计网复习笔记

Ch0 概述

重点：1.3 & 1.4, 尤其是TCP和IP协议的详细内容

计算机网络–按照网络协议，以共享资源为目的，将地理商分散且独立的计算机互相连接起来形成的集合体。

0 计算机网络和分布式系统distributed system的区别

分布式系统只是一个模型或者泛型，通常在操作系统之上有一层软件负责实现这个模型，这个软件就叫做中间件middleware，最著名的分布式系统是万维网world wide web，万维网运行在Internet之上，这个模型的所有一切都表现的像是一个文档一样。

在计算机网络中，用户看到的是实际的机器，系统并没有努力使这些机器看起来一样或者保持行为上的一致。机器在硬件或操作系统上的差异对用户可见。网络与分布式系统的差异在软件，而不是硬件。

1 使用计算机网络

1.1 商业应用

资源共享，让网络中的任何人都能访问所有的程序设备，尤其是数据，并且这些资源和用户所处的物理位置无关。员工可通过计算机网络即使访问有关信息和文档。提供通信媒介medium，IP语音，桌面共享，电子商务e-commerce。

虚拟专用网络VPN，virtual private Networks：可将不同地点的单个网络连接成一个扩展的网络。

客户机-服务器模型client-server model：客户端和服务端，如web应用，服务器针对客户请求，根据数据库生成网页，客户更新数据库的内容。

1.2 家庭应用

对等通信peer-to-peer model：每个人都可以与一个或多个其他人通信，客户端和服务端没有固定的分工，每个人可以既是客户端，又是服务端。

即时消息instant messaging；远程学习telelearning；电子上午，电子跳骚市场e-flea。

B–business；C–consumer；to–2

1.3 移动用户

与Internet的连通性是这些移动应用的前提。802.11-无线热点hotspot。

区分固定无线fixed wireless和移动无线mobile wireless的区别。笔记本电脑有时候可以是无线的，即移动无线。

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GPS，移动商务，近场通信NCF，near field communication。传感器网络sensor network，可穿戴计算机wearable computer等应用

1.4 社会问题

社会网络、留言板、内容共享网络等可以发表意见的模块，存在涉及宗教政治的话题。电子垃圾邮件spamming。钓鱼邮件phishing–伪装官方获取信息。

2 网络硬件

计算机网络的两种分类方式–传输技术和网络尺度。

2.0 按传输技术划分–单播、广播和组播

当前的传输技术有两种–广播式链路和点到点链路。

点到点链路point-to-point，也称单播unicasting，将一对单独的机器连接起来，只有一个发送方和接收方，为了将信息(数据包packet)从源到接收方，必须先访问一个或多个中间机器。找到一个好的路由路线很重要。

广播式链路board casting：在该网络上，通信信道被网络上的所有机器共享，任何一台机器发出的数据包能被所有其他任何机器收到，每个数据包的地址字段指定了预期的接收方，当一台机器收到一个数据包时要检查地址字段，如果包的目的地就是该接收机器，则处理此包，否则忽略此包。如无线网，就是广播式链路。

广播系统提供将一个数据包发送给所有目标机器的可能性，只要在地址字段中使用一个特殊的编码，如果被传输的数据包中带有这样的编码，则网络中的每一个机器都将接收该包并处理，这种为广播board casting，有些系统支持给一组机器发送数据包，称为组播multicasting。

以下按网络尺度划分，使用距离作为分类指标，不同尺度采用不同的技术。

2.1 个域网PAN，personal area network

允许设备围绕着一个人进行通信，如计算机通过无线网与其外围设备连接，如鼠标，键盘，打印机等使用无线传输技术，如蓝牙Bluetooth进行连接。

也可使用RFID等短程通信技术来搭建。

2.2 局域网LAN，local area network

是一种私用网络，一般在一座建筑物内或建筑物附近，广泛用于连接个人计算机和消费类电子设备，如企业网络enterprise network。

无线LAN：每台计算机有一个无线调制解调器和一个天线，用于通信，接入点access point，无线路由器wireless router，基站base station，无线计算，点到点

无线LAN，如IEEE 802.11，即WIFI，11Mbps~几百个Mbps，1Mbps=1000 000 bps

有线LAN，使用各自不同的传输技术，大多为铜线传输，也可光纤。许多是以点到点链路为基础，俗称以太网Ethernet,即IEEE 802.3。

2.3 城域网MAN，Metropolitan area network.

范围可覆盖一个城市。如有线电视网，最初是自组织系统，后来由运行商参与商业化运作编排电视节目，涉及频道分配。如下，电视和流量都先被送到一个集中式线缆前端cable headend，然后再分发到居民家中。

junction box–接线盒

2.4 广域网WAN, WIDE AREA network

可跨越一个国家、地区或大陆。主要传输技术：

• 主机host，路由routers和子网subnet
  • 通信子网subnet(把信息从一个主机携带到另一个主机)，子网由传输线路和交换元素组成
  • 传输线路transmission line负责在机器之间移动比特；
  • 交换元素switching element，即交换机switch，是专用的计算机，负责连接两条或两条以上的传输线路，当数据到达一条入境线路时，交换机必须选择一条出境线路把数据转发出去。
  • 子网是一组路由器routers和通信线路的集合，主要负责将数据包从源主机移动到目标主机。
• point-to-point; store and forward; packet switched

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两种不同类型的子网：

• virtual circuit subnet–一对主机中的所有数据包都要遵循相同的路由路径
• datagram subnet–数据报子网，每个包各自路由routed separately

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2.5 互联网络internetwork

由两个或多个网络的连接称为互联网络。全球范围内的Internet是最著名的互联网络实例，首字母大写来表示，但不是唯一的。

2.6 无线网络的分类

• 系统内部互联interconnection–连接计算机各个组件，如键盘等，蓝牙连接，遵循从属模式master-slave mode
• 无线局域网LANS–如802.11，即WIFI
• 无线广域网WANS–无电话系统，802.16是一个标准的高带宽的无线广域网。

几乎所有无线网最终要与有线网挂钩。

3 网络软件

3.1 协议层次结构

网络以层次栈stack of layer的形式设计，每一层向上一层提供特定服务，而把如何实现这些服务的细节对上一层屏蔽。

协议protocol–一台机器上的第n层与另一台机器上的第n层对话，该对话中使用的规则和约定为第n层协议。不同机器上构成相应层次的实体称为对等体peer。每一层都将数据和控制信息传递给他的下一层。虚线表示虚拟通信，实现表示物理通信，相邻层次之间有接口。

3.2 层次设计问题

• 寻址addressing
• 错误控制error control–检错编码和纠错
• 流控制flow control
• 复用multiplexing–共享网络带宽
• 路由routing

3.3 面向连接与无连接服务

下层可以向上层提供两种不同类型的服务：面向连接的服务和无连接的服务。

①可靠的面向连接服务connection-oriented service：

• 按照电话系统telephone system建模
• 3个阶段：建立连接establish–传输数据–释放release连接
• 可靠reliable，按顺序到达sequential，acknowledgement–接收方向发送方确认收到的每个报文，因为发送方可以据此保证报文已经到达。
• 也叫做虚拟回路服务virtual circuit service
• 报文序列(报文的边界时钟得到保持)和字节流(该连接只是一个字节流，没有任何报文边界，接收方无法判断是否是两个报文)

