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Java
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# 计算机网络 - 链路层
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<!-- GFM-TOC -->
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* [计算机网络 - 链路层](#计算机网络---链路层)
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* [基本问题](#基本问题)
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* [1. 封装成帧](#1-封装成帧)
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* [2. 透明传输](#2-透明传输)
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* [3. 差错检测](#3-差错检测)
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* [信道分类](#信道分类)
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* [1. 广播信道](#1-广播信道)
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* [2. 点对点信道](#2-点对点信道)
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* [信道复用技术](#信道复用技术)
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* [1. 频分复用](#1-频分复用)
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* [2. 时分复用](#2-时分复用)
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* [3. 统计时分复用](#3-统计时分复用)
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* [4. 波分复用](#4-波分复用)
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* [5. 码分复用](#5-码分复用)
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* [CSMA/CD 协议](#csmacd-协议)
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* [PPP 协议](#ppp-协议)
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* [MAC 地址](#mac-地址)
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* [局域网](#局域网)
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* [以太网](#以太网)
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* [交换机](#交换机)
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* [虚拟局域网](#虚拟局域网)
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<!-- GFM-TOC -->
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## 基本问题
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### 1. 封装成帧
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将网络层传下来的分组添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/29a14735-e154-4f60-9a04-c9628e5d09f4.png" width="300"/> </div><br>
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### 2. 透明传输
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透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。
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帧使用首部和尾部进行定界，如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容，那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符，那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符，用户察觉不到转义字符的存在。
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/e738a3d2-f42e-4755-ae13-ca23497e7a97.png" width="500"/> </div><br>
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### 3. 差错检测
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目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验（CRC）来检查比特差错。
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## 信道分类
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### 1. 广播信道
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一对多通信，一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到。
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所有的节点都在同一个广播信道上发送数据，因此需要有专门的控制方法进行协调，避免发生冲突（冲突也叫碰撞）。
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主要有两种控制方法进行协调，一个是使用信道复用技术，一是使用 CSMA/CD 协议。
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### 2. 点对点信道
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一对一通信。
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因为不会发生碰撞，因此也比较简单，使用 PPP 协议进行控制。
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## 信道复用技术
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### 1. 频分复用
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频分复用的所有主机在相同的时间占用不同的频率带宽资源。
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/4aa5e057-bc57-4719-ab57-c6fbc861c505.png" width="350"/> </div><br>
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### 2. 时分复用
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时分复用的所有主机在不同的时间占用相同的频率带宽资源。
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/67582ade-d44a-46a6-8757-3c1296cc1ef9.png" width="350"/> </div><br>
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使用频分复用和时分复用进行通信，在通信的过程中主机会一直占用一部分信道资源。但是由于计算机数据的突发性质，通信过程没必要一直占用信道资源而不让出给其它用户使用，因此这两种方式对信道的利用率都不高。
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### 3. 统计时分复用
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是对时分复用的一种改进，不固定每个用户在时分复用帧中的位置，只要有数据就集中起来组成统计时分复用帧然后发送。
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/6283be2a-814a-4a10-84bf-9592533fe6bc.png" width="350"/> </div><br>
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### 4. 波分复用
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光的频分复用。由于光的频率很高，因此习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波。
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### 5. 码分复用
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为每个用户分配 m bit 的码片，并且所有的码片正交，对于任意两个码片 <img src="https://latex.codecogs.com/gif.latex?\vec{S}" class="mathjax-pic"/> 和 <img src="https://latex.codecogs.com/gif.latex?\vec{T}" class="mathjax-pic"/> 有
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<!-- <div align="center"><img src="https://latex.codecogs.com/gif.latex?\frac{1}{m}\vec{S}\cdot\vec{T}=0" class="mathjax-pic"/></div> <br> -->
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/308a02e9-3346-4251-8c41-bd5536dab491.png" width="100px"> </div><br>
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为了讨论方便，取 m=8，设码片 <img src="https://latex.codecogs.com/gif.latex?\vec{S}" class="mathjax-pic"/> 为 00011011。在拥有该码片的用户发送比特 1 时就发送该码片，发送比特 0 时就发送该码片的反码 11100100。
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在计算时将 00011011 记作 (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)，可以得到
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<!-- <div align="center"><img src="https://latex.codecogs.com/gif.latex?\frac{1}{m}\vec{S}\cdot\vec{S}=1" class="mathjax-pic"/></div> <br> -->
