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计算机网络期末复习笔记（并不犯困版+大白话版）-CSDN博客
前期理解：
数据链路层 核心传输单位 是帧，上层交给它的是数据，它把数据封装成帧再发送。
数据链路层不提供数据的可靠传输服务。
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数据链路层工作在相邻节点之间
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网络中主机、路由器、交换机等设备都要实现数据链路层功能
主机从 应用层 层层传递到物理层需要经过链路层；
交换机在解封和重新封装时，最高层时链路层；
路由器也一样，最高层为网络层，必然经过链路层。
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不同链路层可能采用不同协议，所以帧格式不一定相同
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从链路层看，关心的是"帧怎么在链路上流动"，不关心更上层细节
二、数据链路层主要解决三个问题：
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封装成帧
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透明传输
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差错检测
主要讲几个内容：
三个核心问题
封装成帧
如何加帧头帧尾
如何做帧定界
透明传输
- 数据中如果出现帧定界标志(明明是数据里面的内容，却被误当成了帧定界符)，怎么办
差错检测
- 传输过程中帧是否出错，出错如何处理
一、数据链路层概述
1.在数据链路层中传输的数据单位（协议数据单元PDU）
2.数据链路层的两类信道
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点对点信道
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一对一通信
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代表协议：PPP PPP 是点对点链路的代表协议。
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应用场景
- 用户通过ppp协议向 ISP（网络服务提供商） 获得 IP 地址，再进行数据传输
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PPP 帧格式
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帧定界符：0x7E
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地址字段：0xFF
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控制字段：0x03
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协议字段：2 字节
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信息字段：可变长，通常不超过 1500 字节
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FCS：帧校验序列
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PPP 协议字段常考值
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0x0021：IP 数据报
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0x8021 ：网络控制数据NCP
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0xC021 ：链路控制数据LCP
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0xC023 ：鉴别数据PAP 认证
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0xC223 ：鉴别数据CHAP 认证
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PPP 的特点
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PPP 是面向字节的，所有的PPP 帧的长度都是整数字节。
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典型 MTU最大传送单元 为 1500 字节
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PPP 的透明传输
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异步传输
- 用字节填充
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同步传输
- 用零比特填充
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字节填充重点
这种方法用于以特殊字符（如
7E）作为帧的边界。为了防止数据内容中也出现
7E导致误判帧结束，需要对特殊字符进行转义。-
规则：
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7E被转义为7D 5E -
7D（转义字符本身）被转义为7D 5D
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例子：
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发送的数据：
7D 5EFE 277D 5D7D 5D657D 5E -
转换过程：
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7D 5E是转义后的结果，还原为7E。 -
FE 27正常数据，保持不变。 -
7D 5D是转义后的结果，还原为7D。 -
7D 5D是转义后的结果，还原为7D。 -
65正常数据，保持不变。 -
7D 5E是转义后的结果，还原为7E。
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结论 ：还原后的"真正的数据"应该是：
7E FE 27 7D 7D 65 7E。
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零比特填充重点
这种方法用于比特流传输，以
01111110作为帧定界符。为了防止数据内容中出现连续的 6 个 1（从而被误判为定界符），需要在数据中强制插入 0。
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规则 ：只要发现连续的 5 个 1 ，无论后面紧跟的是什么，都在后面强制插入一个 0。
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例子：
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原数据：
01101111111111100 -
寻找过程：
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前 5 位
01101(没有连续 5 个 1) -
接着读到
11111(发现 5 个 1 了！) -
插入 0 ，变成
011011111011111... -
继续往后看，又遇到
11111(又是 5 个 1！) -
再插入 0 ，变成
...11111011111000
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结果 ：填充后的数据为
011011111011111000。
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PPP 的工作状态 PPP 连接建立过程可以记成：
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先建物理链路
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再建 LCP
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再做认证
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再做 NCP
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断开时反过来释放
物理层连接建立 ->LCP 配置协商
->鉴别
- 成功或无需鉴别后进入下一步
->NCP 配置协商
- 分配临时 IP 地址
->链路打开后开始通信
->通信结束后：
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先释放 NCP
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再释放 LCP
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最后释放物理连接
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广播信道
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一对多通信
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需要共享信道协调机制
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代表：以太网
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以太网属于广播信道
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目前是最常用的局域网技术
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主要标准：
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DIX Ethernet V2
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IEEE 802.3
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以太网体系结构
