* 计算机网络技术实用教程(第3版)
第4 章 数据链路层
本章基本要求：
掌握数据链路层的功能与作用，
掌握差错控制的作用和原理，
掌握数据链路层的设备与组件；
理解常用的成帧方式，
理解流量控制的作用和原理，
理解HDLC协议的主要内容。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
数据链路层功能
数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网
络层提供服务。数据链路层为物理链路上提供可
靠的数据传输。主要功能包括帧同步、差错控制、
流量控制、链路管理、寻址等。
相邻节点
所谓相邻节点是指由同一物理链路连接的所有
节点。相邻节点的最主要特征是节点之间的数据
通信不需要经过其他交换设备的转发。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
数据链路层功能
数据链路层必须要解决以下问题：
在相邻的节点之间实现物理寻址；
提供一种机制使得接收方能识别数据流
的开始与结束—同步；
提供相应的差错检测与控制机制以使有
差错的物理链路对网络层表现为一条无差
错的数据链路；
提供流量控制机制以保证源和目标之间
不会因发送和接收速率不匹配而引起丢失。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
数据链路层采用了被称为帧(frame)
的协议数据单元作为数据链路层的数据传
送逻辑单元。
不同的数据链路层协议的核心任务就
是根据所要实现的数据链路层功能来规定
帧的格式。
帧同步
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
1. 帧的基本格式
帧的基本格式是由那些具有特定意义的部分(域或字
段)组成。
帧开始字段和帧结束字段分别用以指示帧或数据流
的开始和结束。
地址字段给出节点的物理地址信息。
第三个字段则提供有关帧的长度或类型的信息或是
其他一些控制信息。
数据字段承载的是来自高层即网络层的数据分组。
帧检验序列FCS 字段提供与差错检测有关的信息。
帧开始 地址 长度/类型/控制 数据 帧结束FCS
图 帧的基本格式
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
2. 成帧与拆帧
帧发送和接收过程大致如下：
发送端的数据链路层接收到网络层的发送请求
之后，便从网络层与数据链路层之间的接口处
取下待发送的分组，并封装成帧，然后经过物
理层送入传输信道；
接收端的数据链路层从来自物理层的比特流中
识别出独立帧，然后利用帧中的FCS字段对每帧
进行校验，判断是否有错误。如果有错误，就
采取收发双方约定的差错控制进行处理。如果
没有错误，就对帧实施拆封，上交给网络层。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
3. 帧的定界
帧定界就是标识帧的开始与结束。有四种:
(1) 字符计数法
字符计数法是在帧头部中使用一个字符计数字
段来标明帧内字符数。
(2)带字符填充的首尾界符法
带字符填充的首尾界符法是在每一帧的开头用
ASCII 字符DLE STX，在帧末尾用ASCII 字符
DLE ETX。填充字符DLE。
(3) 带位填充的首尾标志法
带位填充的首尾标志法一次只填充一个比特
“0”而不是一个字符“DLE”。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
差错控制
所谓差错是指接收端收到的数据与发送
端实际发出的数据出现不一致的现象。
产生差错主要是因为在通信线路上噪声
干扰的结果。根据噪声类型不同，可将差
错分为随机错和突发错。热噪声所产生的
差错称为随机错，冲击噪声(如电磁干扰、
无线电干扰等)所产生的错误称为突发错。
差错的严重程度由误码率来衡量。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
传输差错产生过程
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
数据帧在链路传输的几种情况
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
1. 差错控制的作用与机制
为了有效地提高传输质量，一种方法是改善通
信系统的物理性能，使误码的概率降低到满足要
求的程度。另一种方法是差错控制，它是利用编
码的手段将传输中产生的错码检测出来，并加以
纠正。
差错控制：是指在数据通信过程中，发现、检
测差错，对差错进行纠正而把差错限制在数据传
输所允许的尽可能小的范围内的技术和方法。
差错控制编码：检错码和纠错码。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
差错控制方法
反馈重发纠错实现机制
停止等待方式：
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
连续工作方式：
拉回方式
选择重发方式
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
流量控制
流量控制的作用就是使发送方所发出的
数据流量不要超过接收方所能接收的速率。