②不可靠的无连接服务connectionless service

• 按照邮政系统postal system建模，也叫数据报服务datagram service
• 不需要建立和释放连接
• 不可靠unreliable，不是顺序的not sequential, no acknowledgement
• 每个报文都由系统中的中间结点路由。如果中间结点只能在收到报文的全部内容后再将该报文发送给下一个结点，则为存储-转发交换store-and-forward switching；如果报文还没有被完全接收旧向下一个结点传输，则为直通式交换cut-through switching。
• not requential–先发送的报文有可能被延迟，导致后发送的报文先到达。

③有确认的(可靠的acknowledged)数据报服务(无连接)：

• 可靠reliable，顺序的，接收方有确认报文acknowledgement
• 不需要建立连接和释放连接

④请求-应答服务request-reply service

• 发送方传输了一个包含某个请求的数据报，接收方以一个包含了请求结果的应答数据报作为反馈。
• 通常在Client-Server模型中。

可靠–有无确认收到的消息，如IP语音，因确认产生的延迟是不能接收的，但是一点噪音是可以接收的，所以可用不可靠的连接服

3.4 服务原语

服务原语primitives通常是当协议栈嵌入操作系统后的系统调用system calls，如能够提供一个可靠传输连接的最小的服务原语：监听/ 连接/ 发送/ 断开连接等：

在一个面向连接的client-server交互中的数据报的服务原语：

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3.5 服务与协议的关系

服务是指某一层向它上一层提供的一组操作。定义了该层准备代表用户执行哪些操作，但是它并不涉及如何实现这些操作。服务与两层之间的接口有关。

协议是一组规则，规定了同一层上对等实体之间如何交换数据报或报文的格式和含义。协议涉及不同机器上两个对等实体之间发送的数据包。

4 参考模型reference models

4.1 OSI参考模型

共有7层

• 物理层–一条通信信道上传输原始比特
• 数据链路层–检错，发送方将输入数据拆分成数据帧data frame，顺序发送，接收方正确收到后返回确认帧acknowledgement
• 网络层–控制子网的运行，路由算法
• 传输层–接收上一层数据
• 会话层–允许不同机器上的用户建立会话
• 表示层–传递信息的语法和语义
• 应用层–包含用户需要的各种协议，如超文本协议http等，文件传输等

4.2 TCP/ IP 参考模型

以其中的两个最重要的协议TCP, IP命名，结构如上。由美国国防部发明，ARPANET为其前身。可连接多种不同的网络。

• 互联网层–将整个网络体系结构贯穿在一起，对应于OSI的网络层，允许主机将数据报注入到任何网络并独立到达接收方。定义了官方的数据包格式和协议，即IP协议Internet Protocol.和相应的ICMP控制报文协议。
• 传输层–允许源主机和目标主机对等实体对话，定义了两个端对端协议①TCP，transfer control protocol, 是一个可靠的面向连接的协议，允许从一台机器发出的字节流正确无误的交付给另一条机器，将输入的字节流分隔成离散的报文并传递给互联网曾。②用户数据报协议UDP，user datagram，是一个不可靠的无连接协议，适用于那些不想要TCP的有序性或流量控制功能而宁可自己提供这些功能的程序。UDP适合那些一次性的C-S模型的请求-应答应用，以及那些及时交付比精确交付更重要的应用，如传输语音或视频。
• 应用层–包含所有高层协议，如虚拟终端协议TELNET，文件传输协议FTP，电子邮件协议SMTP等，以及DNS协议Domain name system–将主机名映射到它们所在网络地址的域名系统，用于获取万维网页面的HTTP协议；以及用于传输语音等实时媒体的RTP等。

4.3 OSI参考模型和TCP/IP参考模型的比较

OSI模型的核心–service， interface， protocol

4.4 OSI模型和协议的评判critique

为什么OSI模型没有称霸？

• 糟糕的时机timing
• 糟糕的技术technology
• 糟糕的实现implementations
• 糟糕的政策politics

4.5 TCP/IP参考模型和协议的评判critique

该模型当前存在的问题：

• 没有明确的区分服务、接口和协议的概念
• 不通用，不适合用于描述TCP,IP之外的其他协议栈
• 没有区分物理层和数据链路层
• 链路层分层存在问题

5 网络实例

5.1 因特网

①the ARPANET

②NSFnet

③以太网Ethernet–IEEE 802.3

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因特网的应用：邮件，新闻，远程登录，文件传输…

因特网的体系结构

5.2 无线局域网–802.11

存在两种模式modes:有基站和无基站的模式

和以太网的几点区别

6 网络标准化

6.1 电信领域有影响力的组织

6.2 国际标准领域有影响力的组织

6.3 Internet标准领域有影响力的组织

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-s502QmgW-1614946193421)(C:\Users\DELL\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210102163041365.png)]

7 度量单位metric units

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-o0FXVg64-1614946193422)(C:\Users\DELL\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210102163117647.png)]

使用KB, MB, GB, TB等大写的B表示2^10, 2^20, 2^30和240; 使用kbps, Mbps, Gbps, Tbps等小写的b表示10^3, 10^6, 10^9, 10^12等，如下：

1MB=2^10 KB= 2^20 B

1 Mbps= 1000 kbps = 1000 000 bps

Ch2 物理层

2.5重要，涉及计算；2.1两个定理；2.2&2.3&2.6简单了解； 2.4 &2.7&2.8 不考

物理层是网络协议模型的最底层，该层定义了比特作为信号在信道上发送时相关的电气、时序和其他接口。①三类传输介质：有线、无线、卫星；②数字调制解调技术–如何将模拟信号转换成数字比特以及将数字比特还原成模拟信号，多路复用–如何在同一个传输介质上同时进行多个会话而彼此不会干扰；③三个被广泛使用的计算机广域网的通信系统实例–固定、移动电话系统，有线电视系统。

1 数据通信的理论基础(重点)

用一个以时间t为自变量的单值函数f(t)来表示电压或电流的值来对信号的行为建模

1.1 傅里叶分析

任何一个行为合理周期为T的函数g(t)都可以表示成用正弦函数和余弦函数组成的无穷级数：

f=1/T,为频率，an和bn为正弦振幅和余弦振幅，c是常数。利用傅里叶级数可以重构出函数，已知周期T，给定振幅，可以得到时间的原始函数g(t)。

1.2 带宽有限的信号bandwidth limited signal

带宽bandwidth–是传输介质的一种物理特性，通常取决于介质的构成、厚度和电线或光纤的长度。滤波器一般可以来限制信号的带宽。带宽是指通过的频率的宽度，其所承载的信息仅仅取决于这个频率的宽度，而不是起止位置。将从0到某个最大频率的信号称为基带信号baseband，将被搬移并占用某个更大频率范围的信号称为通带信号passband，通带信号与所有的无线传输情况一样。

