计算机网络第三章笔记（一）

目录

一、数据链路层基础概念与功能

1.1基本术语

[1.2 核心功能](#1.2 核心功能)

1.3服务类型

[二、 数据链路层的三个核心问题](#二、 数据链路层的三个核心问题)

2.1封装成帧

2.1.1核心定义

2.1.2相关概念

[2.1.3 帧格式的核心字段](#2.1.3 帧格式的核心字段)

[2.2 透明传输](#2.2 透明传输)

[2.2.1 问题本质](#2.2.1 问题本质)

[2.2.2 实现方法](#2.2.2 实现方法)

[2.3 差错检测](#2.3 差错检测)

[2.3.1 差错类型](#2.3.1 差错类型)

[2.3.2 校验码](#2.3.2 校验码)

三、差错检测编码

[3.1 奇偶校验](#3.1 奇偶校验)

[3.1.1 核心原理](#3.1.1 核心原理)

[3.1.2 检错能力](#3.1.2 检错能力)

[3.2 海明校验](#3.2 海明校验)

[3.2.1 核心特性](#3.2.1 核心特性)

[3.2.2 关键公式](#3.2.2 关键公式)

[3.2.3 编码步骤](#3.2.3 编码步骤)

[3.2.4 纠错步骤](#3.2.4 纠错步骤)

[3.3 循环冗余校验（CRC）](#3.3 循环冗余校验（CRC）)

[3.3.1 核心特性](#3.3.1 核心特性)

[3.3.2 核心原理](#3.3.2 核心原理)

[3.3.3 生成多项式的规则](#3.3.3 生成多项式的规则)

[3.3.5 校验步骤](#3.3.5 校验步骤)

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一、数据链路层基础概念与功能

1.1基本术语

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| 术语 | 定义 |
| 链路 | 节点间的物理线路（有线/无线），无协议约束，仅负责比特传输 |
| 数据链路 | 物理链路 + 通信协议 + 软硬件（如网卡，含物理层+数据链路层功能） |
| 帧 | 数据链路层PDU，对等实体逻辑通信的基本单位，由首部+数据+尾部组成 |
| 透明传输 | 使数据链路层对上层交付的PDU内容无限制，可传输任意比特组合 |

1.2 核心功能

1. 封装成帧：给网络层IP数据报添加首部和尾部，形成帧

2. 透明传输：解决帧定界符与数据的冲突问题

3. 差错检测：检测帧在传输过程中的比特错（误码）

4. 可靠传输：可选功能，实现帧的无差错、不丢失、不重复、按序交付

5. 链路管理：面向连接协议（如HDLC）的链路建立、维护与释放

1.3服务类型

为网络层提供两种服务：无确认的无连接服务（如以太网）、有确认的无连接服务（如无线局域网）

二、 数据链路层的三个核心问题

2.1封装成帧

2.1.1核心定义

给网络层PDU添加首部和尾部 ，实现帧的定界，区分连续传输的不同帧

2.1.2相关概念

最大传送单元（MTU）

帧的数据载荷（网络层PDU）的最大长度，由数据链路层协议规定（以太网MTU为1500字节，PPP协议MTU可配置）

最大报文段长度（MSS）

TCP报文段的数据部分的最大长度（不含TCP首部），由TCP层协商

2.1.3 帧格式的核心字段

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| 协议 | 核心字段 | 功能 |
| 以太网V2 | 目的MAC地址、源MAC地址、类型字段、FCS序列 | 类型字段标识上层协议（如0x0800表示IP协议），FCS用于差错检测 |
| PPP | 标志字段（0x7E）、地址字段、控制字段、协议字段、FCS序列 | 标志字段用于帧定界，协议字段标识上层协议 |

2.2 透明传输

2.2.1 问题本质

解决帧定界符与数据内容冲突的问题（如数据中出现与帧标志字段相同的比特序列）

2.2.2 实现方法

1. 字节填充（字符填充）

   1. 适用场景：面向字节的协议（如PPP协议）

   2. 定界符：0x7E（帧开始和结束标志）

   3. 填充规则：

      • 发送方：数据中出现0x7E ，替换为0x7D 0x5E ；出现0x7D ，替换为0x7D 0x5D （即将原始的冲突字符减去0x2E， 再在前面加上0x7D）

