网络基础笔记--看一眼睡意盎然

网络基础

晚上睡不着必备文章

计算机网络的概念/定义

通过通信线路和网络设备将地理位置不同、具有自主处理能力的多台计算机互连起来，以功能完善的网络通信协议和其它网络软件实现资源共享和信息传递的系统集合。

1、计算机网络是计算机技术与现代通信技术相结合的产物。
2、计算机网络的基本功能就是资源共享和数据通信。
3、为接入网络的计算机提供连通性服务是计算机网络的基本能力。

计算机网络的形成与发展

1、以单台主机为中心的远程联机阶段

20世纪50年代初，美国半自动地面防空系统，一台主机与多台终端相连
1964年问世的美国航空公司的飞机票预定系统SABER				

2、计算机之间的联机阶段

1969年美国国防部高级研究计划局DARPA出资组建的ARPANET分组交换网

3、标准化体系结构的计算机网络阶段

原因：不同厂家推出的网络体系结构不兼容，产品不能互联。
典型事件：
20世纪70年代末期推出的TCP/IP协议族规范
1984年正式公布的开放系统互连参考模型OSI/RM的国际标准ISO7498

4、高速网络和Internet高速发展与应用的阶段

1993年9月美国公布了国家信息基础设施（National Information Infrastructure，NII）的建设计划。

计算机网络在我国的发展

1989年11月，我国的第一个分组交换网CNPAC（China Packet Switched Network，中国分组交换数据网）建成运行。
1993年建成新的中国公用分组交换网，并改称CHINAPAC。
1994年4月20日，我国用64Kbit/s的专线连入Internet，从此被国际上正式承认为真正拥有全功能Internet的第77个国家。

目前，我国主要有以下5大公用计算机网络：
中国电信互联网CHINANET
中国移动互联网CMNET
中国联通互联网UNINET
中国教育和科研计算机网CERNET
中国科学技术网CSNET

计算机网络的组成

其核心部件是路由器，它是一种专用计算机，其主要作用是实现网络互连并将收到的每一个数据包转发出去。

将数据包从一个路由器转发到另一个网络的过程称为交换，路由器也因此称为交换结点。
常用的交换技术主要有电路交换和分组交换。
路由器采用分组交换技术。

1、电路交换

电路交换主要存在于电话网中。

电路交换可以概括为“建立电路”“发送数据”“释放电路”三个过程。
电路交换特点是预先分配资源，且独占线路。

电路交换的优点就是一旦电路建立后，将可以实现近乎实时和可靠的通信，因而很适合像语音电话这样的业务。

电路交换不适合用来传输计算机数据，这是由于：
计算机发送数据具有突发性和随机性
当只有少量数据要发送时，该电路的利用率将非常低。
由于线路被独占，会严重影响与其它计算机之间的通信。
哪怕只发送一个字节，都要先建立电路，这样会带来较大的时间延迟。

2、分组交换

分组交换技术主要用于计算机网络，这种方式在通信之前不需要建立连接，也不需要预先分配带宽资源。

分组交换具有以下特点：
分组交换技术主要用于计算机网络
通信之前不需要建立连接，也不需要预先分配带宽资源。而是动态分段分配资源。
由于每个分组单独传输，且每个分组的长度很小，因此交换效率高。
同一个报文的不同分组的传输路径可能不相同，到达目的地时与发送的先后顺序也可能不相同。
分组交换的主要缺点是分组在各路由器存储转发时需要被储存和排队，这将造成一定的时延，对实时通信有一定的影响。

计算机网络的作用

计算机网络的结构

OSI/RM是法定的国际标准，但由于各种原因并没有在真实的网络中实现。

但该模型本身是非常通用的，它提出的一些思想、概念和协议一直被广泛应用。
OSI网络体系结构从功能上划分为7个层次，从上到下依次为应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层和物理层
每个层次都有相应的协议，不同结点的通信实体通过同等层（称为对等层）之间的协议实现通信，协议在水平方向起作用。

为了便于教学和研究，荷兰皇家艺术与科学院院士Andrew S. Tanenbaum提出了计算机网络的五层体系结构。
五层体系结构自上而下依次为应用层、运输层、网络层、数据链路层和物理层
这种五层体系结构并不是什么标准，但它比较符合Internet的实际情况

应用层（Application Layer）

应用层作为最高层，与OSI的应用层、表示层和会话层相对应，和TCP/IP的应用层相同。
本层提供面用户的网络服务，负责管理和执行应用程序，为用户提供各种服务，管理和分配网络资源，提供通用一致和方便的服务。
包括文件传输协议FTP，超文本传输协议HTTP、远程通信协议TELNET、简单网络管理协议SNMP、电子邮件和网络新闻等应用层协议。

运输层（Transport Layer）

运输层也称为传输层，负责进程间的通信，为两个应用进程之间提供端到端的数据传输服务。
端到端的通信涉及端点间是否和如何建立通信连接，是否和如何进行数据传输的流量控制、拥塞控制和差错控制等问题。
TCP/IP的运输层有传输控制协议TCP用户数据报协议UDP两个协议。
TCP提供面向连接的、可靠的数据传输服务，基本单位为报文段
UDP提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务，基本单位为用户数据报