带宽bandwidth的两种含义：

• 数据传输速率data transfer rate,单位是bps, bit per second,或b/s
• 模拟带宽–没有强衰减without strong attenuation的传输频率frequencies的范围，如1/2衰减，f2-f1，单位是Hz

波特baud和比特bps是两个不同的传输速率概念：

• 每秒可传输的samples，码元数量用波特baud率来衡量，单位为Hz，即/s
• 每秒可传输的信息，以bit为单位的，即bit per second，用bps衡量。
• 波特例：一个标准电话话路的通频带为300-3400Hz,即带宽为3100Hz。
• 比特例：设一个码元(又称信号signal)可携带4bits的信息，一个标准电话话路的带块W=3100Hz，采用2400Hz的正弦载波来调制数据，则信息的传输速率为2400Baud，对应的比特率为2400Hz*4bit=9600bps
• 当采用16元调制方法时，一个码元可携带4bit信息。

1.3 信道的最大数据速率

Nyquist你奎斯特定理

• 如果信号包含了V个离散等级，则最大数据速率=2Blog2(V) 比特/秒
• 前提条件是无噪声信道，理想状况下，low pass, noiseless, ideal channel, V–discrete level, H–bandwidth(单位HZ)，V一般就是传输的进制。
• 例：无噪声的3KHZ的信道不可能以6000bps的速率传输二进制信号。

如果存在随机噪声，热噪声的数量可以用信号功率与噪声功率的比值来衡量，即信噪比signal-to-noise ratio，信号量S，噪声N，信噪比为S/N。1 db=10log10(S/N)

香农定理：

• 对于一条带宽为B Hz,噪声比为S/N的有噪声信道，其最大数据速率或容量capacity为–最大比特率=Blog2(1+S/N).

• 这个结论告诉我们实际信道能获得的最大容量。对于3.1 kHz带宽的标准电话信道,如果信噪比S/N=2500,那么由香农公式可以知道,无论采用何种先进的编码技术,信息的传输速率一定不可能超过由数值V：

  V = Hlog2(1+S/N)=3100 * log2 (1+2500) = 310011.29=35 k b/s。

2 引导性传输介质(简单了解)

物理介质在带宽、延迟、成本和安装维护的难易程度不同。分为①引导下介质(即有线介质，如铜线和广纤)；②非引导性介质，无线介质如无线电，卫星，激光。

2.1 磁介质magnetic media

磁带，磁盘等。带宽性能好，延迟性差。

2.2 双绞线twisted pair

由两根互相绝缘的铜线组成，直径约为1mm,以螺旋状的形式绞在一起，从而使得不同电线产生的干扰波会相互抵消，从而显著降低电线的辐射。

可以延伸几千米而不需要放大，距离更大时需要中继器。可用于传输模拟信号和数字信号，带宽取决于导线厚度直径及传输距离。成本低。主要的分类：

• 5类线category 5–由两个绝缘导线扭在一起，4对这样的双绞线被套在一个塑料保护套中。适用于高速计算机通信。比3类缠绕的更紧

• 3类线category3–不如5类线

• 非屏蔽双绞线UTP，unshielded twisted pair，仅有导线和绝缘层简单构成；屏蔽双绞线，7类线开始，加上一个屏蔽层，减弱外部干扰。

2.3 同轴电缆coaxial cable

更好的屏蔽特性和更大的带宽，能以很高的速率传输相当长的距离。①50Ω–用于数字传输；②75Ω–模拟传输和有线电视传输。

2.4 电力线

2.5 光纤fiber

①单模和多模光纤

入射角度超过某一个特定的临界值，光就就不会漏到空气中。被限定在内部，可以传输好几千米而没有损失。即多模光纤multi-mode fiber

如果光纤直径减小到只有几个光波波长大小时，光前就如同一个波导，光只能按照直线传输而不会反射，由此形成了单模光纤single-mode fiber。更昂贵，适用于长距离传输。100Gbps速率到100Km远都不用放大器。

②光纤传输光

衰减attenuation(单位为分贝) =

传输的功率/接收到的功率。如果损失了一半的能量，则衰减为10log10(2)=3db

③光缆fiber optics

④光和铜线的比较

光纤：

• 高带宽，适用高端网络
• 低衰弱，较长线路上中继器需求少，节约成本
• 不受电源浪涌、电磁干扰或电源故障等影响的优点，不受腐蚀性化学物质侵蚀影响，适用于恶劣的工业环境。
• 细小且重量轻，降低对管线机械支撑系统的需求，安装费用更低，但是技术要求高。光纤接口成本高于电子接口的成本。

3 无线传输(简单了解)

无线通信

3.1 电磁频谱electromagnetic spectrum

频率f，波长wavelength–λ，电磁波的传输速度为c=3×10^8 m/s，有λf=c。

大多数信息使用较窄的频段，关有些情况也会使用宽频，主要的使用方式为：

• 调频扩频frequency hopping spread spectrum–发射器以每秒几百次的速率从一个频率跳到另一个频率–军事上使得通信过程很难被敌方检测到
• 直接序列扩频direct sequence spread spectrum–使用码片序列并将数据信号展开到一个很宽的频段上，使得多个洗脑共享同一个频段。即码分多址，CDMA。
• 超宽带通信UWB，ultra-wideband

3.2 无线电传输radio transmission

全方向传输，从信号源沿着所有方向传播出去，发射设备和接收设备不需要对齐。低频部分可以很好的穿透障碍物，但是随着离信号源越来越远，其能量急剧下降以1/r^2衰减；高频部分倾向于直线传播，遇到障碍物会反弹，但是更易于被雨水或其他障碍物吸收。会收到其它电气设备干扰。

3.3 微波传输microwave transmission

在1000MHz以上频段，电磁波几乎按直线传播，因此可以被聚集成窄窄的一束，通过抛物线形状的天线可以把所有能力集中于一小束，从而获得极高的信噪比，但是要求发射端和接收端的天线必须精准对齐。微波传输–长途通话/移动电话和电视转播。

按直线传输–相距太远会被地球阻挡–需要中继器。

不能很好的穿透建筑物–多径衰落multipath fading–发散，延迟抵达，相互抵消–与天气和频率有关。

不需要铺设线缆的路权，不昂贵。

3.4 红外传输infrared and millimeter waves

具有方向性，便宜且易于制造，但是不能穿过固体物体，如遥控器和电视机等。

3.5 光通信lightware transmission

将两个建筑物内的LAN通过安装在各自房顶上的激光连接起来，是单向的，所以通信的每一端都需要有自己的激光发生器和光探测器。非引导性光学链路必须具备足够的容错工程设计。

4 通信卫星(非重点)

卫星越高，轨道周期越长。高度为35800Km的轨道周期为24小时，高度为38400Km的卫星周期为1个月。范艾伦辐射带–受地球磁场影响的有些高带电粒子层，任何进入该带中的卫星都会被毁坏，由此可进行以下划分：