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物理层
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数据链路层
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以太网帧格式
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以太网 MAC 帧的最小有效数据长度要满足要求
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数据太短会补齐到最小长度
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以太网帧中目的地址和源地址都是 MAC 地址
- 长度：48 位
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以太网帧各部分
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前同步码：7 字节
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帧开始定界符：1 字节
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目的地址：6 字节
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源地址：6 字节
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类型：2 字节
以太网类型字段常考值
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0x0800：IPv4
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0x0806：ARP
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0x8100：802.1Q VLAN
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0x86DD：IPv6
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数据：46 ~ 1500 字节
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FCS：4 字节
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FCS 使用 CRC
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以太网中的通信方式
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单播
- 一对一
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组播/多播
- 一对多
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广播
- 一对所有
如何判断？
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看目的 MAC 地址
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广播地址 ：
FF-FF-FF-FF-FF-FF -
单播和组播的区别：
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看目的地址第一个字节的最低位
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0：单播
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1：组播
2)解析：目的地址的第一个字节是 54 ，54写成二进制->
5 = 0101 4 = 0100合起来是：
0101 0100,最低为是0->单播 -
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以太网的几个重要特征
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以太网上以帧为单位传输
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以太网上传送帧时，各帧之间要求必须有一定的间隔；
接收端只要找到帧开始定界符，后面连续的比特流就是同一帧，因此不需要帧结束符，也不需要使用字节插入保证透明传输。
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帧间最小间隔
- 9.6 μs ，相当于 96 bit 发送时间
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帧封装由网卡（网络适配器）完成
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网卡根据目的 MAC 地址决定是否接收：
网卡接收到数据后，根据帧中的目的MAC地址来判断是否由自己接收。
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二、差错检测
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常用指标 ：误码率 BERBit Error Rate
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含义：传输错误的比特 占 总比特数 的比例
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和信噪比关系很大
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数据链路层的差错处理方式
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在帧尾添加 装帧校验序列FCS
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接收端用 FCS 做检错
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检出错误后通常直接丢弃 ，不向发送端反馈
->所以数据链路层不提供可靠传输服务
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常见校验码
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CRC 循环冗余码
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特点：
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只能检错
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不能纠错
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不能保证可靠传输
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CRC 循环冗余码计算步骤 考试很爱考计算题，步骤一定要清楚：
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已知原始数据 M 和生成多项式 P
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设生成多项式最高幂为 n
- 那么冗余码位数就是 n 位
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将原始数据 M 左移 n 位->也就是后面补 n 个 0
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用这个结果 除以(进行二进制除法) 生成多项式 P
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得到的余数就是冗余码 R
- 如果余数不足 n 位，前面补 0
补例题：
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三、Wireshark 抓包
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Wireshark 是常用抓包工具
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作用：读取网络接口上的数据包并按协议分析
常用过滤
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地址过滤
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ip.dst == 192.168.101.8destination->目的地
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ip.src == 1.1.1.1source源头->源地址
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协议过滤
http
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端口过滤
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tcp.port == 80 -
tcp.dstport == 80 -
tcp.srcport == 80
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多条件过滤
- 用
and、or
- 用
四、以太网的发展与组网
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以太网发展很快
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•标准以太网：10base-2、10base-5、10base-T
•快速以太网：100base-TX、100base-T4、100base-FX
•吉以太网网：1000base-SX、1000base-LX、1000base-CX、1000base-T
•10G以太网：10Gbase-SR、10Gbase-LR、10Gbase-ER、10Gbase-CX4、10Gbase-T
•40G以太网、100G以太网、200G以太网、400G以太网......