网络层（Network Layer）

网络层的功能属于网络核心部分，其任务是实现网络互连与互通。
网络层要解决的关键问题是选择路径，路径可以固定不变，也可以动态变化。
网络层要求能使异构网络互联互通。
网络层常常还设有记账功能。
TCP/IP的网络层最主要的协议是IP，它提供无连接的、不可靠的和尽力而为的数据传输服务，传递的数据基本单位为IP数据报，也称为分组、包或者数据包等。

数据链路层（data link layer）

数据链路层负责在单条链路两端上的结点之间传送称为帧的PDU。帧就是有定界的数据块，即每个帧都有明确的开始和结束标志。
数据链路层负责建立、维持和释放两结点之间的数据链路，检测和校正物理层可能发生的差错。
在OSI模型中，数据链路层还要实现差错控制、流量控制以及确认应答，这与运输层中相应功能是重复的。现在网络的实践证明这是没有必要的。

物理层（Physical Layer）

物理层是OSI的最低层，其任务是为数据链路层提供透明的比特流传输服务。
向下与物理媒体相连，规定连接物理媒体的网络接口的规范。
比如规定信号的电压值，多少伏特表示“1”，多少伏特表示“0”；
1比特持续多少纳秒；
网络连接器有多少针以及各针的用途；
传输的介质是什么和采用什么编码等。

通道复用与频带传输

通道复用

信道复用就是将一条物理传输线路在逻辑上划分成多个信道，每个信道传输一路信号，如同一条高速公路被划分成多条车道一样。

信道复用包括复用、传输和解复用3个过程。

基本的复用技术包括频分复用FDM和时分复用TDM。

计算机网络主要使用TDM技术。
现在人们对信道复用技术的研究由电信号的TDM转向光信号的波分复用WDM，充分挖掘光纤的巨大带宽潜力。
还有一种复用技术是码分复用或者称为码分多址CDMA，它根据码型结构的不同来实现信道复用，主要应用于卫星通信和移动通信中。

时分复用

时分复用TDM用于数字传输，它将一条传输线路的传输时间划分成若干时间片（也称时隙或时槽），各个发送结点按一定的次序轮流使用这些时间片。

统计时分复用STDM（Statistic TDM）

统计时分复用STDM（Statistic TDM）是一种改进的时分复用技术。
它按需动态地分配时间片，能明显地提高线路的利用率。

波分复用

波分复用WDM本质上就是光的频分复用
由于光载波的频率很高，人家习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波，这就是波分复用的由来。

波分复用就是将不同波长的光复用到一根光纤上传输的技术，主要设备为合/分波器。
按照复用时信道间隔的不同，WDM又可以分为：
稀疏波分复用（coarse WDM，简称CWDM），信道间隔为20nm
密集波分复用（Dense WDM，简称DWDM），信道间隔为0.2~1.2nm。
目前每个波长的数据传输速率超过40Gbps，在一根光纤上可以复用的光波数量可达320个，这使得一根光纤的数据传输可高达10Tbps。

码分复用

码分复用CDMA是另一种共享信道的方法。
CDMA具有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
CDMA现在已广泛应用在民用移动通信，特别是无线局域网。
在CDMA系统中，每个用户可以使用同样的频带同时通信
这是由于各用户使用了经过特殊挑选的不同码型，使得各用户信号之间不会相互干扰。

宽带接入技术

宽带技术成熟之前，在相当长的一段时间内有一种十分流行的称为公共交换电话网络PSTN拨号接入Internet的方法。

ADSL接入

ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line，非对称数字用户线路）是利用电话线和ADSL Modem连接到电话网，并通过电话网接入到Internet的一种宽带接入技术。

支持同时传输电话语音和计算机业务数据。
之所以称为“非对称”是因为ADSL提供了下行大于上行的非对称传输速率。
ADSL一般多用于个人或家庭用户，可传输数字电视、视频点播、WWW浏览等日常网络业务。

ADSL的ITU标准是G.992.1，或称G.dmt，表示它使用DMT（Discrete Multi-Tone，离散多音调）技术，这里的多音调就是多载波或者多子信道的意思。
通常，模拟电话线路的传输带宽可达到1.1MHz，而普通老式电话业务（Plain Old Telephone Service, POTS）只使用0Hz~4000Hz这一段。
ADSL使用FDM方式，将40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分成许多子信道，其中25个子信道用作上行信道，而249个子信道用作下行信道，并使用不同的载波进行数字调制。

基于ADSL的接入网主要由以下三个部分组成。
用户端设备：主要有ADSL Modem和POTS分离器。
ADSL Modem又称为远端接入端接单元ATU-R，它将来自用户计算机的数字数据和来自电话线的模拟信号进行调制与解调。
POTS分离器则将来自ADSL Modem的模拟信号和来自电话机的语音信号合成并通过电话线进行传输。或者反过来则将这两个信号进行分离并分别送往ADSL Modem和电话机。
现在的ADSL Modem已经集成了POTS分离器，只对外提供一个电话线接口和一个以太网口，电话线接口用于连电话机，以太网口用于连PC机。

HFC接入

一个HFC系统由以下三个部分组成：

干线传输

分配网

用户线

用户住宅通过安装一个用户接口盒（User Interface Box，UIB）来连接机顶盒、电话和Cable Modem（电缆调制解调器）。
用户端的主要设备是Cable Modem，它用来连接用户计算机和HFC网络，实现计算机中的数字数据与同轴电缆中的模拟信号之间的调制与解调。
相对于一个ADSL用户独占且稳定的带宽，一个ODN下的所有用户共享该HFC网络带宽，当同时上网的用户较多时，速度就会下降，而且带宽也不稳定。
由于同轴电缆是共享传输媒体，容易被人窃听，安全性较差。

