【计网速通】计算机网络核心知识点和高频考点——数据链路层（一）

数据链路层核心知识点（一）

一、数据链路层概述

1.1 基本概念

数据链路层位于OSI模型的第二层，介于物理层和网络层之间，主要负责在相邻节点之间传输和识别数据帧。

1.2 主要功能

• 帧同步：识别帧的开始和结束
• 差错控制：检测和纠正传输错误
• 流量控制：协调发送方和接收方的速率
• 链路管理：建立、维护和释放数据链路
• 透明传输：确保任何比特组合都能传输

1.3 两种信道类型

1. 点对点信道：一对一通信（如PPP协议：点对点协议）
2. 广播信道：一对多通信（如以太网）

二、数据链路层的三个重要问题

2.1 封装成帧

基本概念

将网络层传下来的IP数据报添加首部和尾部，形成帧。

帧结构

| 帧首部 | 数据部分 | 帧尾部 |

• 帧定界：通过特殊字符标识帧的开始和结束
• 最大传输单元(MTU)：帧中数据部分的最大长度

常用方法

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（1）字符计数法（Character Count）

基本原理

在帧首部使用固定长度字段（通常1字节）标明帧中**字符（byte）**的总数。

帧格式示例

| 计数字段(1字节) | 数据部分 | 

示例：'\x06''H''E''L''L''O' 表示包含(包括自己的）6个字符的帧

特点

• 优点：实现简单
• 缺点 ：
  • 计数字段出错会导致后续所有帧错位（灾难性错误传播）
  • 无法支持变长帧（受限于计数字段长度）

应用场景

早期网络协议（如DECNET），现代网络已基本淘汰

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（2） 字符填充法（Character Stuffing）

基本原理

使用特定字符作为帧定界符：

• 开始符：ASCII字符DLE STX（0x02）
• 结束符：ASCII字符DLE ETX（0x03）
• 转义字符：DLE（Data Link Escape，0x10）

处理规则

1. 数据中出现DLE时，插入额外DLE实现透明传输

示例：传输的数据"DLE" → 传输时运输的数据"DLE DLE"

2. 接收方遇到连续两个DLE时删除一个，只解析第一个DLE转移字符后的数据部分

帧格式示例

| DLE STX | 数据部分（填充后） | DLE ETX |

特点

• 优点：兼容性强（支持任意字符传输）
• 缺点 ：
  • 效率低（需插入额外字符）
  • 仅适用于文本传输（不适用于二进制数据）

典型协议

BISYNC协议（IBM二进制同步通信协议）

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(3) 比特填充法（Bit Stuffing）

基本原理

使用特定比特模式作为帧定界标志：

• 帧定界符：01111110（0x7E）
• 填充规则：数据中出现连续5个1时自动插入1个0

防止数据中传输的数据可能会出现判定帧定界符错误的问题

工作流程

1. 发送方：
   • 遇到11111时插入0 → 发送111110
   • 始终保持帧间隔符01111110的唯一性
2. 接收方：
   • 删除连续5个1后的0
   • 遇到01111110识别为帧边界

帧格式示例

01111110 | 数据部分（填充后） | 01111110

特点

• 优点 ：
  • 高效（比特级操作）
  • 完美支持二进制数据传输
• 缺点：实现复杂度较高

典型协议

HDLC、PPP协议

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(4) 违规编码法（Physical Layer Violation）

基本原理

利用物理层冗余编码规则实现帧定界：

• 使用物理层未定义的信号状态作为标志
• 示例：曼彻斯特编码中的"高-高"或"低-低"电平组合

实现方式

编码类型	正常信号	违规信号
曼彻斯特	位中间跳变	持续高/低电平
差分曼彻斯特	位开始跳变	无跳变

帧格式示例

[违规信号] | 正常编码数据 | [违规信号]

特点

• 优点 ：
  • 无需占用数据位
  • 定界信号100%可靠
• 缺点：依赖特定物理层编码方式

典型应用

IEEE 802.3以太网（前导码使用7字节0xAA+1字节0xAB）

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四种方法对比总结

方法	定界方式	透明传输方案	效率	复杂度	适用场景
字符计数法	首部长度字段	无	高	低	已淘汰
字符填充法	特定字符	DLE（SEC）转义	低	中	文本传输
比特填充法	特殊比特模式	零比特插入	高	高	二进制数据传输
违规编码法	物理层违规信号	物理层区分	最高	中	特定编码系统