4.1 地球同步卫星

一颗同步卫星可覆盖1/3的地球表面。延迟约为270毫秒。传输一条消息的成本与该消息经过的距离无关。错误率低，可以立即部署。

4.2 中地球同步卫星MEO，medium earth orbit

用于导航卫星，大概周期为6小时。如GPS，需要30颗卫星。

4.3 低地球同步卫星LEO

运动速度很快，周期较短。

4.4 卫星与光纤

5 数字调制与多路复用(重点)

5.0 基本概念

• 数字调制digital modulation–比特与代表它们的信号之间的转换过程
• 基带传输baseband–信号的传输占有传输介质上从0到最大值之间的全部频率，是有线介质、近距离通信的局域网采用的调制方法。
• 通带传输passband–信号占据了以载波信号频率为中心的一段频带，是无线和光纤信道常用的调制方法。
• 多路复用multiplexing–信道被多个信号共享的形式

5.1 基带传输baseband transmission

①NRZ–不归零编码，即正电平表示1，低电平表示0。一个周期可以全部用来传输数据，这样传输的带宽就可以完全利用。一般常见的带有时钟线的传输协议都是使用NRZ编码或者差分的NRZ编码。因此，使用NRZ编码若想传输高速同步数据，基本上都要带有时钟线，因为本身NRZ编码无法传递时钟信号。注意含有直流分量。

②NRZI： 不归零逆转编码，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。对于USB2.0通信的编码方式就是NRZI编码。信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。例如想要表示00100010(B)，则信号波形如下：

③曼彻斯特编码：每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；信号由高向低HL跳变表示数据1，信号由低向高跳变LH表示数据0。传输了时钟信号，但也损失了一部分的带宽。是平衡信号，且不含直流信号，自含同步时钟。

有一种方式获得曼彻斯特编码，即通过NRZ与时钟信号的异或运算，注意此处采用时钟上升沿和符号802.3以太网的规则实现：即所谓的差分曼切斯特编码

④AMI：双极性码,1的个数和0的个数相等。在AMI信号中，数据流中遇到"1"时，使电平在正和负之间交替翻转，而遇到"0"时，则保持零电平。这种双极性码是三进制信号编码方法，它与二进制相比抗噪声特性更好。AMI有其内在的检错能力，当正负脉冲交替出现的规律被打乱时容易识别出来，这种情况叫做AMI违例。

带宽效率–利用有限带宽的有效策略–使用两个以上的信号级别–如采用4个电压级别，就可以用单个符号symbol一次携带2个比特，此时信号变化的速率是比特率的一半，因而减少了所需的带宽。信号改变的速率为符号率symbol rate，即波特率baud rate,比特率bit rate是符号率与每个符号的比特数的乘积。

时钟恢复–一种策略是给接收器发一个单独的时钟信号。另一种策略是把数据信号和时钟信号异或混在一起，即曼彻斯特编码方式。此方式也有缺点，它的效率是同参数的NRZ的1/2，因为每一个信号单元，会包括两个bit，而NRZ则是每一个信号单元只含一个bit。那么它以高于二倍比特率的速度运行。NRZ只有在面临一长串的0或1的时候，才会出现时钟恢复，因为当0和1变化频繁的时候，对接受起来说很容易与入境符号流保持同步。

平衡信号–在很短的时间内正负电压一样多的信号称为平衡信号。一种构造的方式是使用两个电压级别来表示逻辑1，比如用+1V和-1V俩表示1，而0V用0表示，那么发送一的时候，总能保证信号平衡。这种方案就是双极编码。平衡信号送入差动放大器，原信号和反相位信号相减，得到加强的原始信号，由于在传送中，两条线路受到的干扰差不多，在相减的过程中，减掉了一样的干扰信号，因此更加抗干扰

5.2 通带传输

信道上允许不同的信号并存。前面都是基于带宽或者频带宽度。绝对频率值对于容量并不重要。这意味着，我们可以将一个占用0~BHz的基带信号搬移到频谱位置在 S ~ S + B Hz的通带上,而不会改变该信号所携带的信息,即使搬移后的信号看上去完全不同。为了在接收器处理信号，我们可以把它搬回到基带，这样更便于符号的检测。数字调制也可以借助通带完成，即针对通带内的载波信号进行调制或调节。我们可以调制载波的振幅，频率和相位。

载波信号： 普通信号（声音、图象）加载到一定频率的高频信号上，在没有加载普通信号的高频信号时，高频信号的波幅是固定的，加载之后波幅就随着普通信号的变化而变化（调幅），还可以调相，调频。

• ASK:幅移键控，比如使用0和1分别控制不同的振幅幅度。
• PSK:相移键控，比如使用0和1分别控制不同的相位移动幅度。
• FSK:频移键控，比如使用0和1分别控制不同的频率。
• QPSK：数据是通过载波信号的四种不同相位差来，分别为45°，135°，225°，315°表示的。

调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11其中每一组称为双比特码元。如图

也是是最常用的一种卫星数字信号调制方式。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。 这些都是星座图，星座图中规定了星座点与传输比特间的对应关系，这种关系称为“映射”，一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全定义，即可由星座图来完全定义。

点的相位是以它为起点到原点的线x正轴之间的夹角表示，一个点的振幅是该点到原点的距离表示。那么一般的表示情况是如模拟信号QAM-X,其中QAM表示正交调幅,X表示组合数。而为了防止出错，一般采用格雷码的形式编码。

5.3 频分复用

频分复用(FDM)就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带，每一个子信道传输1路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰（条件之一）。

5.4 时分复用TDM

使用这种技术，两个以上的信号或数据流可以同时在一条通信线路上传输，其表现为同一通信信道的子信道。但在物理上来看，信号还是轮流占用物理信道的。时间域被分成周期循环的一些小段，每段时间长度是固定的，每个时段用来传输一个子信道。时分制通信也称时间分割通信，它是数字电话多路通信的主要方法，因而PCM通信常称为时分多路通信。

5.5 码分复用

用一组包含互相正交的码字的码组携带多路信号，允许来自不同用户的多个信号公用相同的频带。笔记本电脑或个人数字助理(PersonalDataAssistant，PDA)以及掌上电脑(HandedPersonalCOmputer，HPC)等移动性计算机的联网通信就是使用了这种技术。码分多址(CDMA)：不同的地址码来区分的地址，划分是根据码型结构不同来实现和识别的。

6 公共电话交换网络(简单了解)

6.1 电话系统结构

电话系统：主要三个部分，本地回路(进入家庭和公司的模拟双绞线)，中继线(连接交换局的数字光纤)，交换局(电话呼叫在这里从一条中继线被接入到另一条中继线)等等。其中本地回路多用三类双绞线。交换局包括端局，汇接局，长途局。

端局end office；长途局toll office；中间交换局intermediate switching office；长途连接中继线toll connection trunks。

全连通网络，中心交换网络和两层体系结构：

6.2 电话政治化

6.3 本地回路local loop：调制解调器、ADSL和光纤

6.4 中继线和多路复用

6.5 交换

7 移动电话系统(非重点)

第一代–模拟语音

第二代–数字语音

第三代–数字语音和数据

8 有线电视(非重点)

