什么是数据链路？数据链路层的基本功能有哪些？

数据链路除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。数据链路层的基本功能包括向网络层提供可靠的、透明的数据传输服务，将源节点的网络层数据可靠地传送到相邻节点的网络层。主要功能有链路管理、封装成帧、流量控制、差错控制、将数据和控制信息区分开、透明传输、寻址等。

组帧有哪些方法？分别介绍其特点。

组帧的方法有：

- 字节计数法：在帧头设置一个长度域，放置该帧的字节数，当收方收到帧后，通过帧的长度，确定帧的开始。但当帧的长度域出错，帧同步完全丢失，且该方法很少单独使用。

- 字符填充法：使用特殊的 ASCII 字符（不可打印的控制字符）作为帧的起始和终止定界符。当数据中出现定界符时，通过在定界符前面插入转义字符进行区分。缺点是数据传输的单位是字符，传输任意长度的二进制比特带来不便。

- 比特填充法：使用一个特殊的比特模式 01111110 作为帧的起始和结束标志。发送方边发送边检查数据，每连续发送 5 个“1”后在后面自动插入一个“0”。接收方在收到 5 个连续的“1”后将后面的“0”删掉而恢复出原始数据。好处是数据传输的基本单位是比特而不是字符，可用来传输任意长度的二进制比特串，通用性强。

- 违法编码法：当物理介质上使用的信号编码有冗余码字时，使用这些冗余的码字来作为帧的定界。

差错控制技术有哪些？检错码和纠错码有什么区别？

差错控制技术有前向纠错和自动重发请求。检错码能检测出错误，但不能纠正错误，如 CRC；纠错码能知道错误，且知道错误的位置，如海明码。

PPP 协议的组成部分有哪些？其工作状态是怎样的？

PPP 协议有三个组成部分：

- 提供一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。

- 一个链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)：建立、配置和测试数据链路的协议。

- 一套网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)：如为 IP 协议分配临时 IP 地址，支持多个网络层协议。PPP 协议的工作状态有链路静止、链路建立、鉴别、网络层协议、链路打开、链路终止等。

以太网的 MAC 层中，MAC 地址是如何分配的？

IEEE 的注册管理机构 RA(Registration Authority)是局域网法定的全球管理机构。负责分配地址字段 6 个字节中的前 3 个字节(即高位 24 位)。生产局域网网卡的厂家必须向 IEEE 购买由这 3 个字节构成的一个号(机构唯一标识符 OUI)。后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展的唯一标识符 EUI。网卡地址或网卡标识符常写为：EUI - 48。IEEE 规定地址第一字段第一字节为 I/G 比特；“0”表示单站地址；“1”表示组地址。

解释 CSMA/CD 协议的工作原理，包括争用期、冲突检测、二进制指数退避算法等。

CSMA/CD 协议的工作原理如下：

- “先听后讲”：发送前先侦听介质，若介质空闲，则立即发送；若介质忙，则继续侦听，直到介质空闲。

- “边讲边听”（冲突检测）：在发送过程中进行冲突检测。当几个站同时发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。

- “冲突停止”：若发送过程中检测到冲突，则立即停止发送。

- “随机等待”：停止发送后，须等待一段随机时间后再侦听介质。随机等待时间通过二进制指数退避算法确定，即令基本退避时间 T = 2τ（争用期）；k = min[重传次数，10]；r = 在 [0, 1, …, (2k - 1)] 中随机取一个数；退避时间 = rT。限定最大重传次数＝16，若发送 16 次仍不成功，则发送失败。

汉明码中，如何计算发送方冗余位？接收方如何验证？

汉明码中，发送方冗余位计算如下：

- 根据信息位长度(如每帧 K 位)，计算出所需冗余位位数 r：若需纠正一位错，需满足 2r≥K + r + 1。

- 确定校验比特和信息比特的位置，习惯上将校验比特放在 1、2、4、8、16…位置上。

- 通过信息比特的位置写成 2 的次幂之和的形式，确定每个信息位与哪些校验位有关联，从而得出校验比特的计算公式。

接收方验证：

接收端利用相应的偶关系进行验证，计算校正因子 S2、S1、S0。若校正因子全 0,无错；校正因子不全为 0，有错，错误位置为 S＝S2S1S0 处，将该比特取反。

