数据链路层综合练习题

数据链路层的主要功能包括：

1. 组帧：将比特流划分为帧，便于管理和差错检测
2. 差错控制：检错（奇偶校验、CRC）、纠错（海明码）
3. 流量控制：防止发送方过快，常用滑动窗口
4. 可靠传输：确认与重传机制
5. 介质访问控制：多站共享信道时的访问规则

CRC 检错的基本思想：

1. 发送方：用生成多项式对数据多项式取模，余数作为校验码附加到数据后
2. 传输：发送数据+校验码
3. 接收方：用相同生成多项式对接收到的数据+校验码进行模运算
4. 判断：如果余数为 0，则认为无错误；否则认为有错误

CRC 能够检测出突发错误和随机错误，检错能力强。

主要区别：

1. 发送策略：

   • 停止-等待：每次只发送一帧，等待确认
   • 滑动窗口：可以发送多帧，无需等待确认

2. 窗口大小：

   • 停止-等待：发送窗口=1，接收窗口=1
   • 滑动窗口：发送窗口>1，接收窗口 ≥1

3. 效率：

   • 停止-等待：效率低，信道利用率不高
   • 滑动窗口：效率高，信道利用率高

4. 复杂度：

   • 停止-等待：实现简单
   • 滑动窗口：实现相对复杂

主要区别：

1. 接收窗口：

   • GBN：接收窗口=1，只按序接收
   • SR：接收窗口>1，可以缓存乱序帧

2. 重传策略：

   • GBN：重传出错帧及其后所有帧
   • SR：只重传出错帧

3. 效率：

   • GBN：可能重传已正确接收的帧，效率较低
   • SR：只重传出错帧，效率较高

4. 复杂度：

   • GBN：接收方处理简单
   • SR：接收方需要缓存，实现复杂

以太网采用 CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）协议。

基本原理：

1. 载波监听：发送前先监听信道是否空闲
2. 多路访问：多个站点共享同一信道
3. 冲突检测：发送过程中继续监听，检测冲突
4. 冲突处理：检测到冲突后立即停止发送，发送阻塞信号
5. 重发机制：随机延迟后重新发送

工作流程：

• 站点有数据要发送时，先监听信道
• 信道空闲时立即发送
• 发送过程中继续监听
• 如果检测到冲突，立即停止发送并发送阻塞信号
• 等待随机时间后重新尝试发送

主要区别：

1. 冲突处理方式：

   • CSMA/CD：检测冲突后处理
   • CSMA/CA：避免冲突的发生

2. 适用环境：

   • CSMA/CD：有线网络（以太网）
   • CSMA/CA：无线网络（WiFi）

3. 工作原理：

   • CSMA/CD：发送过程中检测冲突
   • CSMA/CA：发送前通过 RTS/CTS 避免冲突

4. 隐藏终端问题：

   • CSMA/CD：不存在此问题
   • CSMA/CA：通过 RTS/CTS 解决

5. 效率：

   • CSMA/CD：在有线环境下效率高
   • CSMA/CA：在无线环境下更可靠

相同点：

1. 都是数据链路层协议
2. 都支持点对点连接
3. 都提供差错控制功能

不同点：

1. 面向方式：

   • PPP：面向字节
   • HDLC：面向比特

2. 复杂度：

   • PPP：简单，易于实现
   • HDLC：复杂，功能强大

3. 支持连接：

   • PPP：主要支持点对点
   • HDLC：支持点对点和多点

4. 身份验证：

   • PPP：支持 PAP/CHAP 身份验证
   • HDLC：不支持身份验证

5. 网络层协议：

   • PPP：支持多种网络层协议
   • HDLC：不关心网络层协议

相同点：

1. 都是数据链路层设备
2. 都基于 MAC 地址转发
3. 都能连接多个网段

不同点：

1. 端口数量：

   • 网桥：通常只有 2 个端口
   • 交换机：通常有多个端口（4、8、16、24 等）

2. 转发方式：

   • 网桥：存储转发
   • 交换机：存储转发或直通转发

3. 性能：

   • 网桥：转发速度较慢
   • 交换机：转发速度快，支持并行转发

4. 功能：

   • 网桥：基本功能
   • 交换机：功能丰富，支持 VLAN、QoS 等

5. 应用场景：

   • 网桥：连接两个网段
   • 交换机：构建局域网核心

CSMA/CD 协议处理冲突的步骤：

1. 冲突检测：发送过程中继续监听信道
2. 立即停止：检测到冲突后立即停止发送
3. 发送阻塞信号：发送一个阻塞信号，通知其他站点发生了冲突
4. 等待随机时间：使用二进制指数退避算法计算等待时间
5. 重新尝试：等待时间结束后重新尝试发送

二进制指数退避算法：

• 第 1 次冲突：等待 0 或 1 个时隙
• 第 2 次冲突：等待 0、1、2 或 3 个时隙
• 第 3 次冲突：等待 0 到 7 个时隙
• 最多重试 16 次，超过则放弃

无线网络使用 CSMA/CA 的原因：

1. 冲突检测困难：

   • 无线信号传播特性复杂
   • 发送时难以检测到冲突
   • 隐藏终端问题

2. 信号特性：

   • 无线信号衰减快
   • 发送功率有限
   • 难以实现冲突检测

3. 隐藏终端问题：

   • 两个站点可能无法直接通信
   • 但都能与 AP 通信
   • CSMA/CA 通过 RTS/CTS 解决

4. RTS/CTS 机制：

   • 发送前先发送 RTS（请求发送）
   • 接收方回复 CTS（清除发送）
   • 其他站点听到 CTS 后延迟发送

5. 更可靠：

   • 避免冲突比检测冲突更有效
   • 减少重传次数
   • 提高网络效率