公用天线电视

线缆上的Internet

频谱分配

线缆调制解调器

ADSL与有线电视电缆

Ch3 数据链路层

3.2尤其CRC计算，汉明距离；3.3，3.4较为重要，尤其几个协议；3.1简单了解；3.5考的概率较小

P165~

数据链路层–主要是两台相邻机器实现可靠有效的完整信息块(帧)通信的一些算法。而不是只关注单个比特传输。主要内容：①设计问题；②错误的本质和检错纠错；③链路层协议；④实例

1 数据链路层的设计问题

1.1 提供给网络层的服务

数据链路层为网络层提供服务，将数据从源机器的网络层传输到目标机器的网络层。

通常提供三种可能的服务：

• 无确认的无连接服务unacknowledged connectionless–目标机器并不对发送的帧进行确认。事先事后不需要建立和释放连接。–适合错误率很低以及实时通信的场合。
• 有确认的无连接服务acknowledged connectionless–无逻辑连接，每一帧需单独确认–适用于不可靠的信道，如无线系统WIFI
• 有确认的有连接服务acknowledged connection-oriented–建立连接+有确认，更可靠

1.2 成帧framing

将比特流拆分成多个离散的帧，为每个帧计算一个校验和，并将该校验和放在帧中一起传输。当帧到达目标机器时，重新计算该帧的校验和，若与之前不同，则该传输过程中产生了错误，需要采取措施处理错误。

拆分比特率，需要使接收方易于发现帧的起始。主要有4种方法：

①字节计数法character count–帧头部第一个字节，8位，作为计数字段来标明该帧内的字符数。如果计数字段发生错误，比如从5到4，则会导致后面所有的帧都发生错误，无法正确接收后面每个帧。

②字节(字符)填充法byte stuffing or character stuffing–加头SOH加尾EOT(均为一个字节)标记帧的开始与结束，根据不同的协议，SOH和EOT对应的比特组合不同。

字符填充法：在数据部分与标记字段重复的字段前加转义字符，告诉接受端不用管我后面的字段是什么，正常接收即可，直到遇到真正的开始/结束标志

如果转义字节ESC也出现了数据中，同样用一个转义字节ESC来填充：

③比特填充法bit stuffing

首部和尾部标志相同，都是8位比特–01111110。如果发送端发送一系列一连串的比特时，数据部分也出现了与标志相同的比特组合01111110，那么怎么实现透明传输呢？这就是零比特填充法要解决的问题：

④物理层违规编码法physical layer coding violation–因为曼彻斯特编码不使用高-高，低-低来表示数据信息，所以如果使用高-高，低-低来表示帧起始和终止就不会与要传输的信息数据冲突。

1.3 差错控制

如何确认所有帧最终都被传递给目标机器的网络层，并保持正确的顺序。确认帧，帧丢失–计时器？超时重发。分配序号–避免重复收发。

1.4 流量控制

如果发送方发送帧的速度超过了接收方接收的速度，发送方如何处理？①基于反馈的流量控制–接收方给发送方发送信息；②基于速率的流量控制–内置机制限制传输速率，无需利用接收方的反馈信息。

2 差错控制

数据链路层的差错控制主要强调是比特错。针对比特错的控制方法由两种：

• 检错编码：奇偶校验码，循环冗余码
• 纠错编码：海明码

2.1 检错码–奇偶校验码

奇偶校验码：(1) 奇检验码：将数据转换为二进制数据，数据中的“1”的个数加上检验元的“1”的个数为奇数，如果接收端的1的个数是偶数，说明一定发生了错误。
(2) 偶检验码：将数据转换为二进制数据，数据中的“1”的个数加上检验元的“1”的个数为偶数。如果接收端的1的个数是奇数，说明一定发生了错误。

奇偶检验码可以检测比特错，但是不能检测到是哪个比特出现差错。奇偶校验码只有发生奇数个比特错误时，才可以检测出来。检错能力为50%。

2.2 检错码–循环冗余码CRC，cyclic redundancy check

码字codeword–n位的单元，包含m位真实数据和r位检测位check bits，n=m+r

冗余编码：数据发送前，按某种关系附加上一定的冗余位，构成一个符合某一规则的码字后再发送。当要发送的有效数据变化时，相应的冗余位也随之变化，使码字遵从不变的规则。接收端根据收到的码字是否仍符合原规则，从而判断是否出错。

循环冗余检验原理：在发送端，假设要发送k个比特，CRC运算就是在这k个比特后添加供查错检验的n位冗余码，n位冗余码又称为帧检验序列FCS（Frame Check Sequence），然后构成一个帧发送出去，一共发送（k + n）个位。这n位冗余码FCS可以通过发送的数据(k+n)和一个数相除得来，这个数是收发双发事先约定好的数。接收端收到发送端发送的（k + n）位比特后，需要将这些比特位和FCS相除，如果余数是0，表示没有差错就接收，反之，则丢弃。

举例说明：如果客户端要发送的数据是M = 101001，除数多项式P = 1101。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-OiHnlqVv-1614946221455)(C:\Users\DELL\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210104152944269.png)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-c5nfbDWf-1614946221457)(C:\Users\DELL\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210104153257787.png)]

2.3 纠错码error-correcting code–海明码

海明码可以发现双比特错误，纠正单比特错。工作流程：①确定校验码位数r；②确定检验码和数据的位置；③求出校验码的值；④检错并纠错。

这里以要发送的数据D=101101，为例进行验证：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Z8xc20l9-1614946221459)(C:\Users\DELL\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210104153554782.png)]

数据信息位数k=6，满足不等式的r的最小值为4，即D=101101的海明码应该有6+4=10位。其中6位是数据位，4位是检验码位。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-t9VGDY5A-1614946221461)(C:\Users\DELL\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210104153741621.png)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-nYqE98MO-1614946221462)(C:\Users\DELL\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210104153823095.png)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-uNUVbTv6-1614946221463)(C:\Users\DELL\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210104153934222.png)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-HIYJuECt-1614946221464)(C:\Users\DELL\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210104154107958.png)]

3 基本数据链路层协议

3.0 停止等待协议(基本概念)

特征––发方每发送一帧就暂停,等待应答(ACK)到来。收方收到数据帧后发ACK帧给发方，发方再发送下—个数据帧。

要解决的问题–①DATA帧出错–对策：收方用NAK应答。②DATA帧丢失–对策：使用定时器及重发。③收方收到重复的DATA帧–对策：帧编号：0，1，0，1…

停止等待协议的3类主要事件：

• frame_arrival–接收到正确的帧
• cksum_err–接收到错误校验数的帧
• timeout–当发送方等待确认的时间超时了–帧丢失或确认帧丢失等原因。

3.1 一个乌托邦式的单工协议Utopia

不需要考虑任何出错情况，数据只能单向传输，发送方和接收方的网络层总是处于准备就绪的状态，数据处理时间忽略不计。可用的缓存无穷大，数据链路层之间的通信信道永远不会损坏帧或丢失帧。

