计算机网络中科大 - 第6章 链路层（详细解析）

📘 第六章：数据链路层与局域网（链路层）——优化整合笔记

🧠 本章目标

• 理解数据链路层的作用和服务模型
• 掌握差错检测与纠正方法（如CRC、奇偶校验）
• 熟悉多路访问协议（ALOHA、CSMA/CD、CSMA/CA等）
• 理解以太网、交换机、MAC地址、ARP协议
• 掌握无线局域网的MAC机制与帧格式（802.11）
• 了解链路虚拟化（MPLS）与数据中心网络

🔹 一、链路层引论与服务模型

📌 服务类型

• 成帧（Framing）：数据报封装成帧，附加头部、尾部
• MAC地址寻址（物理地址）
• 差错检测与纠正（EDC、CRC、奇偶校验）
• 流量控制与可靠传输（局部）
• 多点接入与媒介共享协调

📌 实现位置

• 链路层在主机/路由器/交换机的适配器（NIC）中实现
• 混合形式：硬件 + 软件 + 固件

🔹 二、差错检测与纠正技术

✅ 奇偶校验

• 单比特奇偶校验：检测单个比特错误
• 二维奇偶校验：可检测并纠正单比特错误

✅ 校验和（Internet Checksum）

• 将报文段看作多个16位整数
• 使用1的补码加和，取反作为校验和

✅ CRC（循环冗余检验）

• 强大的差错检测方法
• 数据比特D和生成多项式G
• 接收端将(D+CRC)除以G：若余数为0则无错

🔹 三、多点访问协议（MAC）

✅ MAC协议分类

📌 ALOHA

• 纯ALOHA效率：1/2e ≈ 18%
• 时隙ALOHA效率：1/e ≈ 37%

📌 CSMA协议族

• CSMA：发送前先监听信道
• CSMA/CD（有线以太网）：检测冲突后停止传输并退避
• CSMA/CA（无线WLAN）：避免冲突，使用RTS/CTS机制

📌 IEEE 802.11 CSMA/CA流程

1. DIFS空闲时监听信道
2. 若忙则回退，倒计时至0发送
3. 接收方收到帧后返回ACK

🔹 四、以太网与局域网技术

✅ MAC地址与ARP协议

• MAC地址：48位物理地址，全球唯一
• ARP协议：将IP地址解析为MAC地址
• 使用广播查询 + 单播响应

✅ 以太网技术特点

• 无连接、不可靠：不确认、不重传
• 帧结构：前导码+目标地址+源地址+类型+数据+CRC

✅ CSMA/CD算法（以太网）

1. 监听信道
2. 空闲则发送
3. 发送中检测冲突：发送Jam信号
4. 进入指数退避后重试（最多重试16次）

✅ 网络硬件拓扑

• 星型：主流（连接交换机）
• 总线型：早期
• Hub：物理层设备，广播转发
• Switch（交换机）：链路层设备，自学习MAC转发表

🔹 五、交换机与帧转发机制

📌 交换机功能

• 接收帧、缓存、查表、选择性转发（基于目标MAC）
• 各端口独立碰撞域，支持全双工通信

📌 自学习机制

• 接收到帧时，记录源MAC与端口映射
• 目标未知则广播（Flooding）
• 表项设有TTL自动过期

🔹 六、无线局域网（WLAN）802.11

✅ 架构

• 基站模式（AP连接Internet）
• 自组织模式（ad hoc，无AP）

✅ 帧传输机制（CSMA/CA）

• RTS-CTS预约机制：解决隐藏终端
• 每帧需确认（ACK）
• 重传采用回退机制（避免冲突）

✅ 帧格式

• Address 1：接收者
• Address 2：发送者
• Address 3：网关/路由器MAC
• Address 4：仅用于自组织网络

🔹 七、链路虚拟化：MPLS

• 使用标签替代IP地址路由
• 支持多种网络层协议（IP、ATM）
• 标签交换路径（LSP）提高转发速度与灵活性

🔹 八、数据中心网络

• 分层结构：核心层-汇聚层-接入层
• 关注冗余、负载均衡、容错性
• 使用链路聚合、交换冗余路径等技术

🔹 九、案例：Web请求中的链路层操作

• 用户点击页面 → DNS查询（ARP）→ HTTP请求 → TCP/IP封装
• 数据帧通过多个链路跳数 → 以太网交换 → 无线接入 → 最终抵达服务器

✅ 总结表格：常见链路层协议对比

🎯 关于场景化案例：当你在浏览器中打开 www.example.com 时，链路层发生了什么？

🌐 背景设定

你用笔记本电脑通过无线网络连接到家中的Wi-Fi，尝试访问网页 www.example.com。

🔹 一、从应用层请求触发到底层封装启动

💡 步骤 1：DNS解析请求被发出

• 浏览器发出DNS查询请求，准备将 www.example.com 解析成 IP 地址。
• 应用层 → 传输层（UDP） → 网络层（封装目的IP地址） → 链路层。

🔁 链路层操作：

• 检查本地ARP缓存中是否存在DNS服务器的MAC地址。
• 若没有，链路层广播ARP请求，查询对应MAC地址。
• 收到ARP响应后，链路层将DNS请求封装成以太网帧，准备发送。

🔹 二、封装与介质访问控制（MAC）

💡 步骤 2：链路层封装帧结构（以太网）

• 源MAC地址：你的网卡地址（例如 A1-B2-C3-D4-E5-F6）
• 目的MAC地址：DNS服务器网关的MAC地址
• 数据字段：IP封装的DNS请求
• CRC校验：链路层尾部附加冗余码校验错误

🧠 延伸知识点：帧结构包含

[前导码][目标MAC][源MAC][类型][数据][CRC]

💡 步骤 3：无线环境下的传输（802.11）

• 采用 CSMA/CA 协议：
  • 等待DIFS间隔，监听信道是否空闲；
  • 若忙，退避一段时间；
  • 倒计时至0，开始发送；
  • 使用 RTS/CTS 协议避免冲突；
  • 等待ACK确认后完成一次帧传输。

🔹 三、交换机接收与帧转发逻辑

💡 步骤 4：帧从你家路由器交换机传出

• 家庭无线路由器的 交换机模块 接收帧；
• 若目标MAC未知，广播该帧；
• 接收到响应帧后，交换机将源MAC与端口绑定（自学习机制）；
• 转发后续相关帧至正确端口（不再广播）。

🔹 四、数据中心与远端服务器响应

💡 步骤 5：链路层穿越多个跳点

• 帧穿越多层接入交换机、聚合交换机和核心交换机；
• 数据中心可能使用 MPLS链路虚拟化技术：
  • 将IP数据报转化为MPLS标签帧；
  • 路由基于标签而非IP查表，提升转发效率；
  • MPLS标签在入站/出站处剥离/添加。

🔹 五、服务器回应网页数据，链路层再次介入

💡 步骤 6：服务器返回HTTP响应

• 同样需要从服务器 MAC → 客户MAC；
• 若服务器中间多为以太网交换，全部依据目标 MAC 转发；
• 局部链路错误由链路层检测并丢弃（如 CRC 校验失败）；
• 帧级确认机制保证可靠交付（如WLAN ACK机制）。

🔹 六、错误控制与多访问协议的作用

📌 差错控制应用

• CRC差错检测保证数据帧未被破坏；
• 有线环境使用 CSMA/CD 避免冲突（交换机减少冲突概率）；
• 无线环境使用 CSMA/CA + ACK 来确认每帧是否成功。

📌 多访问机制应用

✅ 结尾小结：链路层中的关键点在整个过程中扮演了哪些角色？