流量控制的关键是需要有一种信息反馈
机制，使发送方能了解接收方是否具备足够
的接收及处理能力。
停止等待协议也可以实现流量控制,但
效率低。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
窗口机制
发送窗口W
T
=5，接收窗口W
R
=1
图（a）:刚开始发送时的情况，
在发送窗口内的序号的数据帧就
是可以发送的数据帧，若发送方
发送完5个帧（0～4号帧）后，仍
未收到任何确认信息，则停止发
送，进入等待状态。
图（b）:接收方已正确接收0号帧
并发送确认帧，同时接收窗口向
前滑动，准备接收1号帧；发送方
收到确认信息，发送窗口向前滑
动1个序号，5号帧落入发送窗口，
可以发送5号帧。
图（c）:接收方已正确接收0～3
号帧并发出确认帧，接收窗口继
续向前滑动，准备接收4号帧；发
送方收到确认信息，发送窗口向
前滑动3个序号，6、7、0号帧落
入发送窗口，可以发送。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
链路管理
链路管理功能用于面向连接的服务。在
链路两端的节点要进行通信前，必须首先确
认对方已处于就绪状态，并交换一些必要的
信息以对帧序号初始化，然后才能建立连接。
在传输过程中则要维持该连接。如果出现差
错，需要重新初始化，重新自动建立连接。
传输完毕后要释放连接。
数据链路层连接的建立、维持和释放就称
作链路管理。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
1. 无确认的无连接服务方式
两个相邻机器之间在发送数据帧之前，事
先不建立连接，事后也不存在释放连接；
源机器向目标机器发送独立的数据帧，而
目的机器不对收到的帧作确认。这类服务
通常适用于误码率很低的信道，如大多数
局域网都使用这种无确认的无连接服务方
式。
数据链路层提供的基本服务
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
数据链路层所提供的基本服务
2. 有确认的无连接服务方式
不需要建立连接，源机器向目标机器发送独
立的数据帧，但是接收站点要对收到的每一帧
作确认，即在收到数据帧之后回送一个确认帧，
而发送站点在收到确认帧之后才会发送下一帧。
当在一个确定的时间段内没有收到确认帧时，
发送方就认为所发送的数据帧丢失并自动重发
此帧。自动重发可能会产生接收站点收到重复
的数据帧的问题。适用于像无线网之类的不可
靠信道。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
数据链路层所提供的基本服务
3. 确认的面向连接服务方式
发送数据之前，先建立连接，然后才会启动帧
的传送。在发送数据阶段，要为所传送的每一帧
都要编上号，数据链路层提供相应的确认和流量
控制机制来保证每一帧都只被正确接收一次，并
保证所有帧都按正确的顺序被接收。传输完成之
后，要拆除或释放所建立的连接。
该服务方式分：链路建立阶段、数据传输阶段
和链路拆除阶段。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
数据链路层的设备与组件
数据链路层的设备与组件是指那些同时具有物理层
和数据链路层功能的设备或组件。网卡,网桥,交换机
网卡
网卡NIC是局域网中提供各种网络设备与网络通信介
质相连的接口。网卡插在主机板的扩展槽上，包括接
口控制电路、数据缓冲器、数据链路控制器、编码解
码电路、内收发器、介质接口装置等六大部分。网卡
主要实现数据的发送与接收、帧的封装与拆封、编码
与解码、串/并和并/串、介质访问控制和数据缓存等
功能。因为网卡的功能涵盖了OSI模型的物理层与数据
链路层，所以通常将其归于数据链路层的组件。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
数据链路层的设备与组件
网卡地址，固化在网卡上的，全球唯一。
48位。70亿个。 24bit表示生产厂商，后
24bit为生产厂商所分配的产品序列号。
IRQ（中断请求）：常用IRQ3
I/O端口地址：缺省300H,避免冲突
内存地址
引导芯片:无盘启动ROM芯片
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
数据链路层的设备与组件
按照网络技术的不同可分为以太网卡、令牌环网卡、
FDDI网卡等。目以太网网卡最常见。
按照传输速率，单单以太网卡就提供了10Mbps、
100Mbps、1000Mbps和10Gbps等多种速率。
数据传输速率是网卡的一个重要指标。
按照总线类型分类，网卡可分为ISA总线网卡、
EISA总线网卡、PCI总线网卡及其他总线网卡等。
按照所支持的传输介质，网卡可分为双绞线网
卡、粗缆网卡、细缆网卡、光纤网卡和无线网
卡。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
数据链路层的设备与组件
网卡驱动程序
驱动程序是一种控制特定设置的硬件级程
序，NIC驱动程序是网卡与OS的接口。
网卡与介质连接
粗缆：T型接头和AUI接头和终结器。
细缆：T型接头，BNC接头和终结器。
双绞线：RJ45连接器。
光纤连接器：ST头（标准）和SC头。 光