3.2 无噪信道上的单工停-等式协议simplex stop-and wait protocol

假设通信信道不会出错，数据流量是单工的，发送方发出一帧，等待对方确认到达后才能继续发送，即为停止-等待协议。虽然数据流量是单工的，即只能从发送方传到接收方，但是帧可以在两个方向上传送。

3.3 有错信道上的单工停-等式协议for a noisy channel

通信信道可能会出错，帧可能会损坏，也可能完全被丢失。这里增加一个计时器counter，发送方发出一帧，接收方只有在正确接收到数据后才返回一个确认帧，如果到达接收方的是一个毁坏的帧，则丢弃它。经过一段时间后发送方将超时，于是它再次发送该帧，这个过程不断重复，直到该帧完好无损到达接收方。增加帧序号机制：

信道利用率=传输时间/发送时延+传输时间+确认时延

4 滑动窗口协议

4.0 基本概念

滑动窗口协议的基本原理就是在任意时刻，发送方都维持了一个连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口；接收方也维持了一个连续的允许接收的帧的序号，称为接收窗口。发送窗口和接收窗口的序号的上下界不一定要一样，大小也可不同。发送方窗口内的序列号代表了那些已经被发送，但是还没有被确认的帧，或者是那些可以被发送的帧。例（假设发送窗口尺寸为2，接收窗口尺寸为1）：

滑动窗口分为三类：停止等待、后退N帧、选择重传。他们之间主要的区别就是：发送窗口和接收窗口大小的区别。

• 停止等待协议：发送窗口大小 = 1， 接收窗口大小= 1
• 后退N帧协议：发送窗口大小 > 1，接收窗口大小 = 1
• 选择重传协议：发送窗口大小 > 1， 接收窗口大小 > 1

4.1 1位滑动窗口协议

发送窗口和接收窗口的大小固定为1，该滑动窗口协议退化为停等协议（stop and wait）。发送方每发送一帧后就要停下来，等待接收方已正确接收的确认（ack）返回后才能继续发送下一帧。接收方需要判断接收到的帧是新发的帧还是重新发送的帧，因此发送方要为每一个帧加一个序号。由于停等协议规定只有一帧完全发送成功后才能发送新的帧，因而只用1bit来编号就行。流程图如下：

下面是1比特滑动窗口协议不执行时的通信过程，三元组( i , j , k )中 i 表示seq发送端(可以是A也可是B)所发送消息的编号，j 表示ack发送端上一次从对方那边接受到了的编号，k 表示数据包packet。下面是滑动窗口协议的两种执行过程：

4.2 回退N协议

停等协议要为每一个帧进行确认后才继续发送下一帧，大大降低了信道利用率，因此又提出了后退n协议。后退n协议中，发送方在发完一个数据帧后，不停下来等待应答帧，而是连续发送若干个数据帧，即使在连续发送过程中收到了接收方发来的应答帧，也可以继续发送。且发送方在每发送完一个数据帧时都要设置超时定时器。只要在所设置的超时时间内仍未收到确认帧，就要重发相应的数据帧。

如：当发送方发送了N个帧后，若发现该N帧的前一个帧在计时器超时后仍未返回其确认信息，则该帧被判为出错或丢失，此时发送方就不得不重新发送出错帧及其后的N帧。

后退n协议一方面因连续发送数据帧而提高了效率，但在重传时又必须把原来已正确传送过的数据帧进行重传（仅因这些数据帧之前有一个数据帧出了错），这种做法又使传送效率降低。所以，若传输信道的传输质量很差因而误码率较大时，连续协议不一定优于停止等待协议。此协议中的发送窗口的大小为k，接收窗口仍是1。

接收方只按顺序接收帧，不按序则丢弃。确认序列号最大的，按序到达的帧 （比如发送了1、2号帧并已确认，此时发送方发送了4号帧，发送方会丢弃，会返回ACK2催更，催发送方发3号帧并且对2号帧的确认）。发送窗口最大为2^n-1，接收窗口大小为1

4.3 选择重传协议selective repeat

为了提升效率，当接收方发现某帧出错后，其后继续送来的正确的帧虽然不能立即递交给接收方的高层，但接收方仍可收下来，存放在一个缓冲区中，同时要求发送方重新传送出错的那一帧。一旦收到重新传来的帧后，就可以原已存于缓冲区中的其余帧一并按正确的顺序递交高层。这种为选择重发(SELECTICE REPEAT)，减少了浪费，但要求接收方有足够大的缓冲区空间。

发送窗口的大小不能大于(MAX_SEQ+1)/2。如对于3 bit序号值，序号范围为 0－7，即MAX_SEQ=7,发送窗口的大小为(MAX_SEQ+1)/2=4，接受窗口的大小＝4

5 数据链路协议实例

Socket上的数据包

对称数字用户线

Ch4 介质访问控制子层

考点：

• 帧格式（重点）
• 以太网的最小、最大数据字段、整个帧长、数据为可能为0
• 长度字段的解释方法，细分的 类型解释 长度解释
• 以太网中的交换概念 VLAN
• 配置交换机设置VLAN也不为过，IP的配法
• STP生成树协议的概念，避免交换机出现循环，修建回路
• 可以算的东西CSMA/CD？隔三岔五考一下
• 二进制后退算法 遇到冲突时的时间 1-2分
• RTS, CTS机制，隐藏暴露终端，4.8考的比较少，wireless考最基础的内容。

0 基本概念

本章讨论广播网络和相应的协议。用来确定多路访问信道下一个使用者的协议属于数据链路层的一个子层，该层称为介质访问控制子层mac,medium access control。

传输数据使用的两种链路：

1 信道分配问题

在广播信道当中，同一时间只能有一台主机发送信息，如果有多个节点同时发送信息，信道上就会发生信号冲突问题，通信就会失败，需要重传；因此需要对多节点共享的介质进行访问控制。

1.1 静态信道分配

在用户通信之前，预先将信道按照时间(时隙)/空间(频率)对信道进行划分，使用户在通信过程中不会发生碰撞，不会相互干扰.

改进的时分复用–统计时分复用STDM：

集中器：将四个低速用户连接起来，将它们的数据集中起来，通过高速线路在一条信道上发送出去

缺陷：如果频谱spectrum被切成N个区域，并且目前少于N个用户参与通信，那么大量有价值的频谱将被浪费。

平均时间延迟mean time delay(发送时间+排队时间) T=1/(uc-x)：

• c是信道网络速度 bits/s
• 帧的到达率的x frames/s
• 帧的长度，用u来衡量，1/u bit/frame
• 平均服务时间是1/uc,即系统每秒可以处理uc帧
• 该等式是根据队列理论获得的。

