个数为奇/偶 | 只能检出奇数位错误，检错率低 |
| 循环冗余校验（CRC） | 数据多项式除以生成多项式，余数作为 FCS | 检错能力强，硬件实现简单 |

**CRC 步骤**：

1. 选定生成多项式 $G(x)$，阶数为 $r$
2. 数据后补 $r$ 个 0，模 2 除以 $G(x)$（异或运算）
3. 余数（$r$ 位）即为帧检验序列（FCS），替换补的 0
4. 接收端用同一 $G(x)$ 除整个帧，余数为 0 则无错

> **CRC 是检错码，不是纠错码**，发现错误后要求重传。

#### 3.2 纠错编码（海明码）

**海明不等式**：$2^k \ge n + k + 1$，其中 $n$ 为有效数据的位数，$k$ 为校验位的位数。

**校验位位置**：放在 $2^{i}$ 位置（$i = 0,1,2,\dots$），即第 $1,2,4,8,\dots$ 位。

**检错与纠错**：每个校验位负责一组数据位，出错时多个校验位联合定位错误位，可纠正 1 位错误。

| 能力 | 说明 |
|------|------|
| 检 2 位错 + 纠 1 位错 | 增加一位全局奇偶校验位实现 |
| 仅纠 1 位错 | 标准海明码 |

### 4. 流量控制与可靠传输机制

#### 4.1 停止-等待协议（Stop-and-Wait）

- 发送方每发一帧，等待 ACK 后再发下一帧
- 超时未收到 ACK 则重传（需编号区分重复帧）
- **信道利用率**很低：$U = \dfrac{T_D}{T_D + RTT + T_A}$

> 在卫星链路等高延迟信道中效率极低，仅适用于低带宽或简单场景。

#### 4.2 后退 N 帧协议（GBN）

- 发送窗口 $W_T > 1$，接收窗口 $W_R = 1$
- 发送方可连续发多帧，接收方只按序接收
- 某帧出错 → 丢弃该帧及之后所有帧，发送方超时后从出错帧开始全部重发
- 信道利用率高于停等，但大量重传浪费带宽

#### 4.3 选择重传协议（SR）

- 发送窗口 $W_T > 1$，接收窗口 $W_R > 1$
- 接收方缓存乱序到达的正确帧，仅要求重传出错帧
- 窗口大小限制：$W_{\max} = 2^{n-1}$（$n$ 为帧序号位数）
- 信道利用率最高，但实现复杂

**三个协议对比**：

| 协议 | 发送窗口 | 接收窗口 | 重传策略 | 利用率 |
|:----|:-------:|:-------:|---------|:-----:|
| 停等 | 1 | 1 | 出错帧超时重发 | 最低 |
| GBN | $>1$ | 1 | 从出错帧起全部重传 | 中等 |
| SR | $>1$ | $>1$ | 仅重传出错帧 | 最高 |

> **滑动窗口机制**：帧序号位数 $n$ 决定可用序号空间 $[0, 2^n-1]$，窗口大小不得超过序号空间的一半或总数（SR 要求 $W_T + W_R \le 2^n$）。

### 5. 介质访问控制（MAC）

#### 5.1 信道划分介质访问控制

基于**复用技术**，各节点共享信道而互不干扰：

| 方式 | 原理 | 典型应用 |
|:----|------|---------|
| 频分多路复用（FDMA） | 各节点占用不同频率 | 广播电视、ADSL |
| 时分多路复用（TDMA） | 各节点占用不同时隙 | 2G GSM |
| 码分多路复用（CDMA） | 各节点使用正交码序列 | 3G 移动通信 |
| 波分多路复用（WDMA） | 各节点使用不同波长 | 光纤通信 |

#### 5.2 随机访问介质访问控制

| 协议 | 核心思想 | 特点 |
|:----|---------|------|
| ALOHA | 有数据直接发，冲突后随机等待重发 | 纯 ALOHA 利用率 $1/2e$，时隙 ALOHA $1/e$ |
| CSMA | 发前先听信道，忙则等待 | 非坚持/1-坚持/p-坚持三种策略 |
| CSMA/CD | 边发边听，检测到冲突立即停止（有线） | 用于以太网，最小帧长确保冲突检测 |
| CSMA/CA | 发前先预约信道（无线） | 用于 802.11 WLAN，避免隐蔽站问题 |

**CSMA/CD 要点**：

- 争用期（碰撞窗口）= $2\tau$（$\tau$ 为单程传播时延）
- 最小帧长 = 争用期 × 数据传输速率
- 二进制指数退避算法：第 $i$ 次冲突后从 $[0, 2^i-1]$ 随机选退避时间

