【计算机网络】第三章数据链路层知识点及经典例题汇总_某局域网采用csma/cd协议实现介质访问控制 csdn

知识点

1、数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：
 点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。
 广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。
2、传输的基本单位：帧
3、三个基本问题：封装成帧、透明传输、差错控制
4、封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

5、解决透明传输问题
发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)。
 字节填充(byte stuffing)或字符填充(character
stuffing)——接收端的数据链路层在将数据送往
网络层之前删除插入的转义字符。
 如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

6、在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。在发送端，先把数据划分为组。假定每组k 个比特。假设待传送的一组数据
M = 101001（现在k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的n位冗余码一起发送。
冗余码的计算举例
现在k = 6, M = 101001。设n = 3, 除数P = 1101，被除数是 2ⁿM =101001000。模 2 运算的结果是：商Q = 110101，余数R = 001。把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。发送的数据是：2ⁿM + R
即：101001001，共 (k + n) 位。

(1) 若得出的余数R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。
(2) 若余数R ≠ 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。
但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。
只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小
7、在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。
 CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。
 FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。
8、零比特填充：PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除，
9、为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层、媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。
10、CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。
“ 多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“ 载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。
使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）
①假定站点 A 和站点 B 进行通信：
（1）A 和 B 能够检测到冲突的最短和最长时间：
最短时间：τ，对应 A 和 B 同时发出信号，在 A 和 B 连线中点碰撞
最长时间：2τ，对应 A 或者 B 一方先发出信号，当该信号刚刚传到 B 或者 A 时，B 或者 A 正好发出信号碰撞。
（2）τ：A 和 B 的端到端传播时延，（3）争用期：2τ
（4）最短帧长：2τ*数据传输速率
（5）对于 10Mb/s 的以太网，最短帧长为 64 字节，如果发送的数据帧少于 64 字节，就必须进行填充，凑够 64 字节。
切实理解最短帧长：最短帧长的含义是在发送方发送完数据帧之前，能够检测到碰撞信号，由于检测到碰撞信号的最长时间是 2τ，只要保证在最长时间内检测到，那么其他时间一定可以检测到。
对照下面的图，理解上面的 5 点，就能解决所有 CSMD/CD 问题

11、无线局域网不能使用 CSMA/CD 协议的原因：
由于无线网络易受环境干扰和障碍物干扰，即使传输距离相同，物理位置不同的节点，所接收的信号强度也可能不同。若采用 CSMA/CD，可能会产生不均匀或检测不到冲突，很难实现边发送边检测。
12、无线局域网介质访问控制协议工作机制：
(1) 先进行载波检测，只有链路空闲才允许访问。
(2) 发送节点先发送 RTS 控制帧。
(3) 接收点收到 RTS 后，回送 CTS 响应。
(4) 发送方收到 CTS 后，启动时间片，发送数据。
(5) 接收方收到一个数据帧后，进行检查，无误后，发送 ACK 确认。
13、CSMA/CD 和 CSMA/CA 处理冲突时的不同：
(1) CSMA/CD 可以检测。但无法“避免”。CSMA/CA 发送时不能检测信道有无冲突，本节点上无冲突不代表接收节点无冲突。
(2) 传输介质不同。CSMA/CD 用于总线以太网，而 CSMA/CA 用于无线局域网。
(3) 检测方式不同，CSMA/CD 通过电缆中电压变化来检测；而 CSMA/CA 采用能量检测， 载波检测和能量混合检测。
14、流量控制机制
①停止等待协议：发送窗口和接收窗口均为 1
②后退 N-帧协议：发送窗口＞1，接收窗口=1
③选择重传协议：发送窗口＞1，接收窗口＞1
15、 后退 N-帧协议的发送窗口尺寸＜2^n-1，为什么？
为了防止窗口发生重叠，便于区分数据传输的情况：是正常发送还是失败重传。若为2ⁿ则难于区分是正常发送还是失败重传，因为序号会相同。
16、LLC 和 HDLC 异同
HDLC 实现了完整的数据链路层功能，数据链路层由 MAC 和 LLC 组成，LLC 封装在 MAC 中。LLC 帧地址是服务访问地址，不是物理地址。LLC 只定义了一种数据传输模式，简化了HDLC
17、二层交换机通过向后学习机制建立 MAC 表的原理
（1）当交换机从某个端口收到一个数据包，它先读取包头的源 MAC 地址，这样就知道源 MAC 地址是连在哪个端口上的
（2）再读取包头中的目的 MAC 地址，并在地址表中查找相应端口。
（3）如表中有与此目的 MAC 地址对应的端口，把数据包直接复制到这端口上
（4）如表中没有相应的端口则把数据包广播到所有端口上，当目的机器对源机器回应时，交换机可以学习，以此循环。
18、常考几个协议：
（1）IEEE 802.2：逻辑链路控制规范（LLC）
（2）IEEE 802.3：CSMA/CD 的规范
（3）IEEE 802.11：无线局域网规范
19、网桥的功能
①在数据链路层上实现局域网互连
②能够互连两个采用不同传输介质和不同传输速率的网络
③以接受、存储、地址过滤和转发的方式实现互连网络之间通信
④需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议
⑤可分割两个网络之间的通信量，有利于改善互联网性能
20、CSMA/CA 中的三种 IFS（SPD）
1）SIFS（短帧间间隔），用来分隔属于一次对话的各帧。常见 ACK、CTS 等
2）PIFS（点协调功能帧间间隔），为了开始使用 PCF 时优先接入到媒体中
3）DIFS（分布协调功能帧间间隔），在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧
21、截断二进制指数后退算法(truncated binary exponential type)：发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。确定基本退避时间，一般是取为争用期 2t。定义重传次数k，k≤10，即k = Min[重传次数, 10]。从整数集合[0,1,…, (2^k-1)]中随机地取出一个数，记为r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧
22、传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)。10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。
23、以太网的信道利用率
以太网的信道被占用的情况：争用期长度为 2t，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。