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考研高频考点

1. 比特填充法流程（必考计算/简答）

   • 给出数据部分，要求写出填充后的帧
   • 示例 ：数据011011111011111101 → 填充后01101111100 1111100 1

2. 透明传输问题分析

   • 判断给定场景应使用哪种方法
   • 典型题干 ："当数据中出现大量0x7E时，应采用___实现透明传输"
     （比特填充）

3. 方法缺陷比较

   • 字符计数法的错误传播问题
   • 字符填充法的效率瓶颈

4. 协议与方法对应关系

   • PPP协议 → 比特填充法
   • BISYNC协议 → 字符填充法
   • 以太网 → 违规编码法（前导码）+ 比特填充法（MAC帧内）

2.2 透明传输

问题描述

当数据部分出现与帧定界符相同的比特组合时，如何区分是数据还是控制信息。

解决方案

1. 字节填充：在特殊字符前插入转义字符
2. 比特填充：在连续5个1后插入0

2.3 差错控制

差错类型

1. 位错：比特位翻转（1变0或0变1）
2. 帧错：帧丢失、重复或失序

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检错技术

(1) 奇偶校验（Parity Check）

基本原理：

• 在数据位后添加1位校验位，使整个码字中"1"的个数满足特定奇偶性
• 奇校验：1的总数为奇数
• 偶校验：1的总数为偶数

实现步骤：

1. 发送方计算数据位中1的个数
2. 根据校验类型（奇/偶）设置校验位
   • 奇校验：若数据中1的个数为偶数，校验位置1
   • 偶校验：若数据中1的个数为奇数，校验位置1
3. 接收方验证1的总数是否符合约定

示例：

• 数据10100011（4个1）
  • 奇校验码：101000111（总1数=5，奇数）
  • 偶校验码：101000110（总1数=4，偶数）

特点：

• 优点：实现简单，开销小（仅1位校验）
• 缺点：
  • 只能检测奇数位错误
  • 无法定位错误位置
  • 漏检率高达50%（偶数位错误无法检测）

应用场景：

• 低速串行通信（如UART）
• 内存错误检测（早期RAM）

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(2) 循环冗余校验（CRC, Cyclic Redundancy Check）

核心思想：

• 将数据位串 视为多项式系数 （如1101 → ( x³ + x² + 1 )）
• 通过模2除法计算校验码（余数作为FCS）

关键参数：

• 生成多项式 ：预先约定的除数（如CRC-16：( x¹⁶ + x¹⁵ + x² + 1 )）
• 校验位长度：生成多项式最高次幂（如CRC-16为16位，r=16）

计算步骤：

1. 数据左移n位低位补0（n=生成多项式次数）
2. 用生成多项式(数据位串）作除数对扩展后的数据做模2除法
3. 将余数（r位）作为FCS附加到原数据后

示例：

• 数据：1101011011
• 生成多项式：( x⁴ + x + 1 )（10011）(最高次幂为4）

1. 数据左移4位：11010110110000

2. 模2除法（不进位借位的异或运算）：

    	    ____1100001010_
    10011 /11010110110000
    		10011
    		--------------
    		 10011
    		 10011
    		---------------
    		  00001
    		  00000
    		  -------------
    		   00010
    		   00000
    		   ------------
    		    00101
    		    00000
    		    -----------
    		     01011
    		     00000
    		     ----------
    		      10110
    		      10011
    		      ---------
    		       01010
    		       00000
    		       --------
    		        10100
    		        10011
    		        -------
    		         01110
    		         00000
    		         ------
    		          1100

3. 发送帧：11010110111110

检错能力：

• 可检测所有奇数位错误
• 可检测所有双比特错误
• 可检测所有长度≤r的突发错误（r为校验位长度）
• 漏检率：1/2^r

典型标准：

标准	生成多项式	应用场景
CRC-8	( x8 + x2 + x + 1 )	ATM信头
CRC-16	( x16+ x15 + x2 + 1 )	Modbus协议
CRC-32	( x32 + ... + 1 )	以太网、ZIP文件

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纠错技术：海明码（Hamming Code）

1. 基本原理

• 在数据位中插入多个校验位 ，构建冗余关系
• 通过校验方程定位错误位置并纠正

2. 校验位计算

• 设数据位为m，校验位为r，满足：

  2^r ≥ m + r + 1

• 校验位位置：位于2的幂次方位（1,2,4,8,...）

3. 编码步骤（以4位数据1011为例）

1. 确定校验位数：

   • m=4 → 最小r=3（因( 2³=8 ≥ 4+3+1 )

2. 构建码字位置：

   位置： 1(校验) 2(校验) 3 4(校验) 5 6 7
   值：   _       _      1 _       0 1 1

3. 计算校验位：

   • P1（位置1）：覆盖所有位置号第0位为1的位（1,3,5,7）

     P1 = D3 ⊕ D5 ⊕ D7 =  1⊕0⊕1 = 0

   • P2（位置2）：覆盖所有位置号第1位为1的位（2,3,6,7）

     P2 = D3 ⊕ D6 ⊕ D7 = 1⊕1⊕1 = 1

   • P4（位置4）：覆盖所有位置号第2位为1的位（4,5,6,7）

     P4 = D5 ⊕ D6 ⊕ D7  = 0⊕1⊕1 = 0

4. 完整码字：

   位置： 1   2   3   4   5   6   7
   值：   0   1   1   0   0   1   1

4. 检错与纠错

1. 接收方重新计算校验方程：

   • ( S₁ = P₁ ⊕ D₃ ⊕ D₅⊕ D₇ )
   • ( S₂ = P₂ ⊕ D₃ ⊕ D₆ ⊕ D₇ )
   • ( S₄ = P₄ ⊕ D₅ ⊕ D₆ ⊕ D₇ )

