计算机网络第八版--谢希仁 （持续更新中）

目录

第一章 概论

1.1互联网的两个重要基本特点：

1.2互联网概述：

1.2.1网络的网络

1.2.2互联网基础结构发展的三个阶段：

1.2.3互联网的标准化工作：

1.3互联网的组成：

1.3.1互联网的边缘部分

1.3.2互联网的核心部分：

1.4计算机网络在我国的发展

1.5计算机网络的类别：

1.5.1计算机网络的定义

1.5.2几种不同类别的计算机网络

1.6计算机网络的性能

1.6.1.性能指标

1.6.2计算机网络的非性能特征

1.7计算机网络体系结构

1.7.1计算机网络体系结构的组成

1.7.2协议与划分层次

1.7.3具有五层协议的体系结构

1.7.4 实体，协议，服务和服务访问点

1.7.5TCP/TP

1.8本章小结：

第二章 物理层

2.2数据通信的基本知识

2.2.1数据通信系统的模型

2.2.2有关信道的几个基本概念

2.2.3信道的极限容量

2.3物理层下面的传输媒体

2.3.1导引型传输媒体

2.4信道复用技术

2.4.1频分复用，时分复用和统计时分复用

2.4.2波分复用

2.4.3码分复用

2.5数字传输系统

2.6宽带接入技术

2.6.1ADSL技术

2.6.2光纤同轴混合网（HFC网）

2.6.3FTTx技术：

2.7本章小结

第三章 数据链路层

3.1数据链路层的几个共同问题：

3.1.1数据链路和帧

3.1.2三个基本问题

3.2点对点协议PPP

3.2.1PPP协议的特定啊

3.2.2PPP协议的帧格式

3.2.3PPP协议的工作状态

3.3使用广播信道的数据链路层

3.3.1局域网的数据链路层

3.3.2 CSMA/CD协议

3.3.3使用集线器的星形拓扑

3.3.4以太网的信道利用率

3.3.5以太网的MAC层

3.4扩展的以太网

3.4.1在物理层扩展以太网

3.4.2在数据链路层扩展以太网：

3.4.3虚拟局域网

3.5高速以太网

3.5.1  100BASE-T以太网

3.5.2 吉比特以太网

3.5.3 10吉比特以太网和更快的以太网

3.5.4 使用以太网进行宽带接入

3.6 本章的重要概念

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第一章 概论

1.1互联网的两个重要基本特点：

连通性和共享；

连通性是指，互联网使上网用户之间，不论多远都可以非常便捷，非常经济的交换各种信息；

共享是指资源共享，可以是信息共享，可以是硬件共享；

1.2互联网概述：

1.2.1网络的网络

计算机网络由若干节点和链接这些节点的链路组成。节点可以是计算机，集线器，交换机或者路由器等；

网络把许多计算机连接在一起，而互联网把许多网络通过一些路由器连接在一起，与网络相连的计算机常称为主机。

1.2.2互联网基础结构发展的三个阶段：

第一个阶段是是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程；

注意internet和Internet的区别：

小写字母i开头的internet是一个通用名词，它泛指多个计算机网络互相连接而成的计算机网络。

大写字母I开头的Internet则是一个专用名词，他指当前全球最大的开放的，由众多网络互相连接而成的特定互联网。

第二个阶段的特点是建成了三级结构的互联网；

分为主干网，地区网和校园网（或者企业网），

第三阶段的特点是逐渐形成了全球范围的多层次ISP结构的互联网

ISP（网络服务提供商）例如，中国电信，中国移动

IXP（互联网交换点）的主要作用就是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要第三个网络来转发分组，典型的IXP由一个或多个网络交换机组成，许多ISP再连接到这些网络交换机的相关端口上。

1.2.3互联网的标准化工作：

ISOC(互联网协会)

IETF(互联网工程部)

IRTF(互联网研究部)