光纤宽带接入

光纤宽带接入就是指利用光纤作为主要传输媒体与Internet相连，实现高速传输网络数据业务的一种宽带接入技术。
光纤接入网可分为无源光网络（Passive Optical Network，PON）和有源光网络（Active Optical Network，AON）。
由于PON具有扩展更方便、投资成本更低以及可靠性和安全性更高等优点而得到广泛应用。

基于PON的光纤宽带接入网可以分为以下三个部分：

（1）局端
该部分主要的设备是OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）
OLT是连接到Internet光纤干线的终端设备，它将来自Internet的数据发往无源的1:N光分路器。
然后用广播方式发送给所有用户端的ONU（Optical Network Unit，光网络单元）。

（2）光配线网
光配线网（Optical Distribution Network，ODN）是光纤干线和广大用户之间的一段转换装置。
它使数十户家庭能够共享一根光纤干线。

（3）用户端
用户端的主要设备是ONU（Optical Network Unit，光网络单元）
平常说的光猫就属于一种特殊的ONU，它的主要作用是实现计算机的数字数据与光纤上的光信号之间的相互转换。
ONU的一端用光纤与光分路器相连，另一端用双绞线与计算机直接相接，或者通过交换机连接一个小型局域网。

根据ONU的不同位置，光纤接入又可以分为以下几种不同类型，统称为FTTx（Fiber to the x）：

（1）FTTH：这里的H代表Home，意为光纤到户，ONU设在用户家中。这应该是广大网络用户所向往的一种接入方案。
（2）FTTC：这里的C 代表Curb，意为光纤到路边，ONU设在路边。
（3）FTTB：这里的B代表Building，意为光纤到大楼，ONU设在大楼内。
（4）FTTO：这里的O代表Office，意为光纤到办公室，ONU设在办公室内。
（5）FTTF：这里的F代表Floor，意为光纤到楼层，ONU设在楼层。
（6）FTTZ：这里的Z代表Zone，意为光纤到小区，ONU设置的小区内。
（7）FTTD：这里的D代表Desk，意为光纤到桌面。

以太网接入

大学校园和企事业单位的内部局域网通过与边缘路由器相连，边缘路由器则用光纤与ISP相连，用户计算机则通过连接到这样的内部局域网来实现与Internet相连。
这种接入是目前学校、公司、企业甚至小区等非常流行的一种接入方法，其本质可以认为是FTTx。即便是FTTH，家中的多台计算机通过与路由器相连来实现上网的方式也属于以太网接入

无线接入

无线接入就是利用无线传输媒体与Internet相连，实现移动通信的一种技术。

1、通过无线局域网接入
在无线局域网（Wireless LAN，WLAN）方案中，用户设备通过无线传输媒体与接入点（Access Point，AP）相连，而AP用有线传输媒体并通过路由器与Internet相连。
用户设备必须位于AP周围数十米范围内。典型应用就是Wi-Fi。

数据链路层概述

数据链路层的通信对等实体之间的传输通道称为数据链路，它是一个逻辑概念，包括物理线路和必要的传输控制协议。

数据链路层要求完成以下功能：
（1）向网络层提供一个定义良好的服务接口。
（2）处理传输错误。
（3）调节数据流，确保慢速的接收方不会被快速的发送方的数据淹没。

数据链路层将网络层传下来的分组封装到**帧（Frame）**中，在网络层分组的前后分别加上帧头和帧尾就组成了帧。

对帧的管理是数据链路层的工作核心，基本任务可以概括为封装成帧、透明传输和差错检测三个方面。

五层网络体系结构模型中，数据链路层的功能是为网络层提供服务，最主要的服务是将发送方的网络层传下来的分组传输给接收方的网络层。

数据链路层提供的服务

通常OSI的数据链路层要求提供以下三种服务：

1、无确认的无连接服务

该服务就是指发送方向接收方发送一个帧，接收方收到该帧后并不向发送方进行确认。
通信前不用建立逻辑连接。
在有线网络中，由于发生传输错误（如帧丢失）的概率非常低，而且即便有少量传输错误也可以交给高层来完成恢复。因此，这类服务适合于有线网络，实际的有线网络也确实如此，本章后面介绍的内容也将基于此服务。

2、无确认的无连接服务

为了提高可靠性，引入了有确认的无连接服务。
使用这种服务在通信前仍然不需要建立连接，但是每发送一个帧都需要接收方进行确认，如果在规定的时间内没有收到确认，则发送方需要重传该帧，直到收到确认为此。
这类服务适用于无线系统。

3、有确认的面向连接服务

在无线网络中，由于无线传输媒体受雨水、阳光和障碍物等影响，传输特性会不太稳定，传输错误概率就会比较高。
为了进一步提高可靠性和传输效率，可以采用有确认的面向连接服务。
这种服务在通信前要求先建立一条逻辑连接，然后数据位流沿着这条逻辑连接有序和可靠地传输，通信结束时释放该连接。
要实现有确认的面向连接的可靠服务，还要实现差错控制和流量控制，而运输层已经提供了这两个功能。为了避免重复，很多实际的网络特别是有线网络在数据链路层并不提供这两个功能。

差错检测

[视频][https://mooc1-3.chaoxing.com/coursedata/toPreview?courseId=205979252&dataId=184667303&objectId=23fa1dccff3d3befa72fbfa9064c8492]

