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 PPP1.1.1 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封装方法对各种协议数据报进行封装成帧链路控制协议 LCP用于建立、配置以及测试数据链路的连接网络控制协议 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 帧格式字段长度 (字节)取值说明标志字段10x7EPPP 帧的定界符二进制为 01111110地址字段10xFF至今未使用无实际信息控制字段10x03至今未使用无实际信息协议字段20xC021 0x8021 0x0021数据部分为 LCP 分组 数据部分为 NCP 分组 数据部分为 IP 数据报数据部分可变-最大长度默认 1500 字节帧检验序列 FCS2-使用 CRC 计算的校验位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 协议的工作状态静止状态不存在物理层连接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)网络状态鉴别成功后进入进行 NCP 配置打开状态配置完成后进入可以进行数据通信终止状态出现故障或收到终止请求时进入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 四种基本复用技术频分复用 FDM将传输线路的频率资源划分成多个子信道各子信道之间留有隔离频带防止干扰所有用户同时占用不同的频率资源并行通信时分复用 TDM将时间划分成一个个时隙每个用户在每一个时分复用帧中占用固定序号的时隙所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度波分复用 WDM光的频分复用将不同波长的光信号在一根光纤中传输两个光纤放大器之间的光缆线路长度可达 120km码分复用 CDM / 码分多址 CDMA每一个用户可以在同样的时间使用同样的频率进行通信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 m64 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 - 11 写为 11.3.4 码片序列的挑选原则每个站的码片序列必须各不相同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)任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积为 1任何一个码片向量和该码片反码的向量的内积为 - 11.3.5 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 的三个核心概念多址接入多个主机连接在一条总线上竞争使用总线载波监听先听后说发送帧之前先检测总线是否空闲若检测到总线空闲 96 比特时间 (帧间最小间隔)则发送帧若检测到总线忙则继续检测等待总线转为空闲后再发送碰撞检测边说边听边发送帧边检测碰撞一旦发现碰撞立即停止发送发送 32 或 48 比特的人为干扰信号 (强化碰撞)退避一段随机时间后重新发送1.4.3 重要概念争用期 (碰撞窗口)以太网的端到端往返传播时延 2τ主机最多经过 2τ 就可检测到本次发送是否遭受碰撞10Mbps 以太网的征用期定为 512 比特时间 (51.2 微秒)最小帧长以太网规定最小帧长为 64 字节 (512 比特)确保主机可在帧发送完成之前检测到碰撞凡长度小于 64 字节的帧都是由于碰撞而异常中止的无效帧最大帧长以太网版本 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)802.1q 帧 (带 VLAN 标记) 最大长度为 1522 字节截断二进制指数退避算法退避时间 基本退避时间 (征用期 2τ) × 随机数 rr 从离散整数集合 {0,1,...,2^k-1} 中随机选出k min (重传次数10)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/(T0τ)其中 T0 为帧的发送时延τ 为端到端传播时延参数 a τ/T0a 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 SIFS28 微秒用于 ACK 帧、CTS 帧、分片后的数据帧等DCF 帧间间隔 DIFS128 微秒用于发送数据帧和管理帧1.5.4 CSMA/CA 的基本工作过程源站检测到信道空闲等待 DIFS 后发送数据帧目的站正确收到数据帧等待 SIFS 后向源站发送确认帧 ACK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 1PPP 协议核心内容汇总项目详细内容重点标注协议类型数据链路层协议点对点链路使用组成部分封装方法、LCP、NCPNCP 支持不同网络层协议帧定界符0x7E(01111110)透明传输的关键透明传输方法异步链路字节填充 同步链路比特填充比特填充规则5 个 1 后加 0差错检测CRC 检验FCS 字段 2 字节不提供可靠传输服务工作状态静止→建立→鉴别→网络→打开→终止→静止鉴别协议PAP、CHAP应用场景用户接入 ISP、路由器间专线PPPoE 用于宽带接入表 2媒体接入控制技术分类对比技术类型子类型特点适用场景静态划分信道FDM、TDM、WDM、CDMA预先固定分配信道利用率低无线网络物理层受控接入 - 集中控制多点轮询协议主站轮询存在单点故障早期局域网受控接入 - 分散控制令牌传递协议无冲突令牌环网、令牌总线网已逐步淘汰随机接入CSMA/CD先听后说边说边听碰撞检测早期共享式以太网随机接入CSMA/CA先听后说碰撞避免确认机制无线局域网 802.11表 3四种复用技术对比复用技术资源分配方式特点典型应用频分复用 FDM按频率划分同时占用不同频率广播、电视时分复用 TDM按时间划分不同时间占用相同频率数字电话系统波分复用 