1.3互联网的组成：

1.边缘部分  由所有连接在互联网上的主机组成，这部分是用户直接使用的  用来进行通信

2.核心部分  由大量网络和连接这些网络的路由器组成，这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）

1.3.1互联网的边缘部分

处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机。这些主机由称为端系统。小的端系统可以是一台普通个人电脑和具有上网功能的智能手机，甚至是一个很小的摄像头

在网络边缘的端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：

客户—服务器方式（C/S)方式   和对等方式（p2p);

1.c/s方式：

这种方式在互联网上是常用的，也是传统的方式客户和服务都是值通信中所涉及的两个应用进程。 客户是服务请求方，服务器是服务提供方。

在实际应用中，客户程序和服务器程序通常还具有一下一些主要特点。

客户程序：

（1）被用户调用后运行，在通信时主动向远地服务器发起通信。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。

（2）不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

服务器程序：

（1）是一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或者本地客户的请求

（2）系统启动后即一直不断的运行着，被动地等待并接受来着各地的客户的通信请求。因此服务器不需要知道客户程序的地址。

（3）一般需要有强大的硬件和高级的操作系统支持。

客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可以发送和接收数据。

2.p2p方式：

 只要两台主机都运行了对等连接软件，他们就可以进行平等的对等连接通信。

1.3.2互联网的核心部分：

互联网核心部分起作用的是路由器，它是一种专用计算机。

电路交换的主要特点：

在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的全部通信资源；当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低，这是因为计算机数据是突发式的出现在传输线路上。

分组交换的主要特点

分组交换则采用存储转发技术。通常我们把要发送的整块数据称为一个报文（message）。在发送报文之前，先把较长的报文划分为一个个更小的等长数据段，在每一个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组。分组又称为包，而分组的首部也可以称为包头，分组是在互联网中传送的数据单元。

分组交换的主要优点：

高效：在分组传输的过程中动态分配传输宽带，对通信链路逐段占用。

灵活：为每一个分组独立的选择最合适的转发路由

迅速：以分组作为传送单位，不先建立连接就能向其他主机发送分组

可靠：保证可靠性的网络协议，分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性

电路交换—整个报文的比特流连续的从源点直达终点，好像在一个管道中传送。

报文交换—整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点

分组交换—单个分组传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，并转发到下一个节点

1.4计算机网络在我国的发展

1.5计算机网络的类别：

1.5.1计算机网络的定义

计算机网络主要是由一些通用的，可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的。

1.5.2几种不同类别的计算机网络

1.按照范围进行分类

1.广域网WAN 广域网的作用范围通常为几十到几千公里，因而有时也称为远程网。

2.城域网MAN 城域网的作用范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市，起作用距离约为5~50Km

3.局域网LAN  局域网一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连，但地理上则局限在较小的范围。

4.个人局域网PAN  个人局域网就是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络。

2.按照网络的使用者进行分类

（1）公用网 这是指电信公司，出资建造的大型网络。

（2）专用网  这是某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而制造的网络，这种网络不向本单位以外的人提供服务。

1.6计算机网络的性能

1.6.1.性能指标

1.速率 ：网络技术中的速率指的是数据的传输速率，他也称为数据率或者比特率。单位是bit/s

2.带宽：

(1) 带宽本来是指某个信号具有的频带宽度，带宽的单位是赫，现在表示某信道允许通过的频带范围。

(2)在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内，网络中的某信道所通过的最高数据率。

3.吞吐量：吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道.接口）的实际数据量。

4.时延：值数据（一个报文或者分组，甚至比特）从网络（或者链路）的一端到另一端所需要的时间，也成为延迟。

(1)发送时延：是主句或路由器发送数据帧所需要的时间，从发送第一个比特到最后一个比特的时间。也称传输时延。计算公式是：

发送时延=数据帧长度发送时延=数据帧长度

发送时延与传输信道的长度没有任何关系

(2)传播时延：是电磁波在信道中传播一定的距离需要耗费的时间。计算公式

传播时延=信道长度()/电磁波在信道上的传播速率(/)