1、奇偶校验

奇偶校验（Parity Check）是一种最常用，最简单，费用也最低的错误校验方法。奇偶校验可分为奇校验和偶校验两种形式。

在奇校验中，在每个数据单元中附加一位校验位，使得每个数据单元（含校验位）中的1的个数为奇数。如1000010的奇校验码为10000101。

在偶校验中，在每个数据单元中附加一位校验位，使得每个数据单元（含校验位）中的1的个数为偶数。如1000010的偶校验码为10000100。

奇偶校验可以检测出所有单比特错误，也可以检测出发生错误的比特数是奇数的突发性错误。但无法检测出发生错误的比特数是偶数的突发性错误。

2、CRC检错

CRC即循环冗余校验码：是数据通信领域中最常用的一种查错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。

循环冗余检查（CRC）是一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备也执行类似的算法，以保证数据传输的正确性和完整性。

CRC校验原理：

其根本思想就是先在要发送的帧后面附加一个数（这个就是用来校验的校验码.

但要注意，这里的数也是二进制序列的，下同），生成一个新帧发送给接收端。

当然，这个附加的数不是随意的，它要使所生成的新帧能与发送端和接收端共同选定的某个特定数整除（注意，这里不是直接采用二进制除法，而是采用一种称之为“模2除法”）。

到达接收端后，再把接收到的新帧除以（同样采用“模2除法”）这个选定的除数。

因为在发送端发送数据帧之前就已通过附加一个数，做了“去余”处理（也就已经能整除了），所以结果应该是没有余数。如果有余数，则表明该帧在传输过程中出现了差错。

PPP协议

参考视频：

1、[视频1][https://mooc1-3.chaoxing.com/coursedata/sharedResource?key=NK56UKNJCM%2BnY6Zz3h3Pj/6kWBm9QPMP9V2dZ4mnzRY%3D]

2、[视频2][https://mooc1-3.chaoxing.com/coursedata/sharedResource?key=6GFHp5OyaaOKPs2%2BeI%2BPLByo4uEASTy4MMOvh9e7LTU%3D]

3、[视频3][https://mooc1-3.chaoxing.com/coursedata/sharedResource?key=MwLPhpym8jIk%2Br69K8iWhtZIIcwqJXbPOneRhzVKpBw%3D]

4、[视频4][https://mooc1-3.chaoxing.com/coursedata/sharedResource?key=byl12tFfHTrrLIDnBrKxH7JDTNwu45GV4lRE6Yx6vXk%3D]

点到点协议

点到点协议PPP（Point-to-Point Protocol）用于传送从路由器到路由器之间的流量，以及从家庭用户到ISP之间的流量。

PPP是一种提供无确认无连接服务的数据链路层协议，它提供的服务可以归纳为以下3点：

（1）一种成帧的方法：定义了设备之间要交换的帧的格式，并支持错误检测。

（2）一个链路控制协议（Link Control Protocol，LCP），该协议用于启动线路、测试线路、协商参数以及关闭线路，支持同步和异步线路，也支持面向字节和面向位的编码方法。

（3）一种协商网络层选项的方法，并且协商方法与所使用的网络层协议独立，所选择的方法对于每一种支持的网络层都有一个不同的NCP（Network Control protocol，网络控制协议）。

PPP帧格式

PPP是HDLC（High-level Data Link Control，高级数据链路控制）协议的一个版本，是目前使得最广泛的数据链路层协议，而用于实现可靠传输的HDLC已经很少使用了。

（1）标志：占1字节，该字段用于标识帧的起始和结束，其二进制值为01111110（对应十六进制0x7E），与位填充法的位模式完全一样。当PPP用于异步传输时，采用字节填充法，且转义字符的二进制值为01111101（对应十六进制0x7D），它将每一个0x7E转义成2字节序列（0x7D 0x5E），将0x7D转义为2字节序列（0x7D 0x5D）。当PPP用于SONET/SDH链路的同步传输时，采用位填充法。

（2）地址：占1字节，该字段的二进制值为11111111，该值为HDLC的广播地址，表示所有站都可以接受该帧。

（3）控制：占1字节，该字段使用HDLC的U-帧格式，其二进制值为00000011，表示没有帧序号，也没有流量控制和差错控制。

点到点协议

（4）协议：默认占2字节，该字段用于指明网络层传下来的数据部分属于哪个协议分组，如可为LCP、NCP、IP、IPX和AppleTalk等协议分组。当该字段的值为0x0021时，表示数据部分就是IP分组；0xC021则表示LCP数据。

（5）数据部分：这个字段的长度是可变化的，但最大不超过通信双方协商好的最大值，通常默认值为1500字节。必要时，数据部分的末尾还可能包含一些填充字节，以保证帧长不小于规定的最小长度。

（6）FCS：通常占2字节，就是使用CRC校验得到的CRC码。

PPP协议的工作状态

一个PPP链路的建立需要经过不同的阶段。

（1）链路空闲：该状态意味着目前线路处于静止状态，线路上没有活动的载波。

（2）链路建立：该状态表示一个结点向另一结点请求通信，如用户计算机通过Modem拨号呼叫路由器，路由器检测到Modem发出的载波信号，双方开始协商一些配置选项，如链路允许的最大帧长、是否需要鉴别及使用何种鉴别协议等。