WDM按波长划分光的频分复用光纤通信码分复用 CDMA按码片序列划分同时同频率不同码片移动通信表 4CSMA/CD 与 CSMA/CA 对比项目CSMA/CDCSMA/CA全称载波监听多址接入碰撞检测载波监听多址接入碰撞避免适用网络有线共享式以太网无线局域网 802.11核心机制碰撞检测碰撞避免 确认机制帧间间隔96 比特时间SIFS(28μs)、DIFS(128μs)冲突处理检测到冲突立即停止发送退避重传尽量避免冲突冲突后重传特殊机制强化碰撞RTS/CTS 信道预约、虚拟载波监听最小帧长64 字节无此要求现状已被交换式以太网取代仍广泛使用三、考研真题解析真题 12014 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)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第一部分(1×2 1×0 1×2 1×0)/4 4/4 1 → 发送比特 1第二部分(1×0 1×(-2) 1×0 1×(-2))/4 -4/4 -1 → 发送比特 0第三部分(1×0 1×2 1×0 1×2)/4 4/4 1 → 发送比特 1因此 A 发送的数据是 101选项 B 正确。真题 22015 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_maxT0/(T0τ) 可以看出当 τ→0 时S_max→100%真题 32009 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 是信号传播速度因此 L 2dR/v → d Lv/(2R)当 L 减少 800 比特时d 的变化量 Δd ΔL × v/(2R)代入数值Δd 800bit × 2×10^8m/s/ (2×10^9bit/s) 80m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 42010 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)解析单程传播时延 τ 距离 / 传播速度 2km / 200000km/s 1×10^-5s 10μs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。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 52011 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 62013 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 72018 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。
零基础入门计算机网络：点对点协议PPP、媒体接入控制基本概念、静态划分信道技术、CSMA/CD与CSMA/CA协议全面详解
发布时间：2026/6/7 3:53:48
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 PPP1.1.1 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封装方法对各种协议数据报进行封装成帧链路控制协议 LCP用于建立、配置以及测试数据链路的连接网络控制协议 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 帧格式字段长度 (字节)取值说明标志字段10x7EPPP 帧的定界符二进制为 01111110地址字段10xFF至今未使用无实际信息控制字段10x03至今未使用无实际信息协议字段20xC021 0x8021 0x0021数据部分为 LCP 分组 数据部分为 NCP 分组 数据部分为 IP 数据报数据部分可变-最大长度默认 1500 字节帧检验序列 FCS2-使用 CRC 计算的校验位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 协议的工作状态静止状态不存在物理层连接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)网络状态鉴别成功后进入进行 NCP 配置打开状态配置完成后进入可以进行数据通信终止状态出现故障或收到终止请求时进入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 四种基本复用技术频分复用 FDM将传输线路的频率资源划分成多个子信道各子信道之间留有隔离频带防止干扰所有用户同时占用不同的频率资源并行通信时分复用 TDM将时间划分成一个个时隙每个用户在每一个时分复用帧中占用固定序号的时隙所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度波分复用 WDM光的频分复用将不同波长的光信号在一根光纤中传输两个光纤放大器之间的光缆线路长度可达 120km码分复用 CDM / 码分多址 CDMA每一个用户可以在同样的时间使用同样的频率进行通信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 m64 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 - 11 写为 11.3.4 码片序列的挑选原则每个站的码片序列必须各不相同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)任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积为 1任何一个码片向量和该码片反码的向量的内积为 - 11.3.5 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 