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引言

计算机网络的数据链路层是网络体系结构中至关重要的一层，负责将物理层提供的原始比特流转换成逻辑上无差错的数据链路。本文将系统讲解数据链路层的两个核心应用场景：点对点链路和广播链路。我们将深入探讨目前最广泛使用的点对点协议 PPP，以及广播链路中媒体接入控制的各类技术，包括静态划分信道和动态接入控制中的 CSMA/CD 与 CSMA/CA 协议。本文基于湖科大教书匠计算机网络微课堂内容整理，特别标注了考研重点和经典例题解析，适合零基础学习者系统掌握数据链路层核心知识。

一、核心知识点详解

1.1 点对点协议 PPP

1.1.1 PPP 协议概述

• 定义：PPP (Point-to-Point Protocol) 是目前使用最广泛的点对点数据链路层协议

• 制定机构：因特网工程任务组 IETF 在 1992 年制定，1993 年和 1994 年修订后成为因特网正式标准

• 主要应用场景：

  • 用户计算机通过 ISP (因特网服务提供者) 接入因特网

  • 广域网路由器之间的专用线路

  • PPPoE (PPP over Ethernet)：1999 年公布，使 ISP 可通过 DSL、调制解调器、以太网等宽带接入技术提供服务

1.1.2 PPP 协议的三个组成部分

1. 封装方法：对各种协议数据报进行封装成帧

2. 链路控制协议 LCP：用于建立、配置以及测试数据链路的连接

3. 网络控制协议 NCP：一套协议，每个协议支持不同的网络层协议 (如 IP、IPX、AppleTalk 等)

1.1.3 PPP 帧格式

重点标注：地址字段和控制字段实际上没有携带 PPP 帧的信息，这是考试常考的细节。

1.1.4 透明传输问题的解决

PPP 协议根据链路类型采用不同的透明传输方法：

• 面向字节的异步链路：采用字节填充法

  • 将 0x7E 转变为 0x7D 0x5E

  • 将 0x7D 转变为 0x7D 0x5D

  • 在 ASCII 控制字符前插入 0x7D，并将该字符编码加 0x20

• 面向比特的同步电路：采用比特填充法

  • 发送方：只要发现 5 个连续的比特 1，立即填充 1 个比特 0

  • 接收方：只要发现 5 个连续的比特 1，就把其后的 1 个比特 0 删除

1.1.5 差错检测

• PPP 帧尾部包含 2 字节的 FCS 字段，使用循环冗余校验 CRC

• 接收方每收到一个 PPP 帧就进行 CRC 检验，正确则收下，错误则丢弃

• 重要特点：使用 PPP 的数据链路层向上不提供可靠传输服务

1.1.6 PPP 协议的工作状态

1. 静止状态：不存在物理层连接

2. 建立状态：检测到载波信号，建立物理层连接，LCP 开始协商配置选项

3. 鉴别状态：协商成功后进入，可使用 PAP (口令鉴别协议) 或 CHAP (挑战握手鉴别协议)

