第3章 数据链路层
1、考点解读
数据链路层位于计算机网络体系结构的低层，是历年研究生考试的热点和重点。
数据链路层考点导图
最近10年联考考点题型分值统计
结合网络课程知识体系的结构特点来看，关于本章考生应首先了解数据链路层的功能(如数据帧的拆分与拼接、差错控制、透明传输、流量控制、可靠传输机制、介质访问控制和向网络层提供的功能等)。
然后在此基础上理解并记忆4种组帧方法(如字符计数法、字节填充的首尾定界符法、比特填充的首尾标志法和物理编码违例法)；
理解差错控制机制(包括检错编码和纠错编码)，注意要深刻理解奇偶校验码、CRC码、海明码的基本原理，了解检错码和纠错码的优势和适用环境；
熟练掌握流量控制与可靠传输机制及其应用(主要包括流量控制、可靠传输与滑动窗口机制，停止-等待协议、后退N帧协议、选择重传协议，注意三种不同ARQ协议之间的对比；发送方和接收方窗口大小的计算；窗口的滑动过程)；
熟练掌握介质访问机制(主要包括信道划分介质访问控制、随机访问介质访问机制和轮询访问介质访问机制)和有关协议(即ALOHA协议、CSMA协议、CSMA/CD协议、CSMA/CA协议和令牌传递协议)；
理解局域网的体系结构和以太网协议(含MAC帧格式与IEEE802.3)，理解并掌握以太网最短与最大帧长及其相关的计算， 理解MAC地址的作用，了解令牌环网的基本运行机制；
另外，应理解以太网典型设备网桥和交换机的概念和原理，了解广播域和冲突域的概念，理解网桥和局域网交换机的功能和运行机制，掌握交换机帧转发过程和转发表的构建过程，注意交换机与中继器和集线器的比较；理解广域网的基本概念和有关协议(如PPP协议和HDLC协议)。
本章的难点在于滑动窗口机制和3种可靠传输协议及其应用； CSMA/CD原理，特别是争用期和截断二进制指数退避算法；交换机对帧的转发过程和转发表的构建过程等。
2、局域网交换机
局域网交换机，本质上说，以太网交换机是一个多端口的网桥，工作在数据链路层，以帧作为数据转发的基本单位。
特点：
①每个端口都直接与单台主机相连，而且一般都是工作在全双工方式；
②能同时连通许多对端口，使每对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，无碰撞地传输数据；
③由于使用了专用的交换结构芯片，因此交换速率较高；
④和透明网桥一样，也是即插即用设备，其内部的转发表也是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的；
⑤ 可以很方便地实现虚拟局域网VLAN( Virtual LAN)，不仅可以隔离冲突域，而且可以隔离广播域；
⑥独占传输媒体的带宽。对于普通10Mb/s的共享式以太网，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10Mb/s)的N分之一。
3、交换机的原理
以太网交换机的原理和网桥类似，也是基于MAC地址转发帧，即检测从某端口进入交换机的帧的源MAC和目的MAC地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据帧的MAC地址不在查找表中，则将该地址加入查找表，并将数据帧发送给相应的目的端口。
4、MAC地址学习过程
交换机MAC地址转发数据依赖MAC地址表，
假设某以太网交换机有4个接口，接口1连接主机A、接口2连接主机B、接口3连接主机C、接口4连接主机D。刚开始时，交换机中的MAC地址表为空。
现在主机A从接口1向主机B发送数据帧。交换机收到数据帧后，先查找地址表，没有查到应从哪个接口转发数据帧。这时，交换机就把数据帧的源MAC地址A和接口1写入到MAC地址表中，然后把这个数据帧广播给除接口1以外的所有接口。
主机C和D收到后丢弃该帧(由于目的地址不对)。
主机B则接收该帧，主机B回复数据帧给A，交换机将主机B的MAC地址和与之连接的接口2写入到MAC地址表。随着数据帧的多次转发，交换机就逐渐建立起了较为完整的MAC地址表。
5、交换机的交换方式
以太网交换机主要采用两种交换方式，即直通式交换和存储转发式交换。
1) 直通式交换：只检查帧的目的地址(含前导码时为帧的前14B，不考虑前导码时为6B)，这使得帧在接收后几乎能马上被转发出去。
这种方式速度快，但缺乏安全性，无法进行差错校验，帧错误会扩散到目的网段，也无法支持具有不同速率的端口的交换。
2) 存储转发式交换：先将接收到的帧缓存到高速缓存器中，并检查数据是否正确，确认无误后，查找转发表，并将该帧从查询到的端口转发出去。若发现该帧有错，则将其丢弃。
这种交换模式的优点是可靠性高， 进行差错校验，错误不会扩散到目的网段，并能支持不同速率端口间的转换，缺点是延迟较大。