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一个重要结论
- 以太网技术不断发展，但帧格式基本不变
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早期以太网与碰撞
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以太网早期：
•使用 同轴电缆（10base-5、10base-2）作为传输介质 组建 总线型拓扑网络，数据 以广播的方式在传输，必然会存在碰撞的情况。
•使用 双绞线 作为传输介质，集线器作为 中央转发设备组建的星型网络，由于集线器也是以广播的方式发送数据，所以也会产生碰撞。
•我们把这种类型的以太网习惯称为 共享式以太网 ，它们工作在半双工下。
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解决碰撞问题------CSMA/CD
共享式以太网 用 CSMA/CD 解决碰撞问题。
CSMA/CD工作原理可以概括如下：
1：先听后说，边听边说
2：一旦冲突，立即停说
3：等待时机，然后再说
CSMA/CD 的基本过程
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先监听信道
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如果信道空闲，等待 96 bit 时间后再发送（确保安全）
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发送过程中继续检测碰撞
如果检测到碰撞：
- 停止发送->发送干扰信号->等待随机时间->按二进制指数退避算法重发
重点
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只适用于共享式以太网、半双工环境
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全双工下不发生碰撞
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最短有效帧长
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10 Mbps 以太网争用期：
- 51.2 μs
以太网的 端到端往返传输时延 2τ 称为争用期
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在争用期内可发送的比特数：
51.2 μs × 10 Mbps = 512 bit = 64 字节
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结论：
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最短有效帧长 = 64 字节
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小于 64 字节的帧通常认为是碰撞导致的无效帧
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以太网扩展设备
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物理层设备
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中继器
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集线器
- 特点：只做信号转发，不解封装，工作在物理层
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数据链路层设备
- 网桥
- 交换机
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特点：根据 MAC 地址表 转发，查表依据是目的 MAC 地址，工作在数据链路层
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问1：交换机工作时会不会有碰撞出现？
工作在半双工时，会出现碰撞，使用CSMA/CD解决。
工作在全双工时，不会出现碰撞。
习惯于把使用交换机组网的以太网 称为交换式以太网。
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问2：网络中环路存在的意义？
环路存在会对网络产生什么负面影响？
怎么解决这种负面影响？
->
Ø 环路存在的意义：起到冗余备份的作用。
Ø 环路的负面影响：数据在环中循环发送 ，会导致广播风暴
Ø 解决环路的问题：STP（IEEE802.1D）
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问3：在没有采取任何措施的情况下，一个广播包能够到达的范围（广播域）有多大？
如何限制广播域的范围？
->
Ø 广播域范围 是 所有交换机连接的网络范围
Ø 限制广播域的方法：对网络划分不同的VLAN（IEEE802.1Q，虚拟局域网），将广播域限制在一个VLAN中
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问4：划分VLAN后，交换机怎么判断接收的数据属于哪一个VLAN？
->
虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为 VLAN 标记 (tag);
用来指明发送该帧的计算机属于哪一个虚拟局域网。
插入 VLAN 标记得出的帧 称为 802.1Q 帧 或 带标记的以太网帧。
802.1Q 标记结构
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4 字节
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其中 VLAN ID 为 12 位
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可支持 4096 个 VLAN
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还包含用户优先级 PRI、CFI 等信息
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插入 VLAN 标记后
- 最大帧长从 1518 字节 变成 1522 字节
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Access 端口与 Trunk 端口
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Access 端口
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连接计算机
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只能属于一个 VLAN
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发送不带标签的帧（untagged）
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Trunk 端口
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交换机之间连接
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可以属于多个 VLAN
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必须打标签（tagged）
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用于跨交换机传输同一 VLAN 的数据
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VLAN 间与跨交换机通信
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Access 口 ：只给电脑用的，因为电脑不懂 VLAN。它连接时会把 VLAN 标签去掉。
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Trunk 口 ：只给交换机之间用的。它能同时传多个 VLAN 的数据，方法是给数据贴上"标签"，防止弄混。
结论：
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相同 VLAN 跨交换机 ：因为交换机之间必须能识别多部门（多 VLAN）数据，所以必须用 Trunk（贴标签），不能用 Access（因为 Access 会强行把标签撕掉，导致数据混乱或丢失）。
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不同 VLAN 通信：VLAN 本质上就是为了"互不干扰"，想跨部门交流，必须找"三层设备（路由器）"做路由转发，这是规则。
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以太网宽带接入
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以太网宽带接入特点
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双向宽带通信
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可灵活升级带宽
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可实现端到端以太网传输
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中间不必转换帧格式
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缺点
- 不支持用户身份鉴别
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PPPoE
•PPP over Ethernet：在以太网上运行 PPP。
将 PPP 帧封装到以太网中来传输。现在的光纤宽带接入 FTTx 都要使用 PPPoE 的方式进行接入。
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