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<!-- <div align="center"><img src="https://latex.codecogs.com/gif.latex?\frac{1}{m}\vec{S}\cdot\vec{S'}=-1" class="mathjax-pic"/></div> <br> -->
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/6fda1dc7-5c74-49c1-bb79-237a77e43a43.png" width="100px"> </div><br>
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/e325a903-f0b1-4fbd-82bf-88913dc2f290.png" width="125px"> </div><br>
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其中 <img src="https://latex.codecogs.com/gif.latex?\vec{S'}" class="mathjax-pic"/> 为 <img src="https://latex.codecogs.com/gif.latex?\vec{S}" class="mathjax-pic"/> 的反码。
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利用上面的式子我们知道，当接收端使用码片 <img src="https://latex.codecogs.com/gif.latex?\vec{S}" class="mathjax-pic"/> 对接收到的数据进行内积运算时，结果为 0 的是其它用户发送的数据，结果为 1 的是用户发送的比特 1，结果为 -1 的是用户发送的比特 0。
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码分复用需要发送的数据量为原先的 m 倍。
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/99b6060e-099d-4201-8e86-f8ab3768a7cf.png" width="500px"> </div><br>
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## CSMA/CD 协议
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CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。
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- **多点接入** ：说明这是总线型网络，许多主机以多点的方式连接到总线上。
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- **载波监听** ：每个主机都必须不停地监听信道。在发送前，如果监听到信道正在使用，就必须等待。
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- **碰撞检测** ：在发送中，如果监听到信道已有其它主机正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲，但是由于电磁波的传播时延的存在，还是有可能会发生碰撞。
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记端到端的传播时延为 τ，最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞，称 2τ 为 **争用期** 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
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当发生碰撞时，站点要停止发送，等待一段时间再发送。这个时间采用 **截断二进制指数退避算法** 来确定。从离散的整数集合 {0, 1, .., (2<sup>k</sup>-1)} 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/19d423e9-74f7-4c2b-9b97-55890e0d5193.png" width="400"/> </div><br>
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## PPP 协议
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互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网，PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/e1ab9f28-cb15-4178-84b2-98aad87f9bc8.jpg" width="300"/> </div><br>
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PPP 的帧格式：
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- F 字段为帧的定界符
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- A 和 C 字段暂时没有意义
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- FCS 字段是使用 CRC 的检验序列
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- 信息部分的长度不超过 1500
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/759013d7-61d8-4509-897a-d75af598a236.png" width="400"/> </div><br>
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## MAC 地址
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MAC 地址是链路层地址，长度为 6 字节（48 位），用于唯一标识网络适配器（网卡）。
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一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器，因此就有两个 MAC 地址。
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## 局域网
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局域网是一种典型的广播信道，主要特点是网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
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主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术，目前以太网占领着有线局域网市场。
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可以按照网络拓扑结构对局域网进行分类：
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/807f4258-dba8-4c54-9c3c-a707c7ccffa2.jpg" width="800"/> </div><br>
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## 以太网
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以太网是一种星型拓扑结构局域网。
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早期使用集线器进行连接，集线器是一种物理层设备， 作用于比特而不是帧，当一个比特到达接口时，集线器重新生成这个比特，并将其能量强度放大，从而扩大网络的传输距离，之后再将这个比特发送到其它所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧，那么就发生了碰撞。
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目前以太网使用交换机替代了集线器，交换机是一种链路层设备，它不会发生碰撞，能根据 MAC 地址进行存储转发。
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以太网帧格式：
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- **类型** ：标记上层使用的协议；
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- **数据** ：长度在 46-1500 之间，如果太小则需要填充；
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- **FCS** ：帧检验序列，使用的是 CRC 检验方法；
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/164944d3-bbd2-4bb2-924b-e62199c51b90.png" width="500"/> </div><br>
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## 交换机
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交换机具有自学习能力，学习的是交换表的内容，交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。
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正是由于这种自学习能力，因此交换机是一种即插即用设备，不需要网络管理员手动配置交换表内容。
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下图中，交换机有 4 个接口，主机 A 向主机 B 发送数据帧时，交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B，先查交换表，此时没有主机 B 的表项，那么主机 A 就发送广播帧，主机 C 和主机 D 会丢弃该帧，主机 B 回应该帧向主机 A 发送数据包时，交换机查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1，就发送数据帧到接口 1，同时交换机添加主机 B 到接口 2 的映射。
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/a4444545-0d68-4015-9a3d-19209dc436b3.png" width="800"/> </div><br>
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## 虚拟局域网
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虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组，只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息。
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例如下图中 (A1, A2, A3, A4) 属于一个虚拟局域网，A1 发送的广播会被 A2、A3、A4 收到，而其它站点收不到。
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使用 VLAN 干线连接来建立虚拟局域网，每台交换机上的一个特殊接口被设置为干线接口，以互连 VLAN 交换机。IEEE 定义了一种扩展的以太网帧格式 802.1Q，它在标准以太网帧上加进了 4 字节首部 VLAN 标签，用于表示该帧属于哪一个虚拟局域网。
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/e98e9d20-206b-4533-bacf-3448d0096f38.png" width="500"/> </div><br>
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