传播时延与信号的发送速率无关，传送的距离越远，传播时延就越大。

(3)处理时延：之际或者路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理。

(4)排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多路由器，在分组进入路由器后还要再输出队列中进行排队等待。

这样，数据在网络中经历的总时延就是以上四种时延之和：

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

5.时延带宽积：传播时延和带宽的乘积等于时延带宽积

6.往返时间RTT：在许多情况下，互联网的通信是双向的。

7.利用率：分为信道利用率和网络利用率两种。

信道利用率是指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过），完全空闲的信道的利用率是零。

网络利用率则是指全网络的信道利用率的加权平均值

1.6.2计算机网络的非性能特征

1.费用：网络的价格

2.质量：取决于网路中所有构件的质量

3.标准化：网络的硬件和软件的设计既可以按照通用的国际标准，也可以遵循特定的专用网络标准。

4.可靠性：可靠性与网络的只狼和性能都有密切关系。

5.可扩展性和可升级性

6.易于管理和维护

1.7计算机网络体系结构

1.7.1计算机网络体系结构的组成

1.7.2协议与划分层次

计算机网络中要做到有条不紊的交换数据，就必须遵守一些事先约定好的规则，这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则，标准或者约定称为网络协议。

主要有以下三个要素组成：

（1）语法：即数据与控制信息的结构和格式

（2）语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。

（3）同步：即事件实现顺序的详细说明。

分层可以带来许多好处，如：

(1)各层之间是独立的。

(2)灵活性好。

(3)结构上可分割开。

(4)易于实现和维护。

(5)能促进标准化工作。

通常各层需要完成的功能主要有以下一些：

1.差错控制：使相应层次等对方的通信更加可靠。

2.流畅控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接受，不要太快。

3.分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原

4.复用和分用：发送端几个高层绘画复用一条底层的连接，在接收端进行分用

5.连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑链接，数据传送结束后释放连接

计算机网络的各层及协议的集合就是网络的体系结构。换种说法，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义。总之，体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

1.7.3具有五层协议的体系结构

（1）应用层（applicaton layer)

应用层是体系结构中的最高层。应用层的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层定义的是应用进程间通信和交互的规则。

（2）运输层(transport layer)

运输层的任务就是负责向两台主机中进程之间的通信提供统一的数据传输服务。

运输层主要使用以下两种协议：

• 传输控制协议TCP（transmission Control Protocol)----提供面向连接的，可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段。
• 用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)---提供无连接的尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性），其数据传输的单位是用户数据报。

（3）网络层(network layer)

网络层主要负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。

网络层的具体任务有两个。

第一个任务是通过一定的算法，在互联网中的每一个路由器上生成一个用来转发的转发表。

第二个任务较为简单，就是每一个路由器在接收到一个分组时，依据转发表中指明的的路径把分组转发到下一个路由器。

（4）数据链路层（data link layer）

简称为链路层。在两个相邻节点之间传送数据时，数据链路层将网络层绞下来的IP数据包组装成帧。在相邻两个节点上传送帧。每一帧包含数据和必要的控制信息。

（5）物理层(physical layer)

在物理层上所传数据的单位是比特。当发送1或者0时，要保证接收方正确接收，物理层要考虑用多大的电压代表1或者0，以及接收方如何识别发送方所发送的比特，物理层还要确定连接电缆的插头应当由多少跟引脚以及哥引脚应如何连接。

1.7.4 实体，协议，服务和服务访问点

使用实体这一较为抽象的名词表示任何可发送或接受信息的硬件或软件进程。在许多情况下，实体就是一个特定的软件模块。

协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。协议的语法方面的规则定义了所交换的信息的格式，而协议的语义方面的规则定义了发送者慧结束这所要完成的操作。

在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。

首先，协议的实现保证了能够像上一层提供服务。使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议。也就是说，下面的协议对上面的实体是透明的。

其次，协议是“水平的"，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是”垂直的“，即服务器是由下层向上层通过层间接口提供的。只有那些能够被高一层实体”看得见“才能称之为”服务“。