协商过程中需要使用LCP协议并交换一些LCP分组。如果协商成功，则成功建立一条LCP链路，并进入鉴别状态（如果需要鉴别的话），或者直接进入网络层配置状态。否则回到空闲状态。

（3）鉴别：如果需要鉴别，则采用协商好的鉴别协议进行身份鉴别。如果鉴别成功，则进入网络层配置状态，否则进入链路终结状态。

鉴别就是验证用户身份的有效性，PPP提供PAP和CHAP两个鉴别协议。

PAP（Password Authentication protocol，口令鉴别协议）是一个简单的鉴别协议。由于PAP只在建立链路时对账户名和口令进行鉴别，而且账户名和口令以明文形式传输，因此不适合于安全性要求较高的环境。
CHAP（Challenge Handshake Authentication  Protocol，质询握手鉴别协议）是一个三次握手鉴别协议。在鉴别的过程中，发送的是经过摘要算法处理过的质询字符串，口令是加密的，而且绝不在线路上发送。因此，CHAP相较于PAP有更高的安全性。

（4）网络层配置：由于路由器能够同时支持多种网络层协议，因此，在该状态下，PPP链路两端的网络控制协议NCP需要根据网络层不同协议互相交换网络层特定的网络控制分组。如果在PPP链路上运行的是IP协议，则对PPP链路的每一端配置IP协议模块（如分配IP地址）时就要使用NCP中支持IP的协议――IP控制协议IPCP（IP Control Protocol）。

IPCP分组被封装成PPP帧（其中的协议字段为0x8021）在PPP链路层上传送。

（5）链路打开：当网络层配置完成后，链路就进入可以进行数据通信的“链路打开”状态。在该状态下两端结点还可以发送Echo-Request和Echo-Reply分组以检测链路状态。

（6）链路终止：数据传输结束后，链路两端中的任意一个结点均可以发出终止请求的LCP分组请求终止链路连接，在收到接收方发来的终止确认LCP分组后，转到“链路终止”状态。当链路出现故障，也会转到该状态。

最后Modem的载波停止后，链路就又回到了空闲状态。

CSMA/CD协议

多路访问协议

当多个结点使用一条共同的信道时，该信道就叫多点信道，或者广播信道。
这时就需要一个多路访问协议来协调对信道的访问。

所有结点对广播信道的访问可以分为以下两种方式：
（1）随机访问：就是所有结点可随机地发送信息，显然这可能会产生冲突，因此必须有解决冲突的网络协议。广泛应用的局域网就采用这种方式。
（2）受控访问：所有结点不能随机地发送信息，而必须服从一定的控制。典型应用是集中控制的多点线路轮询（Polling）

随机访问需要解决以下4个问题：
问题一：结点何时访问信道？
问题二：如果信道忙，结点该做什么？
问题三：结点如何确定传输成功与否？
问题四：如果发生了访问冲突，结点该做什么？
针对这些问题，演化发展出了CSMA/CD和CSMA/CA两个协议。CSMA/CA适用于无线局域网。

CSMA/CD协议及策略

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with collision Detection，带冲突检测的载波监听多路访问）的基本工作思想可简要描述为以下4个步骤：

（1）任意结点在发送帧之前，必须先检测信道是否空闲。
（2）若信道忙，则按一定的策略监听。若信道空闲则按一定的策略发送帧。
（3）在发送过程中还要保持边发送边监听，如果在规定时间内未监测到冲突，则表明发送成功。
（4）如果检测到冲突，就立即停止发送。然后等待一段时间后重新发送帧。

使用CSMA/CD的网络都具有以下特点

1、半双工传输方式

采用CSMA/CD协议的通信方式为半双工通信。原因很简单，在任一时刻，只允许有一个结点发送帧，其实质是发送方的接收信道用于监听信道是否有冲突。

2、共享信道带宽

虽然从微观角度看，在某一个时刻，一个结点占用信道的全部带宽资源发送帧。但从宏观角度看，各结点是平等的，共同竞争共享同一条信道。

3、传输的不确定性

由于CSMA/CD只能尽量减少冲突，但不能完全避免冲突，而且发生冲突的次数也不尽相同。因此，传输一帧所需要的时间可能不相同，且难于估计，具有不确定性。这对实时性要求高的应用场合不具适用性。

4、无确认无连接服务

在传输数据之前，CSMA/CD并不建立连接，也不对接收到的帧进行确认，只做CRC校验，并将校验出错的帧直接丢弃。

以太网

参考视频：

1、 https://mooc1-3.chaoxing.com/coursedata/sharedResource?key=0DZThPti52TUDI84dNxfFqeGpH/OJ3QWgpJPhiUMppE%3D

2、 https://mooc1-3.chaoxing.com/coursedata/sharedResource?key=nIZE72/TSm5J6GvJPU9GkEKnw7KRiARMJukWH4tmwrY%3D

传统的以太网

习惯上，将最早流行的基于CSMA/CD协议的10Mbps的以太网称为传统的以太网。常用的传统以太网类型有以下几种：

（1）10 Base5：这是第一个IEEE 802.3以太网物理层标准，采用粗铜轴电缆作为传输媒体。这里的10表示最大传输速率为10Mbps，Base表示基带传输，5表示单段电缆的最大长度为500m。网络结构为总线型，通过中继器扩展，网络跨距最大可达2 500米。
（2）10Base2：为了降低10Base5的安装成本和难度，推出了10Base2细铜轴电缆作为传输媒体的总线型以太网。单段电缆的最大长度为200米，实为185米。通过中继器扩展，网络跨距最大可达1000米，实为925米。