4. 网络状态：鉴别成功后进入，进行 NCP 配置

5. 打开状态：配置完成后进入，可以进行数据通信

6. 终止状态：出现故障或收到终止请求时进入

7. 回到静止状态：载波停止后

重点标注：PPP 协议的工作状态转换是考研常考内容，特别是鉴别状态和网络状态的作用。

1.2 媒体接入控制的基本概念

1.2.1 问题的提出

在共享传输媒体的网络中 (如总线型局域网)，多个主机竞争使用同一信道，如果两个或更多站点同时发送数据，就会产生碰撞 (冲突)，导致发送失败。

1.2.2 媒体接入控制 MAC 的定义

协调多个发送和接收站点对一个共享传输媒体的占用的技术。

1.2.3 媒体接入控制技术分类

1.2.4 各类技术特点

• 静态划分信道：预先固定分配信道，不灵活，对突发性数据传输信道利用率低，主要用于无线网络物理层

• 集中控制：主站循环轮询各站点，存在单点故障问题

• 分散控制：令牌传递协议，各站点平等，典型网络有 802.5 令牌环网、802.4 令牌总线网、FDDI，已逐步退出历史舞台

• 随机接入：所有站点通过竞争随机发送数据，关键问题是如何避免冲突和冲突后恢复，共享式以太网采用此方式

重点标注：随着交换技术的发展，交换式局域网已完全取代共享式局域网，但无线局域网仍使用共享媒体技术。

1.3 静态划分信道技术

文档来源：P30【3.6.2 媒体接入控制 — 静态划分信道】

1.3.1 信道复用的基本概念

复用是通过一条物理线路同时传输多路用户的信号，充分利用传输媒体的带宽。发送端使用复用器，接收端使用分用器。

1.3.2 四种基本复用技术

1. 频分复用 FDM

   1. 将传输线路的频率资源划分成多个子信道

   2. 各子信道之间留有隔离频带防止干扰

   3. 所有用户同时占用不同的频率资源，并行通信

2. 时分复用 TDM

   1. 将时间划分成一个个时隙

   2. 每个用户在每一个时分复用帧中占用固定序号的时隙

   3. 所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度

3. 波分复用 WDM

   1. 光的频分复用

   2. 将不同波长的光信号在一根光纤中传输

   3. 两个光纤放大器之间的光缆线路长度可达 120km

4. 码分复用 CDM / 码分多址 CDMA

   1. 每一个用户可以在同样的时间使用同样的频率进行通信

   2. 各用户使用经过特殊挑选的不同码片序列，因此不会造成干扰

   3. 最初用于军事通信，现在广泛用于民用移动通信

1.3.3 CDMA 的工作原理

• 每个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (通常 m=64 或 128)

• 每个站被指派一个唯一的 m 比特码片序列

• 发送比特 1：发送自己的码片序列

• 发送比特 0：发送自己码片序列的二进制反码

• 为方便计算，通常将码片序列中的 0 写为 - 1，1 写为 + 1

1.3.4 码片序列的挑选原则

1. 每个站的码片序列必须各不相同

2. 任意两个不同站的码片序列必须相互正交 (规格化内积为 0)

3. 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积为 1

4. 任何一个码片向量和该码片反码的向量的内积为 - 1

1.3.5 CDMA 的接收过程

接收站知道发送站的码片序列，将收到的叠加信号的码片向量与发送站的码片向量进行规格化内积运算：

• 结果为 1：发送站发送了比特 1

• 结果为 - 1：发送站发送了比特 0

• 结果为 0：发送站未发送数据

重点标注：CDMA 的计算是考研必考内容，必须掌握码片序列的正交性判断和接收过程的计算方法。

1.4 CSMA/CD 协议 (载波监听多址接入碰撞检测)

1.4.1 CSMA/CD 概述

• 用于早期的共享式以太网 (总线型局域网)

• 现在的以太网基于交换机和全双工连接，不再使用 CSMA/CD 协议

1.4.2 CSMA/CD 的三个核心概念

1. 多址接入：多个主机连接在一条总线上，竞争使用总线

2. 载波监听："先听后说"，发送帧之前先检测总线是否空闲

   1. 若检测到总线空闲 96 比特时间 (帧间最小间隔)，则发送帧

   2. 若检测到总线忙，则继续检测，等待总线转为空闲后再发送

3. 碰撞检测："边说边听"，边发送帧边检测碰撞

   1. 一旦发现碰撞，立即停止发送

   2. 发送 32 或 48 比特的人为干扰信号 (强化碰撞)

   3. 退避一段随机时间后重新发送

1.4.3 重要概念

1. 争用期 (碰撞窗口)

   1. 以太网的端到端往返传播时延 2τ

   2. 主机最多经过 2τ 就可检测到本次发送是否遭受碰撞

   3. 10Mbps 以太网的征用期定为 512 比特时间 (51.2 微秒)

2. 最小帧长

   1. 以太网规定最小帧长为 64 字节 (512 比特)

   2. 确保主机可在帧发送完成之前检测到碰撞

   3. 凡长度小于 64 字节的帧都是由于碰撞而异常中止的无效帧

3. 最大帧长

   1. 以太网版本 2 的 MAC 帧最大长度为 1518 字节 (数据载荷 1500 字节 + 首部尾部 18 字节)

   2. 802.1q 帧 (带 VLAN 标记) 最大长度为 1522 字节

4. 截断二进制指数退避算法

   1. 退避时间 = 基本退避时间 (征用期 2τ) × 随机数 r

   2. r 从离散整数集合 {0,1,...,2^k-1} 中随机选出

   3. k = min (重传次数，10)

   4. 重传多达 16 次仍不能成功时，丢弃该帧

1.4.4 信道利用率

• 极限信道利用率 S_max = T0/(T0+τ)

• 其中 T0 为帧的发送时延，τ 为端到端传播时延

• 参数 a = τ/T0，a 越小，信道利用率越高

重点标注：征用期、最小帧长、退避算法和信道利用率是考研高频考点。

1.5 CSMA/CA 协议 (载波监听多址接入碰撞避免)

1.5.1 为什么无线局域网不使用 CSMA/CD

1. 无线信道信号强度动态范围大，实现碰撞检测对硬件要求非常高

2. 存在隐蔽站问题：两个站点无法检测到对方的信号，但它们的信号会在接收站发生碰撞

1.5.2 CSMA/CA 的基本特点

• 在 CSMA 基础上增加了碰撞避免 (CA) 功能，不再实现碰撞检测 (CD)