在服务提供者的上一层的实体又称为”服务用户“，因为它使用下层服务提供者所提供的服务。

1.7.5TCP/TP

TCP/IP的体系结构比较简单，只有四层。

应用层，运输层，网际层，链路层。

1.8本章小结：

1.计算机网络（可简称为网络）把许多计算机连接在一起，而互联网把许多网络连接在一起，是网络的网络。

2.以小写字母i开头的internet是通用名词，泛指多个计算机网络互相连接而成的网络。在这些网络之间的通信协议可以是任意的。

3.以大写字母I开始的Internet是专用名词，他指当前全球最大的，开放的，由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，采用TCP/IP协议组作为通信规则。

4.互联网现在采用存储转发的分组交换技术以及三层ISP结构。

5.互联网按照工作方式可划分为边缘部分和核心部分。主机在网络的边缘部分，其作用是进行信息处理，路由器在网络的核心部分，起作用是按照存储转发方式进行分组交换。

6.计算机通信是计算机中的进程（即运行中的程序）之间的通信，计算机网络采用的通信方式是客户-服务器方式和对等连接方式（p2p)。

7.客户和服务器都是值通信中所涉及的应用进程。客户是服务请求方，服务器是服务提供方。

8.按作用范围的不同，计算机网络分为广域网WAN，城域网MAN，局域网LAN和个人局域网PAN。

9.计算机网络最常用的性能指标是：速率，带宽，吞吐量，时延（发送时延，传播时延，处理时延，排队时延），时延带宽积，往返时间和信道利用率/

10.网络协议即协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则。计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。

11.五层协议的体系结构由应用层，运输层，网络层，数据链路层和物理层组成。运输层最重要的协议是TCP和UDOP协议，而网络层最重要的协议是IP协议。

2.1物理层的基本概念

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性：

（1）机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置等。

（2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

（3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。

（4）过程特性：指明对于不同功能的各种可能时间的出现顺序。

数据在计算机内多采用并行传输。数据在通信线路上一般采用串行传输，因此物理层还要完成传输方式的改变。

第二章 物理层

2.2数据通信的基本知识

2.2.1数据通信系统的模型

一个数据通信系统可分为三大部分，即源系统（或发送方），传输系统（传输网络），和目的系统（接收方）

源系统一般包括以下两个部分：

• 源点 源点设备产生要传输的数据。
• 发送器 源点生成的数字比特流要通过发送器编码。

目的系统一般也包括以下两个部分：

• 接收器 接受传输系统传送过来的信号并转换。
• 终点 从接收器获取信号并输出。

2.2.2有关信道的几个基本概念

（1）单向通信 又称为单工通信，即只能有一个方向的通信

（2）双向交替通信 又称半双工通信，双方都可以发送或者接受，但双方不能同时发送，类似于纸杯电话

（3）双向同时通信，，又称全双工通信，双方可以同时发送和接受。

来着源的信号常称为基带信号，必须对基带信号进行调制。

调制可分为两大类：

一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，称为基带调制，仅仅是信号的转变，又称编码

一类需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，称为带痛调制

（1）常用编码方式：

• 不归零制：正电平代表1，负电平代表0
• 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0
• 曼彻斯特编码：位周期向上跳代表0，向下跳代表1
• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终有变

（2）基本的带通调制方法：

• 调幅
• 调频
• 调相

2.2.3信道的极限容量

码元传输的速率越高，信号传输的越远，噪声干扰越大或传输媒体质量越差，在接收端的波形失真就越严重

（1）信道能够通过的频率范围

具体的信道所能 通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。

在带宽为W(hz)的底通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是2W(码元/s)。

（2）信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，通常记为S/N,但大家都是使用分贝作为度量单位。即：

信噪比（dB）= 10log10(/）（dB)

香农公式指出，信道的极限信息传输速率C是

C=Wlog2(1+/)