（3）10Base-F：这里的F表示光纤，它使用一对光纤作为传输媒体。
（4）10Base-T：这里的T表示双绞线，采用集线器组成星型拓扑结构，集线器与每台计算机之间的双绞线最大距离为100m。
虽然传统的以太网早已淘汰，但现在的高速以太网技术，也都是在传统以太网的基础上发展起来的，原有的很多概念、原理和思想仍然被广泛应用。

传统以太网的主要设备

（1）网络适配器
网络适配器在MAC子层主要实现以下功能：
帧的封装与解封装
提供缓存，并实现发送和接收数据的并行/串行和串行/并行转换。
帧的定界和寻址。
实现CSMA/CD协议。
差错校验，发送时生成FCS，接收时，根据FCS校验帧。
每个网络适配器都被赋予一个唯一的MAC地址，存储在ROM中，对外提供一个RJ-45插槽，以便于连接双绞线。

（2）中继器
由于电磁波能量在线缆上传输时会不断衰减，因此，当以太网的跨距或网络上的站点数量超过一定数量时，中途就需要对传输信号进行恢复。
这个工作可以通过中继器（repeater）来实现，中继器工作在物理层，一般有两个接口，物理信号从一个接口进入，中继器对信号进行放大和整形，最后通过另一个接口转发出去。

（3）集线器
集线器又称为Hub，它其实就是一个多接口的中继器，每个接口连接一台计算机，形成以集线器为中心的星形拓扑结构。
虽然形式上是星形结构，但逻辑上仍然是总线结构，因此被称为星形总线。

以太网还规定集线器之间的双绞线长度最大为100米，而且规定最多只能使用4个集线器级连。
每个用集线器连接起来的以太网就是一个冲突域。多个集线器通过级连构成的以太网仍然是一个冲突域。

集线器不能将两个使用不同以太网技术的局域网连接起来。
中继器和集线器连接起来的局域网称为共享式以太网，已经被淘汰。

局域网体系结构

由于局域网是分组广播式网络，网络层的路由功能就不需要了。因此，在IEEE 802.3标准中，网络层被简化成了上层协议的服务访问点。

早前由于局域网使用多种传输媒体，而媒体访问控制协议与具体的传输媒体和拓扑结构有关，所以IEEE 802.3标准把数据链路层划分成了两个子层，即LLC子层和MAC子层。

与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关，它提供标准的OSI数据链路层服务，这使得任何高层协议都可以运行于局域网标准之上。

由于以太网在当前局域网中的绝对垄断地址，局域网的传输媒体变成了单一的双绞线，拓扑结构也只剩下星型结构。

IEEE 802.3中的LLC子层的作用已经消失，而且很多厂商生产的网络适配器也仅装有MAC协议而没有LLC协议。

以太网的MAC子层

MAC子层的主要功能是将上层传下来的数据组装成帧。

MAC地址

（1）MAC地址及其地址空间

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，由于这种地址被封装在MAC帧中，所以人们习惯上称之为MAC地址。MAC地址固化在网络适配器的ROM中，用来标识该网络适配器。

（2）MAC地址的类型按目的结点可分为以下3种类型：
单播地址（unicast address）：标识一个目的结点，用于一对一通信。
多播地址（multicast address）：也称组地址，标识一组目的结点，用于一对多通信。
广播地址（broadcast address）：该地址的二进制形式为48个1，表示网络上的所有结点，用于对网络上的所有结点进行广播通信。

IEEE 802规定MAC地址字段的最左边的第1个字节的最低位为单地址/组地址（Individual/Group，I/G）位。当I/G位为0时表示单播地址，I/G位为1表示组地址。

交换式以太网

1、网桥与交换机

交换式以太网最初使用的设备是网桥（bridge）。网桥对收到的帧根据其目的MAC地址进行转发和过滤。

1990年问世的交换式集线器（Switching hub）很快就淘汰了网桥。这种交换式集线器人们更习惯称之为以太网交换机，简称交换机（switch），或第二层交换机（L2 switch），强调它工作在数据链路层。

交换机本质上是一个多接口的网桥，工作在MAC子层。交换机由接口、接口缓存、帧转发机构和底板体系4个基本部分组成。

（1）接口：交换机的每个接口用来连接一台计算机，或者另一个交换机。
（2）接口缓存：接口缓存提供缓存能力，由高速的接口向低速的接口转发帧时必须要有足够的缓存。
（3）帧转发机构：帧转发机构在接口之间转发帧，有存储转发交换、直通交换和无碎片交换3种类型的转发机构。
（4）底板体系：底板体系就是交换机内部的电子线路，在接口之间进行快速数据交换，有总线交换结构、共享内存交换结构和矩阵交换结构等不同形式。

2、交换机的自学习功能

交换机通过自学习生成并维护一个包含MAC地址和相对应接口的映射交换表，并根据该交换表进行帧的转发。

3、交换式以太网的扩展

交换式以太网的扩展是指在数据链路层利用以太网交换机对局域网进行扩展。
一个小规模的工作组级交换式以太网可以由1台交换机连接若干台计算机组成。
大规模的交换式以太网通常将交换机划分成几个层次连接，使网络结构更加合理，如可以由低到高划分为接入层、汇聚层和核心层三个层次。
接入层交换机供用户计算机接入使用；
若干台接入层交换机接入到一台汇聚层交换机，汇聚网络流量；
汇聚层交换机接入到一台核心交换机，核心层交换机连接成主干网。