• 使用数据链路层确认机制 (停止等待协议) 保证数据正确接收

• 定义了两种媒体接入控制方式：

  • 分布式协调功能 DCF：默认方式，无中心控制站点

  • 点协调功能 PCF：可选方式，集中控制，在接入点 AP 实现

1.5.3 帧间间隔 IFS

• 所有站点必须在持续检测到信道空闲一段指定时间后才能发送帧

• 高优先级帧等待时间短，可优先获得发送权

• 常用的两种帧间间隔：

  • 短帧间间隔 SIFS：28 微秒，用于 ACK 帧、CTS 帧、分片后的数据帧等

  • DCF 帧间间隔 DIFS：128 微秒，用于发送数据帧和管理帧

1.5.4 CSMA/CA 的基本工作过程

1. 源站检测到信道空闲，等待 DIFS 后发送数据帧

2. 目的站正确收到数据帧，等待 SIFS 后向源站发送确认帧 ACK

3. 源站在规定时间内收到 ACK，则发送成功；否则重传数据帧

1.5.5 退避算法

• 必须使用退避算法的情况：

  • 发送数据帧之前检测到信道忙

  • 每一次重传数据帧

  • 每一次成功发送后要连续发送下一个帧

• 退避计时器冻结机制：信道变为忙时冻结退避计时器，信道再次空闲并经过 DIFS 后继续倒计时

1.5.6 信道预约和虚拟载波监听

• 源站发送数据帧前先发送 RTS (请求发送) 帧，包含通信所需持续时间

• 目的站收到 RTS 后发送 CTS (允许发送) 帧，也包含持续时间

• 其他站点收到 RTS 或 CTS 后，在指定时间内不发送数据

• 虚拟载波监听：站点通过监听 RTS、CTS 或数据帧中的持续时间字段，知道信道被占用的时间

重点标注：CSMA/CA 与 CSMA/CD 的区别、帧间间隔的作用、RTS/CTS 机制是考试重点。

二、核心知识点汇总表格

表 1：PPP 协议核心内容汇总

表 2：媒体接入控制技术分类对比

表 3：四种复用技术对比

表 4：CSMA/CD 与 CSMA/CA 对比

三、考研真题解析

真题 1：2014 年计算机网络统考真题

原题：站点 A、B、C 通过 CDMA 共享链路，A、B、C 的码片序列分别是 (1,1,1,1)、(1,-1,1,-1) 和 (1,1,-1,-1)。若 C 从链路上收到的序列是 (2,0,2,0,0,-2,0,-2,0,2,0,2)，则 C 收到 A 发送的数据是 ( ) A. 000 B. 101 C. 110 D. 111

答案：B

解析：

1. 将收到的序列分成三部分，每部分 4 位：(2,0,2,0)、(0,-2,0,-2)、(0,2,0,2)

2. 将 A 站的码片序列 (1,1,1,1) 分别与这三部分进行规格化内积运算：

   1. 第一部分：(1×2 + 1×0 + 1×2 + 1×0)/4 = 4/4 = 1 → 发送比特 1

   2. 第二部分：(1×0 + 1×(-2) + 1×0 + 1×(-2))/4 = -4/4 = -1 → 发送比特 0

   3. 第三部分：(1×0 + 1×2 + 1×0 + 1×2)/4 = 4/4 = 1 → 发送比特 1

3. 因此 A 发送的数据是 101，选项 B 正确。

真题 2：2015 年计算机网络统考真题

原题：下列关于 CSMA/CD 协议的叙述中，错误的是 ( )

A. 边发送数据帧，边检测是否发生冲突

B. 适用于无线网络，以实现无线链路的共享

C. 需要根据网络跨距和数据传输速率限定最小帧长

D. 当信号传播延迟趋近于 0 时，信道利用率趋近于 100%

答案：B

解析：

• 选项 A 正确，描述的是碰撞检测机制

• 选项 B 错误，CSMA/CD 不适用于无线网络，无线网络使用 CSMA/CA 协议

• 选项 C 正确，最小帧长 = 征用期 × 数据传输速率，征用期与网络跨距有关

• 选项 D 正确，从极限信道利用率公式 S_max=T0/(T0+τ) 可以看出，当 τ→0 时，S_max→100%

真题 3：2009 年计算机网络统考真题

原题：在一个采用 CSMA/CD 协议的网络中，传输介质是一根完整的电缆，传输速率为 1Gbps，电缆中的信号传播速度是 200000km/s。若最小数据帧长度减少 800 比特，则最远的两个站点之间的距离至少需要 ( )