2. 错误位置：

   错误位置 = S₄ S₂ S₁ (二进制)

   • 示例：若D3出错（位置3）：
     • ( S1=1, S2=1, S4=0 ) → 011=3

5. 特点

• 纠错能力 ：仅能纠正单比特错误
• 检错能力：可检测双比特错误（无法纠正）
• 效率：校验位占比随数据长度增加而降低

6. 海明距离

• 定义：两个等长码字间不同位的个数
• 关系 ：
  • 检测e个错误：码距 ≥ e+1
  • 纠正t个错误：码距 ≥ 2t+1

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技术对比

技术	类型	冗余度	能力	复杂度	典型应用
奇偶校验	检错	1位	检测奇数位错误	低	串口通信
CRC	检错	16-32位	检测多种错误模式	中	以太网/磁盘存储
海明码	纠错	log₂n位	纠正单比特错误	高	ECC内存/卫星通信

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考研真题示例

真题1（2016年-35）

题目：采用CRC校验，生成多项式为( x^3 + 1 )，数据为101001，求校验码。

解答：

1. 生成多项式1001（( x^3 + 1 )）

2. 数据左移3位：101001000

3. 模2除法：

   101001000
   ⊕ 1001
   --------
     001101
   ⊕   1001
   --------
       1110 → 余数`110`

4. 校验码：110

真题2（2020年-37）

题目：海明码编码，信息位1010，求编码后的码字。

解答：

1. m=4 → r=3（( 2^3 \geq 4+3+1 )）

2. 码位布局：

   位置：1 2 3 4 5 6 7
   数据：_ _ 1 _ 0 1 0

3. 计算校验位：

   • P₁ = D₃⊕D₅⊕D₇ = 1⊕0⊕0 = 1
   • P₂ = D₃⊕D₆⊕D₇ = 1⊕1⊕0 = 0
   • P₄ = D₅⊕D₆⊕D₇ = 0⊕1⊕0 = 1

4. 完整码字：1 0 1 1 0 1 0

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三、可靠传输机制

3.1 停止-等待协议(Stop-and-Wait)

基本原理

• 发送方发送一帧后停止，等待接收方确认
• 收到确认后再发送下一帧

关键问题

1. 超时重传：设置合理的超时计时器
2. 确认丢失：重复帧处理
3. 确认迟到：序列号机制

信道利用率

U = T_D / (T_D + RTT + T_A)

• T_D：发送数据时间
• RTT：往返时间
• T_A：发送确认时间

3.2 后退N帧协议(GBN)

基本原理

• 发送窗口大小W_T：1 < W_T ≤ 2ⁿ - 1
• 接收窗口大小W_R：1
• 累计确认机制

特点

1. 发送方可以连续发送多个帧
2. 接收方只按序接收
3. 出错时重传所有未确认帧

3.3 选择重传协议(SR)

基本原理

• 发送窗口大小W_T = 接收窗口大小W_R = 2^(n-1)(一般情况下）
• 单独确认机制

特点

1. 接收方可以缓存乱序到达的帧
2. 只重传真正丢失的帧
3. 效率高但实现复杂

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四、考研真题示例

真题1（2015年-36）

题目 ：

若数据链路层采用后退N帧协议发送数据，发送窗口尺寸为4，帧编号为3位，则发送方最多可发送多少帧？

解析 ：

对于后退N帧协议，发送窗口大小W_T ≤ 2ⁿ - 1 = 7。

题目给定W_T=4，因此最多可连续发送4帧。

真题2（2018年-37）（下节讲解知识）
题目 ：

以太网中，若最短帧长为64B，信号传播速率为2×10^8m/s，网络带宽为100Mbps，求最大网络跨距。
解析：

1. 发送最短帧时间 = (64×8)/10⁸ = 5.12μs
2. 争用期 = 2τ = 5.12μs → τ = 2.56μs
3. 最大跨距 = 2.56×10^-6 × 2×10⁸ = 512m

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附：重要公式速查

1. 海明码校验位数 ：
   2^r ≥ k + r + 1

2. CRC校验 ：
   FCS = 数据 × 2^n mod 生成多项式

3. 信道利用率（停止等待） ：
   U = T_D / (T_D + RTT + T_A)

4. 最小帧长（以太网） ：(下节讲解）
   L_min = 2τ × 带宽

上文链接:https://blog.csdn.net/weixin_73492487/article/details/146455322