#### 5.3 轮询访问介质访问控制

| 方式 | 原理 | 特点 |
|:----|------|------|
| 轮询（Polling） | 主节点依次询问从节点 | 无冲突，但有轮询开销和等待延迟 |
| 令牌传递（Token Passing） | 持有令牌的节点才能发送 | 用于令牌环网和令牌总线 |

### 6. 局域网

#### 6.1 以太网（Ethernet，IEEE 802.3）

**MAC 地址**：48 位全球唯一地址，前 24 位为 OUI（厂商代码），后 24 位为序列号。

**以太网帧格式**：
| 字段 | 前导码 | 定界符 | MAC 目的地址 | MAC 源地址 | 长度/类型 | 数据 | 填充 | FCS（CRC） |
|:----|:-----:|:-----:|:----------:|:--------:|:--------:|:---:|:---:|:--------:|
| 长度（B） | 7 | 1 | 6 | 6 | 2 | 46-1500 | 可变 | 4 |

> **最小帧长 64B**：保证在检测到冲突前帧尚未发送完毕（CSMA/CD 要求）。数据不足 46B 时需填充。

**以太网速率演进**：
| 标准 | 速率 | 介质 |
|:----|:---:|------|
| 10BASE-T | 10 Mbps | 双绞线 |
| 100BASE-T（快速以太网） | 100 Mbps | 双绞线 |
| 1000BASE-T（千兆以太网） | 1 Gbps | 双绞线/光纤 |
| 10GBASE-T（万兆以太网） | 10 Gbps | 光纤/双绞线 |

#### 6.2 虚拟局域网（VLAN）

- 基于交换机端口/MAC 地址/协议/IP 子网等划分逻辑工作组
- **IEEE 802.1Q 帧标记**：在标准以太网帧中插入 4B VLAN 标记（VID 12 位），最大 4096 个 VLAN
- 隔离广播域，提高安全性和灵活性

#### 6.3 无线局域网（WLAN，IEEE 802.11）

**CSMA/CA**：发送前先等待 DIFS，然后退避随机时间；接收方回复 ACK 前等待 SIFS。

**帧类型**：
| 类型 | 用途 |
|:----|------|
| 管理帧 | 关联、认证、信标（Beacon） |
| 控制帧 | RTS/CTS、ACK |
| 数据帧 | 传输上层数据 |

> **隐蔽站问题**：站 A 和 C 分别位于 AP 两侧，彼此无法感知对方发送，使用 RTS/CTS（请求发送/允许发送）解决。

### 7. 广域网

#### 7.1 PPP 协议（点对点协议）

- 提供**点对点**链路上的数据封装
- 三个组件：HDLC 封装、LCP（链路控制协议）、NCP（网络控制协议）
- **透明传输**：异步链路用字符填充法，同步链路用零比特填充法
- 无需流量控制和纠错（只做检错）

> PPP 常用于拨号上网、PPPoE（以太网上的 PPP，宽带接入）。

#### 7.2 HDLC 协议（高级数据链路控制）

- 面向比特的同步链路控制协议
- 三种站：主站（命令）、从站（响应）、复合站
- 三种帧：**信息帧（I）**、**监控帧（S）**、**无编号帧（U）**
- 使用零比特填充法透明传输

**PPP vs HDLC**：
| 特性 | PPP | HDLC |
|:----|:---:|:----:|
| 面向方式 | 字节 | 比特 |
| 透明传输 | 字符填充/零比特填充 | 零比特填充 |
| ACK | 不需要 | 需要 |
| 差错控制 | 只检错 | 检错 + 重传 |
| 流量控制 | 不支持 | 滑动窗口 |

### 8. 数据链路层设备

| 设备 | 层级 | 转发依据 | 功能 |
|:----|:---:|---------|------|
| 网桥 | 2 | MAC 地址 | 隔离冲突域（不隔离广播域），连接两个网段 |
| 交换机 | 2 | MAC 地址 | 多端口的网桥，全双工，每个端口独立带宽 |

> **冲突域**：同一时刻只能有一台设备发送数据的区域（交换机每个端口独立冲突域）。
> **广播域**：广播帧能到达的范围（交换机不隔离广播域，VLAN 可隔离）。

**自学习算法**（交换机/网桥地址表建立）：
1. 收到帧时记录源 MAC 地址及入端口
2. 目的 MAC 在表中 → 只转发到对应端口
3. 目的 MAC 不在表中 → 从所有端口广播（洪泛）
4. 地址表条目有老化时间

**交换机三种交换方式**：
| 方式 | 转发时机 | 延迟 | 错误检测 |
|:----|---------|:---:|:-------:|
| 直通交换 | 只查目的 MAC 地址即转发 | 低 | 无 |
| 存储转发 | 完整接收一帧，查 FCS 无误后转发 | 高 | 完整检测 |
| 无碎片交换 | 接收前 64B（最小帧长）后转发 | 中 | 可滤除冲突碎片 |