A. 增加 160m B. 增加 80m C. 减少 160m D. 减少 80m

答案：D

解析：

1. 最小帧长 L = 2τ × R，其中 τ 是单程传播时延，R 是数据传输速率

2. τ = d/v，其中 d 是最远两个站点之间的距离，v 是信号传播速度

3. 因此 L = 2dR/v → d = Lv/(2R)

4. 当 L 减少 800 比特时，d 的变化量 Δd = ΔL × v/(2R)

5. 代入数值：Δd = 800bit × 2×10^8m/s/ (2×10^9bit/s) = 80m

6. 因此最远的两个站点之间的距离至少需要减少 80m，选项 D 正确。

真题 4：2010 年计算机网络统考真题

原题：某局域网采用 CSMA/CD 协议实现介质访问控制，数据传输速率为 10Mbps，主机甲和主机乙之间的距离为 2km，信号传播速度为 200000km/s。请回答下列问题： (1) 若主机甲和主机乙发送数据时发生冲突，则从开始发送数据时刻起，到两台主机均检测到冲突时刻止，最短需经过多长时间？最长需经过多长时间？(假设主机甲和主机乙发送数据过程中，其他主机不发送数据)

解析：

1. 单程传播时延 τ = 距离 / 传播速度 = 2km / 200000km/s = 1×10^-5s = 10μs

2. 最短时间：两主机同时发送数据，经过 τ 时间后信号在中点相遇发生碰撞，碰撞信号再经过 τ 时间传播回两主机。但实际上，当两主机同时发送时，他们会在发送后 τ 时间同时检测到碰撞。因此最短时间为 τ = 10μs。

3. 最长时间：主机甲发送的数据信号传播到无限接近主机乙的某个时刻，主机乙开始发送数据。主机乙会立即检测到碰撞 (时间≈0)，而碰撞信号需要再经过 τ 时间传播回主机甲。因此从开始发送到两台主机均检测到冲突的最长时间为 2τ = 20μs。

真题 5：2011 年计算机网络统考真题

原题：下列选项中，对正确接收到的数据帧进行确认的 MAC 协议是 ( )

A. CSMA B. CDMA C. CSMA/CD D. CSMA/CA

答案：D

解析：

• CSMA：载波监听多址接入，不使用确认机制

• CDMA：码分多址，属于物理层信道复用技术，不是 MAC 协议

• CSMA/CD：载波监听多址接入碰撞检测，不使用确认机制

• CSMA/CA：载波监听多址接入碰撞避免，使用停止等待协议进行确认

真题 6：2013 年计算机网络统考真题

原题：下列介质访问控制方法中，可能发生冲突的是 ( )

A. CDMA B. CSMA C. TDMA D. FDMA

答案：B

解析：

• CDMA、TDMA、FDMA 都属于静态划分信道技术，预先分配信道资源，不会发生冲突

• CSMA 属于征用型的媒体接入控制协议，多个站点以竞争方式发送数据，可能出现冲突

真题 7：2018 年计算机网络统考真题

原题：IEEE 802.11 无线局域网的 MAC 协议 CSMA/CA 中，进行信道预约的是 ( )

A. CTS 和 ACK B. RTS 和 CTS C. RTS 和 ACK D. DIFS 和 SIFS

答案：B

解析： CSMA/CA 协议使用 RTS (请求发送) 帧和 CTS (允许发送) 帧来预约信道，它们都携带有通信需要持续的时间。其他站点收到 RTS 或 CTS 后，在指定时间内不发送数据，从而避免冲突。

四、总结

本文系统讲解了计算机网络数据链路层的核心内容，包括点对点协议 PPP 和广播链路中的媒体接入控制技术。PPP 协议作为目前最广泛使用的点对点数据链路层协议，主要由封装方法、LCP 和 NCP 三部分组成，解决了透明传输和差错检测问题。媒体接入控制技术分为静态划分信道和动态接入控制两大类，其中静态划分信道包括 FDM、TDM、WDM 和 CDMA，动态接入控制中的 CSMA/CD 用于早期共享式以太网，而 CSMA/CA 则用于无线局域网。

这些知识点是计算机网络课程的基础，也是考研的重点内容。特别是 CDMA 的计算、CSMA/CD 的征用期和最小帧长、CSMA/CA 的 RTS/CTS 机制等，在历年考研真题中频繁出现。希望本文能够帮助零基础学习者系统掌握这些核心概念，为进一步学习计算机网络打下坚实的基础。