FDM中的平均的延迟时间Tfdm= N*T: N是FDM中的子信道数量sub-channel。事实证明静态FDM性能不太好。FDM的结果和TDM的结果类似。

1.2 动态信道分配的假设

又叫做动态媒体接入控制/多点接入，信道并不是在用户通信时固定分配给用户，使得用户占用的带宽更大。几点假设如下：

• 1流量独立independent traffic–该模型由N个独立的站组成，站产生帧frames，等待被传输，直到帧被成功传输。
• 2单信道模型singlechannel model–所有通信都使用这一个信道。
• 3冲突假设collision–站可以检测到冲突，一个冲突的collided帧需要之后再次传输。
• 4a.连续时间continuous–帧可以在任何时间点被传输
• 4b.分槽时间slotted time–帧只能在每个slot开始的时刻传输，一个slot可能包含0，1或多个帧。
• 5a.载波侦听carrier sense–站在使用前可以侦听出该信道是否正在被占用
• 5b.载波不听no carrier sense–站无法在使用前侦听，只能盲目运输

2 多路访问协议

2.1 ALOHA

①纯pure ALOHA–123 4a 5b

吞吐量为S=G*e^(-2G); 其中G为负载，即单位时间内产生的帧数；S为单位时间内传输成功的帧的数量。G=0.5，S=1/2e时，吞吐量取最大值0.184.即信道的最大利用率为18%。

②分槽的slotted ALOHA,也称为时隙ALOHA，123 4b 5b

相对于纯ALOHA协议就是固定了发送时间和重传时间（只能在一个时间片的开始），纯ALOHA比分槽ALOHA吞吐量更低，效率更低（吞吐量就是一段时间内成功发送的平均帧数）纯ALOHA想发就发，分槽ALOHA只有在时间片段开始时才能发。吞吐量为S=Ge^(-G)，最大值取0.368，即信道的最大利用率为37%。

2.2 载波侦听多路访问CSMA协议，carrier sense multiple access protocol

①1-坚持persistent CSMA

②非坚持nonpersistent CSMA

③p-坚持CSMA

三者的比较和总结：对于以上三种CSMA，它们的冲突检测方案只能在发送完整段数据帧之后，是否收到来自接收方的确认帧来判断是否发生冲突，如果没有收到来自接收方的确认帧，发送方就会判定发生冲突，因此之前发送的数据帧完全浪费

信道利用率比较：

④有冲突检测的CSMA-CD，CSMA with Collision Detection

二进制数规避算法：

最小帧长问题：

• 如果发送了一个很小的帧发生了碰撞，但是由于帧太短，帧发送完毕之后才检测到发生了碰撞，已经没有办法停止发送；
• 而CSMA/CD的诞生就是为了能够及时叫停，解决只有帧发完之后才能检测到碰撞的问题，因此定义了一个最小帧长，希望在检测到碰撞的时候，帧还没发送结束
• 上述我们得到，最迟经过2个传播时延，检测到碰撞，因此要求帧的传输时延>=2倍信号在总线中的传播时延，就可以保证检测到碰撞时帧还没有发送完，便可以叫停

2.3 无冲突协议collision-free protocol

2.4 有限竞争协议limited-contention protocols

2.5 无线局域网协议wireless LAN protocol

对于无线局域网–通常不能检测出正在发生的冲突，接收到的信息很微弱；无线电传输范围有限，无线局域网中的站或消除无法给所有其他站发送帧，或者无法接收所有来自其他站的帧。而在有线局域网中，一个站发出的帧其他站都能听到。

上述CSMA-CD常应用于总线式以太网当中，是一种有线网络的情况。CSMA-CA用于无线局域网当中，很难用CD实现，因为空间大，冲突检测范围大，很难实验。

隐藏终端问题hidden station problem和暴露终端问题exposed station problem：

MA-CA协议的基本内容Multiple Access with Collision Avoidance, MACA：发送方刺激接收方输出一个短帧，以便其附近的站能检测到该次传输从而避免在接下来进行的较大数据帧传输中也发送数据。这个可以代替载波侦听。

对比CSMA-CD和CSMA-CA：

3 以太网

经典以太网classic Ethernet–使用本章前面的奇数解决了多路访问问题。交换式以太网switched Ethernet–使用交换机连接不同的计算机，速率更高，可达100，1000，10000Mbps等运行，即为快速以太网，千兆以太网和万兆以太网。

无连接：发送方和接收方之间无“握手过程”；不可靠：不对发送方的数据帧编号，接收方不向发送方进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠正由高层负责。以太网只实现无差错接收，不实现可靠传输，无连接。

3.1 以太网布线Ethernet cabling

通常有四种类型的布线cabling：

中继器用于将水平电缆连接到垂直柱spine：[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-f3Br4qYB-1614946238645)(C:\Users\DELL\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210104203651470.png)]

下图是大多数 10Base-T 网络的拓扑。 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-FXYfL9B6-1614946238646)(C:\Users\DELL\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210104203723548.png)]

3.2 曼彻斯特编码encoding

关键问题：明确确定每个位的开始、结束或中间，而不引用外部时钟。两种方法：曼彻斯特编码和差异曼彻斯特编码。

①曼彻斯特编码：每个位周期被分成两个相等的间隔（1 = HL，0=LH。优点：接收方易于与发送方同步；缺点：带宽是直接二进制编码的两倍。

②differential差分曼彻斯特编码：1 = 间隔开始时没有转换，0 = 间隔开始时存在过渡，差分方案需要更复杂的设备，但提供更好的抗噪性。[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-K0s7EAQL-1614946238647)(C:\Users\DELL\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210104204435926.png)]

3.3 经典以太网的MAC子层协议

帧的格式如上图所示，具体为：

• 首先是8个字节的前导码preamble，每个字节包含比特模式10101010，除了最后一个字节的最后两位为11，这最后一个字节称为802.3的帧起始定界符Start of Frame, SOF.比特模式是曼彻斯特编码产生的10MHz方波，每个波6.4微妙，以便接收方的时钟与发送方同步，最后两个1告诉接收方即将开始一个帧。
• 接下来是目标地址字段和帧的发送方地址，各6各字节长。如果传输的目标地址的第一位是0，表示这是一个普通地址，如果是1，表示这个是一个组地址，允许多个站同时监听一个地址，该组中的所有站都要接收它，即组播multicasting。由全1组成的特殊地址保留用作广播broadcasting。如果一个帧的目标地址字段全1，则它被网络上所有的站接收。
• 站的源地址具有全球唯一性，该地址由IEEE统一分配，只要给出48位数字，任何站都可以唯一寻址到该数字代表的任何其他站。地址的前3各字节用作该站所在组织的唯一标识符OUI，organizationally Unique Identifier。该字段的值由IEEE分配，指明了网络设备制造商，制造商获得一块大小位2^24的地址，地址字段的最后3各字节由制造商负责分配，并且设备出厂前把完整的地址用程序编入NIC。
• 类型Type或长度Length字段，采用哪个字段取决于是以太网帧还是IEEE802.3帧。以太网使用类型字段告诉接收方帧内包含了什么，类型字段制定了把帧送给哪个进程处理。长度字段指定该帧长度。任何小于等于0x600可解释为长度字段，任何大于0x600可解释为类型字段。
• 数据字段data–最多可包含1500个字节。以太网要求有效帧(从目标地址算起至校验和)至少64个字节，如果帧的数据部分少于46个字节，则使用填充Pad字段来填充该帧，使之达到最小长度要求。
• 校验和checksum–即32位CRC差错检测吗，如果检测到错误则丢弃帧。

