计网学习第二、三章——物理层及数据链路层

物理层

物理层基本概念

1、数据通信系统：源系统<——>传输系统<——>目的系统

2、信号的传送方向

单向通信（单工通信）、双向交替通信（半双工通信）、双向同时通信（全双工通信）

3、影响失真程度的因素：①码元传输速率；②信号传输距离；③噪声干扰程度；④传输媒体质量   （前三种因素都是正相关，第四种是负相关）

4、计算公式：奈斯公式和香农定理

知识点

奈斯定理例题

知识点

香农公式例题

两者对比

5、物理层下面的传输媒体

导引型媒体：①无屏蔽双绞线，②屏蔽双绞线，③同轴电缆，④光纤（工作原理：光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射）

非导引型媒体：①无线传输（频段很广），②短波通信（主要靠电离层的反射，但通信质量差），③微波通信（在空间中主要是直线传播）

6、信道复用技术

①频分复用，②时分复用，③统计时分复用，④波分复用

⑤码分复用（也常称作码分多址CDMA）

码片序列

令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。

两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积都是0。

任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

数据链路层

1、认识一些概念

结点：指的是主机或者路由器

链路：指的是物理链路，就是从一个结点到相邻结点的一段物理通道

数据链路：指的是逻辑链路，网络中两个相邻结点之间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上。即  数据链路=物理链路+通信协议

帧：数据链路层的协议数据单元，封装网络层数据报

MTU：最大数据传送单元

作用：数据链路层负责通过一条链路从一个结点向另一条链路直接相连的相邻结点传送数据报

数据链路层的三个基本问题：①封装成帧，②透明传输，③差错检测

2、封装成帧

就是为网络层传下来的数据报添加首部和尾部。首部和尾部包含很多重要的控制信息，比如帧定界（即确定帧的界限），SOH放在帧的最前面表示帧开始符，编码为01，EOT放在帧的最后面表示帧结束符，编码为04。帧定界的作用是有助于接收端识别数据帧是否有错误，是否是一个完整的帧。

3、透明传输

就是数据链路层为保证数据的传输是透明安全的，比如让一个人带一个盒子给另一个人，带盒子的人只负责把盒子安全带给另一个人而不会去看盒子藏着什么东西。

①无论从键盘输入什么字符都可以放在帧中传输过去，因此这样的传输就叫做透明传输。②当传送的帧是由非ASCLL码的文本文件组成时（比如图像），就要字符填充法实现透明传输

字符填充法具体做法是：发送端的数据链路层在数据中出现的控制字符"SOH"或者"EOT"的前面加上一个转义字符“ESC”（十六进制是1B），而在接收端的数据链路层再把数据送往网络层前删除掉这个转义字符，若转义字符出现在帧中也一样在其前面加上“ESC”。

4、差错检测

就是比特在传输过程中可能会产生差错，即0变成1,1变成0，这就叫做比特差错。

循环冗余检验CRC检错技术，而其中为了进行检错而添加的冗余码叫做帧检验序列FCS。具体原理计算过程之后习题再分享出来，请大家留意习题部分。（PS:CRC是检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码）

发送端帧检验序列FCS的生成和接收端的CRC检验都是用硬件完成的，不会延误数据的传输。

“凡是接收端数据链路层接受的帧均无差错”，因为有差错就被丢弃，无差错才被接受。“可靠传输”指的是数据链路层的发送端发送什么，接收端就接受什么。

传输差错有2大类：①比特差错，②帧丢失、帧重复、帧失序。于是我们在数据链路层使用CRC检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。在CRC检错的基础上，还可以增加帧编号、确认和重传机制。

5、点对点协议PPP

PPP协议是用户计算机与ISP进行通信所使用的数据链路层协议。

PPP协议的三个组成部分：①一个将IP数据报封装到串行链路的方法。②一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP。③一套网络控制协议NCP。

PPP的帧格式：首部的第一个字段F和尾部的第二个字段FCS都是标志字段，标志字段就是PPP帧的定界符。如果连续出现两个标志字段就表示是一个空帧，应当丢弃。

PPP帧格式

字节填充（异步传输，即逐个字符地传送），把转义符定义为0x7D

①把信息字段中出现的每一个0x7E字节转变为2字节序列（0x7D，0x5E）。②把信息字段中出现的每一个0x7D字节都转变为2字节序列（0x7D，0x5D）。③若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。

零比特填充（同步传输，即一连串的比特传送），发送端发现5个连续的1，则立即填入一个0，接收端发现5个连续1时，则把5个连续1后的一个0删除。

6、以太网2个标准：①DIX Ethernet V2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规范。②IEEE的802.3标准

7、数据链路层的两个子层：①逻辑链路控制子层LLC，②媒体接入控制子层MAC（常用）

8、适配器（又称网络接口板、通信适配器、网卡）

作用：①进行串行/并行的转换，②对数据进行缓存，③在计算机操作系统安装设备驱动程序，④实现以太网协议

为了通信的方便，以太网采用较为灵活的无连接的工作方式，且以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。

以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。

9、CSMA/CD协议

载波监听：每一个站在发送数据之前都会检测总线上有没有其他计算机在发送数据，如果有则暂时不发送数据，以免发生碰撞。

多点接入：许多计算机以多点接入的方式连接在同一根总线上。

碰撞检测：计算机便发送数据边检测信道上的信号电压大小（也称“冲突检测”）。

争用期：2τ（τ表示传播时延）：从端A到端B所花时间。在最多经过2τ的时间之后就可以知道数据帧是否发生了碰撞。

以太网取用51.2μs作为争用期长度，对于10Mbit/s的以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。

使用CSMA/CD协议时，一个站不可能同时进行发送和接收，即不能全双工通信，而只能进行双向交替通信。

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。

以太网规定了最小有效帧长为 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。

帧间最小间隔为 9.6 ms，相当于 96 bit 的发送时间。

集线器

以太网采用星形拓扑，在星形的中心增加一种可靠性高的设备，就叫做集线器。

特点：使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线。集线器很像一个一个多接口的转发器，工作在物理层。

10、以太网的信道利用率

11、MAC地址（又称为物理地址或硬件地址）

MAC帧格式

12、扩展局域网

①用集线器扩展局域网

②在数据链路层扩展局域网使用的是网桥，网桥根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发，网桥具有过滤帧的功能，即收到帧后，先检查帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪个接口去。

多接口网桥——以太网交换机。以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。

交换机的交换模式——直通交换，存储转发

直通交换特点：交换机只读出数据帧的帧头，直接获取帧的目的地址动态查找表转换成相应的输出端口，将数据帧传送到相应的端口上。

存储转发特点：交换机接收到数据包后，首先将数据包存储到缓冲器中，进行CRC循环冗余校验,如果这个数据包有CRC错误，则该包将被丢弃；如果数据包完整，交换机才取出MAC地址，查找输出端口后送出帧。