要提高以太网的信道利用率，就必须减小 t与 T0 之比。在以太网中定义了参数 a，它是以太网单程端到端时延 t与帧的发送时间 T0 之比

a→0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高。a 越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低
24、设：在稳定重载荷的情况下，有K个站点参与信道竞争。每个站在每个时隙中的发送概率为P。

25、以太网的 MAC 帧格式

26、以太网交换机的特点：
①每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。
②交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰
撞地传输数据。
③以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。
27、虚拟局域网VLAN是采用交换机技术，将原有网络分成若干个逻辑上的子网，逻辑子网也具有物
理子网相同的网络性能，一个VLAN是一个广播域。
28、速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。 在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的
星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。
29、吉比特以太网：
 允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。
 使用 802.3 协议规定的帧格式。
 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。
 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。

经典例题

1、假定 1km 长的 CSMA/CD 网络的数据率为 1Gb/s。设信号在网络上的传播速率为
200000km/s。求能够使用此协议的最短帧长。（公式：最短帧长=争用期 2τ*数据率）
答：1km 长的 CSMA/CD 网络的端到端传播时延 τ=1km/200000km/s=5us，2τ=10us，
在此时间内要发送 1Gb/s×10us=10000bit
只有经过这样一段时间后发送端才能收到碰撞的信息，也才能检测到碰撞的发生。因此，
最短帧长为 10000bit。
2、某局域网采用 CSMA/CD 实现介质控制访问。数据传输速率为 10Mbps，主机甲和乙之间
距离 2km，信号传播速度 200000km/s，
（1）甲乙发送数据发生冲突，从开始发送数据起，到均检测到冲突时刻，最短需要多长时
间？最长？
（2）若网络不存在任何冲突和差错，甲总以标准的最长以太网数据帧（1518B）向乙发送数
据，乙每成功收到一个数据帧立即向甲发送一个 64B 的确认帧，甲收到确认帧才发送下一个
数据帧，此时甲的有效数据传输速率多少？
答：（1）冲突时信号继续向两个方向传播，此时时间最短。为单传播时延。
t0=2km÷200000km/s=0.01ms
当甲发送的数据即将到达乙时，乙也开始发送（或甲乙互换角色）产生冲突，此时时间最长。
为 2 传播时延。t0’=2t0=0.02ms
（2）甲的数据帧的发送时延 t1=1518×8÷10=1.2144ms。
确认帧的发送时延 t2=64×8÷10=0.0512ms
因此甲的一趟总时间为 t=2t0+t1+t2=1.2856ms（公式：2τ+数据发送时延+ACK 发送时延）
则有效数据率=1500（有效数据）×8/t=9.33Mbps
3、现有两个站同时发送数据帧，当发生碰撞时，采用二进制指数退避机制，试计算重传一
次成功率？重传两次才成功的概率？一个站成功发送数据之前的平均重传次数？
答：一次成功：1-1/2=0.5 两次成功：1/2（第一次没成功）×(1-1/2×1/2)=3/8=0.375
平均重传次数=1×0.5+2×0.375+3×0.1094+……=1.64