4、与传统以太网相比，交换式以太网具有以下特点

（1）突破了共享带宽的限制，增大了网络带宽。
（2）隔离了冲突域，增大了网络跨距。
（3）安全性能更高。
（4）处于一个广播域，可能产生广播风暴。

虚拟局域网

1、什么是虚拟局域网(VLAN)

虚拟局域网（Virtual LAN，简称VLAN）不是一个新型的网络，而是通过以太网交换机给用户提供的一种网络服务。

VLAN是由一些局域网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。每个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机属于哪一个VLAN。

2、VLAN的特点

VLAN比一般的局域网具有更好的安全性。可以通过划分VLAN，对VLAN之间在数据链路层上进行隔离，禁止非本VLAN中的主机访问本VLAN中的应用。

由于VLAN之间在数据链路层上进行了隔离，因此，一个VLAN就是一个广播域，一个VLAN的广播风暴不会影响到其它VLAN。
划分VLAN可以控制通信流量，提高网络带宽利用率。日常的通信流量大部分限制在VLAN内部，减少了不必要的广播数据在网络上传播，使得网络宽带得到了有效利用。

3、VLAN帧格式

​ IEEE 802.1Q标准对以太网的帧格式进行了扩展以便支持VLAN，扩展的帧格式如图3-17所示。这种插入了VLAN标记后得出的帧称为802.1Q帧。

VLAN标记字段可以再分为两个字段：

（1）TPID（Tag Protocol Identifier，标记协议标识符）：该字段占2个字节，是一个全局赋予的VLAN以太网类型，其值为常量0x8100。
（2）TCI（Tag Control Information，标记控制信息）：该字段占2字节，它又分为以下三个部分：
用户优先级：占3比特，允许以太网支持服务级别的概念。

CFI（Canonical Format Indicator，规范格式指示器）：占1比特，用来标识MAC 地址是否以标准格式进行封装。
VLAN_ID：VLAN标识符，占12比特，用于标识某个VLAN，其值为0~4095。其中0表示空VLAN，1表示默认VLAN，4095保留未使用。

4、划分VLAN的方法

VLAN的划分主要有以下三种方式：

（1）基于交换接口划分：这种方式通常是网络管理员通过网管软件或直接设置交换机的接口，使其从属于某个VLAN。这种方法看似比较麻烦，但相对比较安全，也容易配置和维护，因此是最常用的一种划分VLAN的方法。
（2）基于MAC地址划分：按MAC地址的不同组合来划分VLAN，一个VLAN实际上就是一组MAC地址的集合，多个集合就是多个VLAN。
（3）基于协议划分：可以基于协议类型（如IP或IPX）或子网地址进行划分，可在第三层实现VLAN。

快速以太网

快速以太网（Fast Ethernet）最早出现于1995年。同时，IEEE把IEEE 802.3u定为100Base-T快速以太网的正式标准，该标准是对IEEE 802.3的补充。

100Base-T使用集线器（半双工模式）或者交换机（全双工模工）形成星形结构，保持了与10Mbps以太网同样的MAC子层。

当使用集线器时，采用同样的CSMA/CD协议和相同的帧格式，使用同样的基本运行参数。
100Base-T以太网不再使用曼彻斯特编码，改用效率更高的4B/5B编码。

100Mbps的以太网有4种不同的物理层标准

吉比特以太网

吉比特以太网（Gigabit Ethernet）的数据传输速率为1Gbps，又称为千兆以太网。主要应用于园区网（校园和厂区等）的高速主干网。

吉比特以太网技术有IEEE802.3z和IEEE802.3ab两个标准。

IEEE802.3z制定了光纤和短程铜线连接方案的物理层标准，分别是1000Base-SX、1000Base-LX和1000Base-CX。

IEEE802.3ab制定了1000Base-T五类双绞线上较长距离连接方案的物理层标准。

吉比特以太网主要使用8B/10B-NRZ编码方式，支持半双工和全双工模式，但大部分以全双工方式工作。
帧格式仍然使用IEEE 802.3规定的帧格式，最大帧长和最小帧长依然分别为1518字节和64字节，最小帧间间隔为96比特时间，网段最大网段长度仍然保持100m。

为了与传统的半双工以太网相兼容，吉比特以太网支持CSMA/CD协议，但必须使用载波延伸和帧突发机制。

1、载波延伸

载波延伸规定，凡是发送的MAC帧长度不足512字节时，就在帧的末尾填充一些特殊字符，使MAC帧的长度增大到512字节。接收方收到该MAC帧后，把所填充的特殊字符删除后才向高层交付。这样就可以保证最小帧长64字节不变，最大网络跨距仍可保持200m。

2、帧突发

帧突发机制允许发送方连续发送多个帧，其中第1帧按CSMA/CD协议和载波延伸的规定发送。即如果第1帧是个短帧，则用载波延伸将帧扩展到512字节后才发送，如果该帧发送成功，发送方就可以继续发送其它帧直至发送完数据或者达到一次帧突发的最大长度限制。
帧突发机制规定，连续发送的最大长度限制为8192字节，即8KB。
发送方为了连续占用信道，用96比特载波延伸填充帧间间隔IFG。