式中，W为信道的带宽，S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明，信道的带宽或者信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。

2.3物理层下面的传输媒体

2.3.1导引型传输媒体

1.双绞线

2.同轴电缆

3.光缆

特点：

（1）通信容量非常大

（2）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济

（3）抗雷电和电磁干扰性能好

（4）无串音干扰，保密性好

（5）体积小，重量轻

2.3.2非导引型传输媒体

无线传输

2.4信道复用技术

2.4.1频分复用，时分复用和统计时分复用

复用是通信技术中的基本概念

讲若干路信道合在一起，使用复用和分用进行整体传输。频分复用的各路信号在同样的时间占不同的带宽资源。

在进行通信时，复用器和分用器成对的使用。在复用器和分用器之间是用户的高速信道。

（1）频分复用：

是一种将多路基带信号调制到不同频率载波上再进行叠加形成一个复合信号的多路复用技术

（2）时分复用

将提供整个信道传输信息的时间划分为若干时间片（简称时隙），并将这些时隙分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进行传输。

（3）统计时分复用：

根据用户实际需要动态分配 线路资源的时分复用方法。只有当用户有数据要传输时才给他分配线路资源，当用户暂停发送数据时，不给他分配线路资源。

2.4.2波分复用

波分复用就是光的频分复用，在一根光纤中同时传输多个频率很接近的光载波信号，

2.4.3码分复用

一组包含相互正交的码组携带多路信号。

2.5数字传输系统

若信道中传输的是数字信号，则称为数字传输系统

缺点：

（1）速率标准不统一

（2）不是同步传输

2.6宽带接入技术

2.6.1ADSL技术

非对称数字用户线技术是用数字技术对现有模拟电话的用户线进行改造，使他能承担宽带数字业务

ADSL的下载速度远远大于上传速度。ADSL传输距离取决于数据率和用户线的线径，用户线越细，衰减率就越大

2.6.2光纤同轴混合网（HFC网）

在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除了可传送电视节目外，还能提供和电话，数据和其他宽带交互性业务。

2.6.3FTTx技术：

光纤到户，九十八光纤一直铺设到用户家庭，只有在光纤进入到用户的家门后，才把光信号转换为电信号，这样做就可以使用户获得最高的上网速度。

2.7本章小结

• 物理层的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如机械特性，电气特性，功能特性和过程特性。
• 一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统，传输系统和目的系统，源系统包括源点和发送器，目的系统包含接收器和终点。
• 通信的目的是传送消息，语言，文字，图像和视频都是消息。数据是运送消息的实体。信号则是数据的电气或者电磁的表现。
• 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为模拟信号和数字信号，代表数字信号不同离散数值的基本波形称为码元。
• 根据双方信息交互的方式，通信可以划分为单向通信，双向交替通信和双向同时通信。
• 来自信号源的喜好叫做基带信号。基带信号要在信道上传输就要经过调制。调制有基带调制和带通调制之分。最基本的带通调制方法有调幅，调频，调相。
• 要提高数据在信道上的传输速率，可以采用更好的传输媒体，或使用先进的调制技术。但数据传输率不可能被任意的提高。
• 传输媒体分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。
• 常用的信道复用技术有频分复用，时分复用，统计时分复用，码文复用和波文复用。
• 用户到互联网的宽带接入方法有非对称数字用户线ADSL，光纤同轴混合网HFC，以及光纤到家FTTx。

• 数据链路层属于计算机网络的底层。主要有以下两种类型

  （1）点对点信道 使用一对一的点对点通信方式

  （2）广播信道  使用一对多的广播通信方式

  第三章 数据链路层

  本章最重要的内容是：

  （1）数据链路层的点对点信道和广播信道的特点，以及使用的协议（PPP协议以及SCMA/CD协议）的特点

  （2）数据链路层的三个基本问题：封装成帧，透明传输和差错检测

  （3）以太网MAC层的硬件地址

  （4）适配器，转发器，集线器，网桥以太网交换机的作用及使用场合

  3.1数据链路层的几个共同问题：

  3.1.1数据链路和帧

  所谓链路就是从一个节点到另一个节点的一段物理线路。

  数据链路则是另一个概念。这是因为当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须头一些必要的通信协议来控制这些数据的传输帧