二进制指数后退的CSMA-CA—当冲突发生后如何确定随机等待时间？

该算法可以确保如果只有少量站发生冲突，则它可以确保较低的延迟；当许多站发生冲突时，可以保证在一个相对合理的时间间隔内解决冲突。截断在1023可避免延迟增长的太快。

3.4 以太网性能

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wQdkT3jY-1614946238649)(C:\Users\DELL\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210104211321110.png)]

3.5 交换式以太网switched Ethernet

核心是交换机switch，它包含一快连接所有端口的高速背板，通常有4-48个端口i，每个端口都有一个连接器来连接双绞线电缆，每个电缆把交换机和一台计算机连接，通过见到那插入或拔出电缆可完成增删一台计算机。

①集线器： 当B–>C时，所有其他计算机不能同时发送。网络总带宽为10 Mbps。平均每台节点机的最高带宽为：10/8=1.25 Mbps：

②8口交换机： 当B–>C时，同时可以进行:D–>A，E–>G，H–>F。网络总带宽为10*4=40 Mbps,平均每台节点机的最高带宽为：10/2 = 5 Mbps。

③当网卡及交换机都是全双工设备时，平均每台节点机的最高带宽为： 5*2 = 10 Mbps。

3.6 快速以太网fast ethernet

光纤 FDDI 和光纤通道的缺点使 IEEE 提出了快速以太网。1995 年，所有 802.3u 都使用集线器hub或交换机switches。

3.7 千兆以太网

3.8 万兆以太网

3.9 以太网回顾

4 无线局域网

IEE802.11是无线局域网通用的标准，它是由IEEE所定义的无线网络通信的标准。无线局域网的覆盖范围比WIFI的覆盖范围大得多，WIFI是802.11b和802.11g所定义的标准，满足这两个标准属于WIFI。

4.1 802.11 体系结构和协议栈

协议栈结构如下：[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-A8nhtF1l-1614946238650)(C:\Users\DELL\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210104213241904.png)]

MAC子层决定了信道如何分配；LLC子层隐藏802各个网络间的不同。前面三个802网络标准是1997提出；后面两是1999，最后一个是2001提出的。

4.2 802.11 物理层

FHSS, DSSS，OFDM，HR-DSSS, 802.11g等的区别和性能上的差异。

4.3 802.11 MAC子层协议

无线网的难题：①hidden station problem隐藏终端问题–发出的帧不能被所有其他站听到；②暴露终端问题exposed。③半双工half duplex–不能在一个频率上传输的同时侦听该频率上的突发噪声。冲突检测机制不起作用。所以802.11试图避免冲突，采用带冲突避免的载波监听多路访问CSMA-CA：

• 使用介质前，speaker必须指示将使用多久，通知其他潜在speakers在使用介质所需要等待的时间 直到前一个speaker指示的时间后，其他speaker才能使用介质
• 当收到肯定确认后，speaker才认为数据成功传输
• If two participants happen to start speaking at the same time, they are unaware they are speaking over each other. The speakers determine they are speaking over each other because they do not receive confirmation that their voices were heard.
• 当发送的数据没有收到肯定确认时，speaker会等待一个随机时间然后再次使用介质发送没有成功的数据
• 当没有收到肯定确认时，该 MAC层认为检测到了碰撞

帧分片(Frame Fragmentation)的作用在于提高无线介质中传输的可靠性，将一个完整帧分为几个更小的帧来分别传输，每个分片帧都需要ACK，这样当某个分片帧出现错误时，只需要重新传输该帧即可，然而这也可能增加MAC层过载问题(Overhead)。帧分片只发生在单播帧中 ，每个分片帧具有相同的帧序列号和递增的帧编号。

4.4 802.11 帧结构

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802.11标准定义了三种不同类型的帧：数据帧，控制帧和管理帧。每种帧都有一个头，包含了MAC子层相关的各种字段，除此之外还有一些头被物理层使用。

数据帧的结构:

• 帧控制字段frame control–它有11个子字段，其中第一个子字段是协议版本，然后是类型字段(如数据帧，控制帧或管理帧)和子类型字段，如(RTS或CTS)，to DS和from DS字段分别标明该帧是发送到还是来自于与AP连接的网络。更多段more fragment标志位意味着后面还有更多的段。重传Retry标志这是以前发送的某一帧的重传。电源管理标志发送方进入节能模式。more data表明发送方还有更多的帧需要发送给接收方。protected frame表示该帧已被加密等，顺序order表示接收方希望按顺序处理帧序列。
• 持续时间duration字段通知本帧和其确认帧将会占用信道的时间，按ms计
• 地址字段包含接收方地址，发送方地址和远程端点。
• 序号sequence是帧的编号，可用于重复帧的检测，16位，其中4位标识了段，12位标识了帧，每发出去一帧该数字递增。
• Data字段包含了有效载荷，长度可达2312字节。

4.5 服务

关联，重新关联，有线等效保密，分发，数据传输，流量调度，发射功率控制等。

5 宽带无线(非重点)

802.16与802.11和3G的比较

802.16体系结构与协议栈

802.16 物理层

802.16的MAC子层协议

802.16帧结构

6 蓝牙(非重点)

蓝牙体系结构

蓝牙应用

蓝牙协议栈

蓝牙无线电层

蓝牙链路层

蓝牙帧结构

7 RFID(非重点)

体系结构

物理层

标签标识层

标签标识消息格式

8 数据链路层交换

8.1 集线器HUb

物理层通过集线器扩展以太网的两种方法：

①通过光纤：

• 光纤长度长，信号损耗小，
• 调制器：电信号-》光信号
• 解调器：光信号-》电信号

②通过主干集线器：一个冲突域内主机变多，发生冲突概率变大，效率变低

8.2 网桥和交换机

为了解决主干集线器方式的冲突多，效率低的问题，出现了网桥(交换机的前身)和交换机。

存在两种网桥：①透明网桥；②源路由网桥

通过自学习来构建转发表。每一个通过网桥的数据包都会被记录下网桥收到数据时数据对应的地址和网桥自己的接口，通过许许多多的数据包的构造的缓存，网桥就可以知道哪个数据包在哪个接口，以后如果要穿数据包就知道要往哪个接口发送数据包了

在发送时，直接将最佳路径放到帧首部。那么网桥如何获得最佳路径？通过广播方式向目标地址发送广播，此时可能会经过不同路由产生不同的路径，目标地址收到后再将每一条路径都发一个响应帧给网桥，网桥经过对比就知道哪个接口最快了

8.3 以太网交换机

随着计数的发展，网桥的接口越来越多，网桥就变成了以太网交换机。

交换机通常有十几个端口，每个端口都可以直接连接主机或者连接集线器。交换机同网桥一样，每个端口引出的区域都是一个冲突域。交换机可以独占传输媒体带宽，交换机端口连接的集线器/主机都是独占媒体带宽，不同于集线器带宽被平分

以太网交换机的两种交换方式：

8.4 广播域/ 冲突域