纤的主要信号衰减在连接器上。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
网桥
网桥工作在OSI模型中数据链路层的MAC子层。
网桥可以将局域网分成两个或更多的网段，它
通过隔离每个网段内部的数据流量，从而增加了
每个节点所能使用的有效带宽。
网桥是一种将网络上的不同网段连接在一起的
互联设备，用来实现不同网段之间的数据帧的过
滤和转发。
它工作在第二层中,MAC地址，数据帧。
网桥通常只连接协议相同的LAN，虽然可以连
接不同协议。 网桥各端口的LAN在同一个逻辑网
络号或子网号
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
网桥
2. 网桥功能
(1) 物理上扩展网络
一个网桥可以连接多个网络，同时一个网络又
可以使用多个网桥与其他网络互连。
(2) 数据过滤功能
在网桥中，要维持一个交换表，该表给出关于
网桥不同接口所连主机的MAC 地址信息。网桥
根据数据帧中的目的地址判断是否转发该帧。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
网桥
(3) 逻辑划分网络的功能
通过对帧的过滤，网桥实现了物理网络内部通信的
相互隔离，源和目标在同一物理网段中的数据帧由于
网桥的数据过滤作用是不会被转发或渗透到其他网段
中的。将网桥所具备的这种隔离功能称为逻辑划分网
络的功能。
(4) 数据推进功能
网桥根据数据过滤的结果实现数据帧的转发。
(5) 帧格式转换功能
当数据帧通过网桥到达另一个执行不同局域网协议
的LAN 时，网桥还能够对帧格式进行转换处理。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
3. 网桥分类
本地桥(内桥和外桥)，远程桥（公网）。
网桥本地网段1 本地网段2
网桥
1
网段1 网段2网桥
2
公用网
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
内桥：它是文件服务器的一部分。在服务器中利用不
同的网卡把LAN连接起来。
外桥：是独立于被连接网络之外的、实现两个相似的
不同LAN之间的连接设备(专用或非专用）
服务器(内桥)
外桥
3. 网桥分类
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
4. 透明网桥的工作原理
透明网桥安装方便，主机透明。不选最好。
工作原理：
维护地址表(端口号和主机地址）
自动学习网络的拓朴结构
过滤本网段帧
转发异网段的帧
如果目的网不知道，则广播该帧。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
交换机
1. 交换技术的基本原理
局域网交换技术是OSI参考模型中的第二
层——数据链路层上的技术，所谓“交换
”实际上就是指转发数据帧。多端口网桥。
在数据通信中，所有交换机执行两个操作：
交换数据帧，将从输入介质上收到的数
据帧转发至相应的输出介质；
维护交换操作，构造和维护交换地址表。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
交换机
（1） 交换数据帧
交换机根据数据帧的MAC地址进行数据帧的转发操作:
如果数据帧的目的MAC地址是广播地址或者组播地址，
则向交换机所有端口转发（除数据帧来的端口）。
如果数据帧的目的地址是单播地址，但是这个地址并
不在交换机的地址表中，那么也会向所有的端口转发。
如果数据帧的目的地址在交换机的地址表中，那么就
根据地址表转发到相应的端口。
如果数据帧的目的地址与数据帧的源地址在一个网段
上，它就会丢弃这个数据帧，交换也就不会发生。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
交换机
① 当主机D发送广播帧时，交换机从E3
端口接收到目的地址为的
数据帧，则向E0、E1、E2和E4端口转发。
② 当主机D与E主机通信时，交换机从E3
端口接收到目的地址为的
数据帧，查找并不在表中，
因此交换机仍然向E0、E1、E2和E4端口转
发该数据帧。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
交换机
③ 当主机D与主机F通信时，交换机从E3端口
接收到目的地址为的数据帧，
查找地址表后发现也位于E3端
口，即与源地址处于同一个网段，所以交换机
不会转发该数据帧，而是直接丢弃。
④ 当主机D与主机A通信时，交换机从E3端口
接收到目的地址为的数据帧，
查找地址表后发现位于E0端口，
所以交换机将数据帧转发至E0端口，这样主机A
即可收到该数据帧。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
交换机
⑤ 如果在主机D与主机A通信的同时，主机B也
正在向主机C发送数据，交换机同样会把主机B
发送的数据帧转发到连接主机C的E2端口。这时
E1和E2之间，以及E3和E0之间，通过交换机内
部的硬件交换电路，建立了两条链路，这两条
链路上的数据通信互不影响，因此网络亦不会
产生冲突。
所以，主机D和主机A之间的通信独享一条链路，
主机C和主机B之间也独享一条链路。而这样的
链路仅在通信双方有需求时才会建立，一旦数