  点对点信道的数据链路层的协议数据单元

  点对点信道的数据链路层在进行通信时的主要步骤如下

  （1）节点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧

  （2）节点A把封装好的帧发送给B的数据链路层

  （3）节若点B的数据链路层收到的的帧无差错，则从收到的帧中提取出IP数据报交给网络层，否则就丢弃

  3.1.2三个基本问题

  封装成帧，透明传输和差错检测

  1.封装成帧

  就是在一段数据的前后添加首部和尾部

  首部和尾部的一个重要作用就是帧定界（确定帧的界限）
   

  2.透明传输

  透明表示：某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。解决透明传输问题，就必须设法使数据中可能出现的控制字符“SOH”和“EOT”在接收端不被解释为控制字符。

  具体的方法是在发送端控制字符“SOH”和“EOT”前面添加一个转义字符“ESC”，而接收端删除这个字符。这种方法称为字节填充或字符填充。

  3.差错检测

  传输的过程中1可能会变成0，反之亦然，这就叫比特差错。

  使用了循环冗余检验：

  3.2点对点协议PPP

  对于点对点的链路，简单得多的PPP（Point-to-Point Protocol)是目前使用最广泛的数据链路层协议

  3.2.1PPP协议的特定啊

  1.PPP协议应该满足的要求：

  （1）简单 接收方接受一个帧并检测，入如果对就收下，如果错就丢掉。

  （2）封装成帧

  （3）透明性

  （4）多种网络层协议 PPP协议必须能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议的运行

  （5）多种类型链路 除了要支持多种网络层的协议外，PPP还能够在多种类型的链路上运行

  （6）差错检测 PPP协议必须能够对接收到的帧进行检测，并且立即丢弃掉有差错的帧

  （7）检测连接状态 PPP协议必须具有每隔一段时间就检测链路是否在正常工作状态

  （8）最大传送单元 PPP协议必须对每一种类型的点对点链路设置最大传输单元MTU

  （9）网络层地址协商 PPP协议必须提供一种机制使通信的两个网络层的实体能够通过协商知道能够配置彼此的网络层地址

  （10 数据压缩协商 PPP协议必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。

  2.PPP协议的组成

  PPP协议有三个组成部分：

  (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

  3.2.2PPP协议的帧格式

  1.各字段的意义：PPP帧的首部和尾部分别为四个字段和两个字段

  7E

  FF

  03

  协议

  信息部分

  FCS

  7E

  首部的第一个字段和尾部的最后一个字段都是0x7E（0x表示十六进制）

  2.字节填充

  当信息字段中出现了和标志字符一样的比特组合时（例如0x7E）,就必须采用一些措施使

  当PPP使用异步传输时，他把转义字符定义为0x7D并使用字节填充

  （1）把信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成两字节序列（0x7D，0x5E）

  （2）若信息字段中出现一个0x7D的字节，则把0x7D转换为(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，则在该字符前面加一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。