以太网交换机和集线器有什么区别？

以太网交换机和集线器的区别如下：

- 功能方面：集线器是将多个设备连接在一起，形成一个更大的冲突域，不具备自动转发和自动寻址能力；以太网交换机工作在数据链路层，根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤，具有路由选择功能，每个接口是一个独立的冲突域。

- 工作方式：集线器工作在半双工模式，所有端口共享带宽；以太网交换机一般都工作在全双工方式，每个端口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，每个端口提供独立带宽。

- 性能方面：以太网交换机具有并行性，能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信，并且使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比集线器快很多。

生成树协议的作用是什么？

生成树协议（STP）的作用是不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除兜圈子现象。在任何两个站之间只有一条路径，避免了网络中的环路问题，防止广播风暴的发生。

以太网交换机的自学习功能是如何实现的？

以太网交换机的自学习功能实现过程如下：

- 开始时，交换表是空的。

- 当交换机收到帧后，先查找交换表。如果没有查到应从哪个接口转发这个帧给目的地址，就向除接收接口以外的所有接口广播这个帧，并把这个帧的源地址和接收接口写入交换表中。

- 如果交换表中有该源地址，就更新交换表中的该项（接口和有效时间）。

- 当交换机再次收到目的地址在交换表中的帧时，就直接按交换表中的转发接口转发帧。

- 交换表中每个项目都设有一定的有效时间，过期的项目就自动被删除，以适应可能的接口更换主机或主机更换网络适配器的情况。

以太网中帧间最小间隔的作用是什么？

以太网中帧间最小间隔为 9.6μs，相当于 96bit 的发送时间。这个间隔的作用是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

无效的 MAC 帧有哪些情况？

无效的 MAC 帧有以下情况：

- 数据字段的长度与长度字段的值不一致。

- 帧的长度不是整数个字节。

- 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错。

- 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃，以太网不负责重传丢弃的帧。

以太网中冲突是如何产生的？检测到冲突后怎么办？

以太网中冲突产生的原因是电磁波在媒体上的传播速度总是有限的。当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。

检测到冲突后，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。然后等待一段随机时间后再次发送。

为什么以太网规定了最短有效帧长为 64 字节？

对于 10Mb/s 以太网，在争用期内可发送 512bit，即 64 字节。以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。即如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。因此，以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

虚拟局域网有哪些优点？

虚拟局域网的优点有：

- 安全性好：没有路由的情况下，不同虚拟局域网间不能相互通信。

- 网络分段：可将物理网络逻辑分段，而不是按物理分段。可将不同地点、不同部门的计算机划分在一个虚拟局域网上。

- 提供较好的灵活性：方便地将一个站点加入或从一个 VLAN 中删除。

高速以太网有哪些特点？

高速以太网的特点：

- 100BASE-T 以太网：在双绞线上传送 100Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的 CSMA/CD 协议。可在全双工方式下工作而无冲突发生，不使用 CSMA/CD 协议。保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100m。帧间时间间隔从原来的 9.6μs 改为现在的 0.96μs。有三种不同的物理层标准：100BASE-TX 使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP；100BASE-FX 使用 2 根光纤；100BASE-T4 使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。

- 吉比特以太网：允许在 1Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。使用 802.3 协议规定的帧格式。在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议，全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议。与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。吉比特以太网在工作在半双工方式时，采用“载波延伸”的办法，使最短帧长仍为 64 字节，同时将争用时间增大为 512 字节。

- 10 吉比特以太网：与 10Mb/s，100Mb/s 和 1Gb/s 以太网的帧格式完全相同。保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。只使用光纤作为传输媒体。只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。

网桥有哪些类型？各有什么特点？

网桥的类型有：

- 固定路由网桥：路由是预先设定好的，不具备自动调整的能力。

- 透明网桥：根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或把它丢弃。

- 源路由网桥：由源站确定路由，将路由信息放在帧的首部中。这种网桥要求源站知道网络的拓扑结构，能够选择最佳路径。