      • 接收方：反向替换，恢复原始数据

2. 比特填充

   1. 适用场景：面向比特的协议（PPP协议）

   2. 定界符：01111110

   3. 填充规则：

      • 发送方：扫描数据，每遇到5个连续的1 ，在其后插入1个0

      • 接收方：扫描收到的帧，每遇到5个连续的1 ，删除其后的1个0

3. 以太网的特殊处理

   1. 通过8字节前导码（7字节同步码+1字节帧开始符）实现帧定界，无需帧结束符

   2. 以太网还规定了帧间间隔时间为96比特时间

2.3 差错检测

2.3.1 差错类型

• 比特错（误码）：信道失真导致比特翻转（1→0或0→1），数据链路层主要检测此类差错

• 分组丢失/失序/重复：由网络拥塞、链路故障等导致，数据链路层不处理，由上层（如TCP）负责

2.3.2 校验码

1. 码距（海明距离）

   1. 定义：两个等长二进制编码中，对应位不同的位数

   2. 编码集的码距：任意两个编码的最小码距 ，记为

2. 码距与检错、纠错能力的关系

   1. 检错能力：若要检测 位误码，需满足

   2. 纠错能力：若要纠正 位误码，需满足

   3. 同时检错纠错：若要检测 位误码并纠正 位误码（），需满足

三、差错检测编码

3.1 奇偶校验

3.1.1 核心原理

在原始数据后添加1位校验位，使整个编码（数据位+校验位）中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）

3.1.2 检错能力

码距，可检测1位误码 ，无法检测偶数位误码，无纠错能力

3.2 海明校验

3.2.1 核心特性

• 基于奇偶校验改进，可检测2位误码，纠正1位误码 ，编码集码距

• 局限性：无法可靠纠正2位及以上误码，仅适用于1位误码场景

3.2.2 关键公式

设原始数据位为，校验位为，需满足：

• 公式含义：个状态中，1个状态表示无错，剩余个状态用于标识位中某一位出错

• 示例：时，（），构成12位海明码

3.2.3 编码步骤

1. 确定校验位位置 ：校验位放在海明码中编号为2的幂次方 的位置，海明码编号从1开始

2. 确定数据位位置：原始数据位依次填充海明码中除校验位外的剩余位置

3. 分配校验组 ：将每个数据位的位置编号拆分为校验位位置编号的和，该数据位即归属于对应校验位的校验组（一个数据位可属于多个校验组）

4. 计算校验位值：每个校验位的值由其校验组内所有数据位的异或结果决定

3.2.4 纠错步骤

1. 接收方根据校验组重新计算每个校验位的预期值

2. 比较预期值与实际值，得到校验结果位（1表示出错，0表示无错）

3. 将校验结果位按顺序排列，得到出错位置编号，若为0则无错，否则纠正该位置的比特

3.3 循环冗余校验（CRC）

3.3.1 核心特性

• 专门针对突发性多比特误码，开销小、检错效率高，以太网、PPP、802.11均采用

• 检错能力：与生成多项式相关，可检测所有奇数位误码、所有长度小于等于 的突发误码（为 最高次幂）

• 局限性：无纠错能力，若检测到误码，直接丢弃帧；一般需要结合重传机制进行重传

3.3.2 核心原理

基于二进制模2运算 （无进位加法、无借位减法，等价于异或运算）的多项式除法，收发双方预先约定生成多项式

3.3.3 生成多项式的规则

必须包含最高次项 和最低次项 （即多项式系数的最高位和最低位均为1）

3.3.4 编码步骤

1. 多项式转换 ：将原始数据表示为多项式，生成多项式 的最高次幂为

2. 数据左移 ：将 左移 位，得到（即原始数据尾部添加 个0）

3. 模2除法 ：用 对 做模2除法，得到余数（冗余码，长度为 位，不足则补0）

4. 生成CRC码 ：CRC校验码 = 原始数据 + 冗余码（该码能被 整除）

3.3.5 校验步骤

1. 接收方将收到的CRC校验码表示为多项式

2. 用 对 做模2除法

3. 结果判断：余数为0则无错；余数不为0则存在误码，丢弃该帧