10吉比特以太网

10吉比特以太网（10 Gigabit Ethernet）又称万兆以太网，与其前代相比，主要有以下特点：

（1）主要使用光纤作为传输媒体。
（2）仍然使用IEEE 802.3帧格式，维持其最大、最小帧长度。
（3）不再使用CSMA/CD协议，即只以全双工方式工作。因此，10吉比特以太网完全突破了CSMA/CD冲突域的限制，进入了MAN和WAN的范畴。

目前用于局域网的光纤10吉比特以太网规范主要定义了以下3种，均采用64B/66B编码方案

网际协议IPv4

网络层概述

无连接服务的实现
Internet是一种在网络层采用无连接服务的网络，所有分组都被独立地在网络中传输，且独立于路由，不需要提前建立任何辅助设施。网络中传递的分组通常称为数据报（datagram）。每个数据报都携带了源地址和目的地址，路由器将根据目的地址动态地为每个数据报选择一条合适的路由，然后转发给相邻的某个路由器，直至最后交付给目的结点。这种实现无连接服务的方法称为数据报方法。

Internet是一种在网络层采用无连接服务的网络，实现无连接服务的方法称为数据报方法。
Internet网络中传递的分组通常称为数据报。每个数据报都携带了源地址和目的地址
路由器根据目的地址动态地为每个数据报选择一条合适的路由，然后转发给相邻的某个路由器，直至最后交付给目的结点

网际协议概述

Internet网际层负责将分组从源主机传送到目的主机，提供无连接、不可靠但尽力而为的分组传送服务。
网际层最基本最重要的协议是网际协议IP，目前使用的主要是32位的IPv4，并逐步向128位的IPv6过渡，IP主要提供以下3个方面的内容：

（1）IP定义了网际层的协议数据单元PDU，即IP数据报，规定了它的格式。
（2）IP软件为每个IP数据报选择合适的路由并将IP数据报转发出去。
（3）IP还包括了一组体现不可靠、尽力分组发送的规则。这些规则规定了主机和路由器应该如何处理分组、何时及如何发出错误报告，以及在什么情况下可以放弃分组等。

与IP配套使用的网际层协议有ARP、RARP，ICMP，路由选择协议、IGMP以及多播路由协议等。

与IP配套使用的网际层协议有ARP、RARP，ICMP，路由选择协议、IGMP以及多播路由协议等。

IP数据报的格式

数据报的分片与重装示例
假设一个IP数据报的头部长为20字节，数据部分的长度为3600字节，途经以太网到达目的主机。
由于以太网的MTU为1500字节，因此，该IP数据报被划分成3个分片
数据报的分片与重装示例
在接收端设置了一个重组定时器，用于分片的传输延迟控制。
接收端收到某个IP数据报的某一个分片后，立即启动一个重组定时器开始计时，如果在规定的时间限制之内还未收到全部分片，则放弃整个数据报，并向发送端报告出错信息

IP地址的结构与分类

最早的IP地址的编址与分配是基于类别的。

分类的IP地址是最基本的编址方法，它采用二级地址结构，共32位长，分成网络号（net-id）和主机号（host-id）两个字段。

网络号用来标识一个网络，主机号用来标识主机在该网络中的唯一编号。
IP地址分为A、B、C、D和E五个类别，其中A、B和C类IP地址是单播地址，是最常用的地址。而D类地址用于多播，E类地址则保留给将来使用。

A类地址的网络号占1个字节，含值为1的1位类别位，主机号占3个字节。
B类地址的网络号占2个字节，含值为10的2位类别位，主机号占2个字节。
C类地址的网络号占3个字节，含值为110的3位类别位，主机号占1个字节。
D类和E类地址没有分网络号和主机号，类别位的值分别为1110和1111。

通常将32位二进制表示的IP地址用点分十进制表示，如：
11000000 10101000 01100100 11001000 表示为
192 . 168 . 100 . 200
根据IP地址的分类以及点分十进制记法，每类IP地址的表示范围如下：

A类网络的IP地址范围为：0.0.0.0～127.255.255.255
B类网络的IP地址范围为：128.0.0.0～191.255.255.255
C类网络的IP地址范围为：192.0.0.0～223.255.255.255
D类网络的IP地址范围为：224.0.0.0～239.255.255.255
E类网络的IP地址范围为：240.0.0.0～255.255.255.255

私有IP地址

ANN还在每类IP地址中保留了一部分IP地址块作为私有地址，也称专用地址。
私有地址不会出现在Internet，可用在专用网络（如局域网）内部自由分配使用，也不需要向ICANN申请和登记，只要保证在同一专用网络内部唯一存在即可。

A,B,C类地址都有私有地址段！！

169.254.0.0~169.254.255.255也是保留地址，称为自动专用地址APIPA 。
当主机IP地址为自动获取，且网络中没有可用的DHCP服务器时，主机就会从169.254.0.1~169.254.255.254中临时获得一个IP地址，但使用该IP地址的主机无法正常通信。

实验

https://mooc1-2.chaoxing.com/mycourse/studentstudy?chapterId=186201428&courseId=205979252&clazzid=11963761&enc=6c21368ea7e40bc84b4de2013f5d7831

https://mooc1-2.chaoxing.com/mycourse/studentstudy?chapterId=186201444&courseId=205979252&clazzid=11963761&enc=6c21368ea7e40bc84b4de2013f5d7831

https://mooc1-2.chaoxing.com/mycourse/studentstudy?chapterId=186201455&courseId=205979252&clazzid=11963761&enc=6c21368ea7e40bc84b4de2013f5d7831