的三个核心概念多址接入多个主机连接在一条总线上竞争使用总线载波监听先听后说发送帧之前先检测总线是否空闲若检测到总线空闲 96 比特时间 (帧间最小间隔)则发送帧若检测到总线忙则继续检测等待总线转为空闲后再发送碰撞检测边说边听边发送帧边检测碰撞一旦发现碰撞立即停止发送发送 32 或 48 比特的人为干扰信号 (强化碰撞)退避一段随机时间后重新发送1.4.3 重要概念争用期 (碰撞窗口)以太网的端到端往返传播时延 2τ主机最多经过 2τ 就可检测到本次发送是否遭受碰撞10Mbps 以太网的征用期定为 512 比特时间 (51.2 微秒)最小帧长以太网规定最小帧长为 64 字节 (512 比特)确保主机可在帧发送完成之前检测到碰撞凡长度小于 64 字节的帧都是由于碰撞而异常中止的无效帧最大帧长以太网版本 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)802.1q 帧 (带 VLAN 标记) 最大长度为 1522 字节截断二进制指数退避算法退避时间 基本退避时间 (征用期 2τ) × 随机数 rr 从离散整数集合 {0,1,...,2^k-1} 中随机选出k min (重传次数10)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/(T0τ)其中 T0 为帧的发送时延τ 为端到端传播时延参数 a τ/T0a 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 SIFS28 微秒用于 ACK 帧、CTS 帧、分片后的数据帧等DCF 帧间间隔 DIFS128 微秒用于发送数据帧和管理帧1.5.4 CSMA/CA 的基本工作过程源站检测到信道空闲等待 DIFS 后发送数据帧目的站正确收到数据帧等待 SIFS 后向源站发送确认帧 ACK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 1PPP 协议核心内容汇总项目详细内容重点标注协议类型数据链路层协议点对点链路使用组成部分封装方法、LCP、NCPNCP 支持不同网络层协议帧定界符0x7E(01111110)透明传输的关键透明传输方法异步链路字节填充 同步链路比特填充比特填充规则5 个 1 后加 0差错检测CRC 检验FCS 字段 2 字节不提供可靠传输服务工作状态静止→建立→鉴别→网络→打开→终止→静止鉴别协议PAP、CHAP应用场景用户接入 ISP、路由器间专线PPPoE 用于宽带接入表 2媒体接入控制技术分类对比技术类型子类型特点适用场景静态划分信道FDM、TDM、WDM、CDMA预先固定分配信道利用率低无线网络物理层受控接入 - 集中控制多点轮询协议主站轮询存在单点故障早期局域网受控接入 - 分散控制令牌传递协议无冲突令牌环网、令牌总线网已逐步淘汰随机接入CSMA/CD先听后说边说边听碰撞检测早期共享式以太网随机接入CSMA/CA先听后说碰撞避免确认机制无线局域网 802.11表 3四种复用技术对比复用技术资源分配方式特点典型应用频分复用 FDM按频率划分同时占用不同频率广播、电视时分复用 TDM按时间划分不同时间占用相同频率数字电话系统波分复用 WDM按波长划分光的频分复用光纤通信码分复用 CDMA按码片序列划分同时同频率不同码片移动通信表 4CSMA/CD 与 CSMA/CA 对比项目CSMA/CDCSMA/CA全称载波监听多址接入碰撞检测载波监听多址接入碰撞避免适用网络有线共享式以太网无线局域网 802.11核心机制碰撞检测碰撞避免 确认机制帧间间隔96 比特时间SIFS(28μs)、DIFS(128μs)冲突处理检测到冲突立即停止发送退避重传尽量避免冲突冲突后重传特殊机制强化碰撞RTS/CTS 信道预约、虚拟载波监听最小帧长64 字节无此要求现状已被交换式以太网取代仍广泛使用三、考研真题解析真题 12014 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)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第一部分(1×2 1×0 1×2 1×0)/4 4/4 1 → 发送比特 1第二部分(1×0 1×(-2) 1×0 1×(-2))/4 -4/4 -1 → 发送比特 0第三部分(1×0 1×2 1×0 1×2)/4 4/4 1 → 发送比特 1因此 A 发送的数据是 101选项 B 正确。真题 22015 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_maxT0/(T0τ) 可以看出当 τ→0 时S_max→100%真题 32009 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 是信号传播速度因此 L 2dR/v → d Lv/(2R)当 L 减少 800 比特时d 的变化量 Δd ΔL × v/(2R)代入数值Δd 800bit × 2×10^8m/s/ (2×10^9bit/s) 80m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 42010 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)解析单程传播时延 τ 距离 / 传播速度 2km / 200000km/s 1×10^-5s 10μs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。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 52011 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 62013 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 72018 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。