注意，除了上述两种主要的交换方式外，局域网交换机还采用碎片隔离方式，这是介于前两种方式之间的一种解决方案。该方式检查数据包的长度是否够64B，如果小于64B，说明是假包(或称残帧)，则丢弃该包；如果大于64B，则发送该包。这种方式也不提供数据校验。它的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢。
6、真题与习题精编
(1)以太网交换机进行转发决策时使用的PDU地址是( )。
A. 目的物理地址 B. 目的IP地址 C. 源物理地址 D. 源IP地址
(2)某以太网拓扑及交换机当前转发表如下图所示，主机00-e1-d5-00-23-a1向主机00-e1-d5-00-23-c1发送一个数据帧，主机00-e1-d5-00-23-a1收到该帧后，向主机00-e1-d5-00-23-a1发送一个确认帧，交换机对这两个帧的转发端口分别是( )
目的地址 | 端口 |
00-e1-d5-00-23-b1 | 2 |
A.{3}和{1} B. {2,3}和{1} C. {2,3}和{1,2} D . {1,2,3}和{1}
(3)下列关于交换机的叙述中，正确的是( )
A.以太网交换机本质上是一种多端口网桥
B.通过交换机互连的一组工作站构成一个冲突域
C.交换机每个端口所连网络构成一个独立的广播域
D.以太网交换机可实现采用不同网络层协议的网络互联
7、答案精解
(1).【答案】A
【精解】本题考查交换机的工作原理。交换机是工作在数据链路层的设备，所以进行转发决策时，不可能使用IP地址，所以选项B和D排除；在进行转发的过程中，使用的一定是目的地址， 不可能用源地址，所以排除选项C。另外， 以太网交换机实质上是一个多端口网桥，网桥是根据目的物理地址来转发帧的，综上，选项A为正确答案。
(2).【答案】B
【精解】主机00-e1-d5-00-23-a1向00-e1-d5-00-23-c1发送数据帧时,交换机转发表中没有00-e1-d5-00-23-c1这项，所以向除1接口外的所有接口广播这帧，即2、3端口会转发这帧，同时因为转发表中没有00-e1-d5-00-23-a1这项,所以转发表会把(目的地址00-e1-d5-00-23-a1,端口1)这项加入转发表。而当00-e1-d5-00-23-c1向00-e1-d5-00-23-a1发送确认帧时,由于转发表已经有00-e1-d5-00-23-a1这项，所以交换机只向1端口转发。所以选项B为正确答案。
(3).【答案】A
【精解】交换机也称为交换式集线器，从本质上说就是一个多端口网桥， 属于数据链路层设备，所以不能实现不同网络层协议的网络互连。交换机的每一个端口都是一个冲突域，也就是说，交换机可以隔离冲突域。一般来说，一个网段就是一个冲突域，一个局域网就是一个广播域。广播域属于网络层的概念，只有网络层设备(路由器)才能分割广播域。综上，可排除选项B、C和D。故选项A为正确答案。
8、命题研究
数据链路层是历年考核的热点，涉及的知识点较多，包括数据链路层的功能、组帧、差错控制、流量控制与可靠传输机制、介质访问控制、局域网、广域网和数据链路层设备等八大考点。
从表3-1本章最近10年联考考点题型分值统计表可以分析出下面的一些规律和特点：
①从内容上看，考点集中出现在交换机、后退N帧协议、滑动窗口协议、选择重传协议、停止-等待协议、CSMA协议、CSMA/CD协议、CSMA/CA协议、以太网与IEEE 802.3、IEEE 802.11等知识点。相对而言,前三者出现频次较高。另外CDMA、HDLC协议也各考查过一次。
②从题型上看，既有单项选择题也有综合应用题。
③从题量和分值上看,2010年和2017年都是单独的综合应用题,各占9分。2011年、2012年、2019年和2022年,考查知识点分布到综合应用题里的某一个小问题。其他年份都是单项选择题，2小题4分或3小题6分。占分最多的年份是2017年11分(综合题1题9分和单选1题2分)，最少年份是2016年和2018年，均是单选2题占4分。
④从试题难度上看，整体上偏难，除了个别年份选择题较容易外(如2018年)，其他年份都有较难的试题出现，尤其是2017年的综合应用题是有一定难度的。总的来说，历年考核的内容都在大纲要求的范围之内，体现了考试大纲中能够运用计算机网络的基本概念、基本原理和基本方法进行网络分析和应用的要求。
从历年真题还可以看出，数据链路层的功能、组帧、差错控制和交换机的MAC地址学习过程和PPP协议等知识点还没有考查过，这些内容也属于数据链路层的重要知识，尽管没考过，但也应该理解或了解，以防黑马题出现。
从历年真题的命题规律来看，本章重要知识点(如可靠传输机制、随机访问介质访问机制和以太网交换机等)会间隔重复考查(一般间隔2~3年)，局域网(MAC协议和IEEE 802.11)和广域网(HDLC)也是个别年份考过，不排除以后再考的可能性。
从备考的角度来说，考生应高度重视本章的八大考点，熟练掌握有关典型协议及应用，在复习安排上，应投入充分的时间和精力，通过大量的练习掌握基本原理和基本方法，并能够灵活运用。