据传输完毕，相应的链路也随之拆除。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
交换机
图 数据帧交换过程
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
（2）构造维护交换地址表
交换机的交换地址表中，一条表项主要由一个主机
MAC地址和该地址所位于的交换机端口号组成。整张地
址表的生成采用动态自学习的方法。
在地址表项之前，首先应该查找地址表中是否已经
存在该源地址的匹配表项，仅当匹配表项不存在时才
能存储该表项。
每一条地址表项都有一个时间标记，用来指示该表
项存储的时间周期。地址表项每次被使用或者被查找
时，表项的时间标记就会被更新。如果在一定的时间
范围内地址表项仍然没有被引用，它就会从地址表中
被移走。因此，交换地址表中所维护的一直是最有效
和最精确的地址—端口信息。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
2. 交换机三种交换技术
（1）端口交换
根据支持的程度，端口交换还可细分为：
模块交换： 将整个模块进行网段迁移；
端口组交换：通常模块上的端口被划分为若干组，
每组端口允许进行网段迁移；
端口级交换：支持每个端口在不同网段之间进行迁
移。这种交换技术是基于OSI第一层上完成的，具有灵
活性和负载平衡能力等优点。如果配置得当，那么还
可以在一定程度进行容错，但没有改变共享传输介质
的特点，因而不能称之为真正的交换。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
数据链路层的设备与组件
（2）帧交换
帧交换是目前应用最广的局域网交换技术，它通过对传统
传输媒介进行微分段，提供并行传送的机制，以减小冲突域，
获得高的带宽。对网络帧的处理方式一般有以下几种：
直通交换：提供线速处理能力，交换机只读出网络帧的前
14个字节，便将网络帧传送到相应的端口上；
存储转发：通过对网络帧的读取进行验错和控制。
（3）信元交换
ATM采用固定长度53个字节的信元交换。由于长度固定，因
而便于用硬件实现。ATM采用专用的非差别连接，并行运行，
可以通过一个交换机同时建立多个节点，但并不会影响每个
节点之间的通信能力。ATM的带宽可以达到25M、155M、622M
甚至数Gb的传输能力。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
数据链路层的设备与组件
3. 局域网交换机的种类
(1) 广域网交换机和局域网交换机。
(2) 交换机被划分为接入层交换机、汇聚层交
换机和核心层交换机。
(3) 从传输介质和传输速度上看，局域网交换
机可以分为以太网交换机、快速以太网交换机、
千兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和
令牌环交换机等多种，这些交换机分别适用于
以太网、快速以太网、FDDI、ATM和令牌环网等
环境。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
数据链路层的设备与组件
(4) 从规模应用上又有企业级交换机、部门级交换
机和工作组交换机等。
(5) 交换机又可以分为第二层交换机、第三层交换
机、第四层交换机等，一直到第七层交换机。基于MAC
地址工作的第二层交换机最为普遍，用于网络接入层
和汇聚层。
(6) 按照交换机的可管理性，又可把交换机分为可
管理型交换机和不可管理型交换机.
(7) 按照交换机是否可堆叠，交换机又可分为可堆
叠型交换机和不可堆叠型交换机两种。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
数据链路层的设备与组件
(8) 按照最广泛的普通分类方法，局域网交换
机可以分为桌面型交换机、工作组型交换机和
校园网交换机三类。
(9) 根据交换技术的不同，有人又把交换机分
为端口交换机、帧交换机和信元交换机三种。
(10) 从应用的角度划分，交换机又可分为电
话交换机（PBX）和数据交换机（Switch）。当
然，目前在数据上的语音传输VoIP又有人称之
为“软交换机”。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
数据链路层的设备与组件
4. 交换机之间的连接
交换机之间的连接采用一根交叉的双绞线（1、2和3、
6对调）将它们连接起来。如果下级交换机有Uplink口，
也可以接到Uplink口上，用直连线连接。
（1）级联:通过上联端口实现与骨干交换机的连接。
（2）冗余连接 :在以太网环境下是不允许出现环路
的，生成树（Spanning Tree）则可以在交换机之间实
现冗余连接又避免出现环路。
（3）堆叠 :提供堆叠接口的交换机之间可以通过专
用的堆叠线连接起来。堆叠的带宽是交换机端口速率的
几十倍。
* 计算机网络技术实用教程(第3版)
技能训练：交换机和集线器的级联
交换机和集线器的连接都可以采用级联方
式，两者级联的方法基本相同，只是集线器
的级联应严格遵守集线器级联配置规则：
如果交换机具有级联端口，那么可以通过
一条UTP直连线将一条交换机的级联端口连入
另一台交换机的普通端口。
如果交换机没有级联端口，那么可以通过
一条UTP交叉线将两台交换机的普通端口进行
连接。