  3.零比特填充

  PPP协议在使用同步传输时，采用零比特填充的方法来实现透明传输。

  只要发现有5个连续的1，则立即填入一个0。

  3.2.3PPP协议的工作状态

  PPP链路一开始是怎样被初始化的？

  PPP链路的起始和终止状态都是链路静止。这是用户个人电脑和ISP的路由器之间并不存在物理层的连接

  分为五个状态：

  （1）链路静止  此时设备之间无链路

  （2）链路建立  此时有物理链路

  （3）鉴别         此时有LCP链路

  （4）网络层协议 此时有已鉴别的LCP链路

  （5）链路打开  此时有已鉴别的LCP链路和NCP链路

  当用户电脑呼叫路由器时，路由器就能偶检测到调制解调器发出的载波信号。在双方建立了物理层连接后，PPP就进入了“链路建立”状态，其目的是建立链路层的LCP连接。

  这时候双方开始协商，协商结束后就连里了LCP链路，接着就进入了“鉴别”状态。

  若身份鉴别失败，则链路中止，若身份鉴别成功，则进入网络层协议状态

  在网络层协议状态，PPP链路两端的网络控制协议NCP根据网络层的不同协议互相交换网络层特定的网络控制分组。

  当网络层配置完毕后，链路就进入可进行数据通信的链路打开状态，两个PPP端点还可以发送回送请求和回送回答以检查链路的状态

  数据传输结束后，可以由链路的一端发出中止请求LCP分组来中止链路连接，在收到对方发来的终止确认后，转到链路中止状态，如果链路出现故障，也会从链路打开转到链路中止，当调制解调器的载波停止后，则回到链路禁止状态。

  3.3使用广播信道的数据链路层

  广播信道可以进行一对多的通信。

  3.3.1局域网的数据链路层

  局域网的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数据均有限。

  局域网具有如下的一些优点：

  （1）具有广博功能，从一个站点可很方便的访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。

  （2）便于系统的扩展和逐渐的演变，各设备的位置可灵活调整和改变。

  （3）提高了系统的可靠性，可用性和生存性。

  局域网的工作层次跨越了数据链路层和物理层

  共享信道要着重考虑的一个问题就是如何使众多用户能够合理而方便的共享通信媒体资源，有两种办法

  （1）静态划分信道，用户只要划分到了信道就不会和其他用户发生冲突，代价较高，不适合局域网使用。

  （2）动态媒体接入控制，又称多点接入，其特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。又分为以下两类：

  • 随机接入：特点是所有的用户都可以随即的发送信息。但如果恰巧有两个或更多的用户在同一时刻发送信息，那么在共享媒体上就要产生碰撞，使得这些用户的发送都失败。因此，必须要有解决碰撞的网络协议。
  • 受控接入 ：特点是用户不能随机发送信息而必须服从一定的控制。 

  随机接入将被重点讨论

  1.以太网的两个重要标准

  2.适配器的作用

  计算机与外界局域网的链接是通过适配器。适配器本来是在主机箱内插入的一块网络接口板。

  适配器的一个重要功能是进行数据串行传输和并行传输的转换

  适配器中装有对数据进行缓存的存储芯片。适配器还要能够实现以太网协议。

  3.3.2 CSMA/CD协议

  总线的特点是：当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据。这种就是广播通信方式。

  为了通信的简便，以太网采取了以下两种措施：

  第一，采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。适配器对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。  总线上只要有一台计算机在发送数据，总线的传输资源就会被占用。因此，在同一时间只允许有一台计算机发送数据。以太网采用的协议是CSMA/CD协议很好的解决了这一问题。

  第二，以太网发送的数据都是以曼彻斯特编码的信号。

  CSMA/CD协议的要点：

  多点接入就是说明这是总线型网络，协议的实质就是“载波监听“和”碰撞检测“。

  载波监听也就是边发送边监听，就是不管在想要发送数据之前，还是发送数据之中，每个站都必须不停的检测信道。为了避免冲突

  碰撞检测是适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况。当两个或多个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压变化幅度将会增大。表明产生了碰撞。

  在使用CSMA/CD协议时，一个站不可能同时进行发送和接收（但必须边发送边监听信道）。

  可把CSMA/CD协议的要点归纳如下：

  （1）准备发送：适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部，组成帧，放入适配器的缓存中，在发送之前，必须先检测信道。

  （2）检测信道：若检测信道忙，则继续不停的检测，一直等待信道空闲。

  （3）发送过程中仍不停的检测信道，即网络适配器要边发送边检测。

  3.3.3使用集线器的星形拓扑

  在星形的中心增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器。

  集线器的一些特点如下：

  （1）使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用的还是用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议，并且同一时刻只允许一个站发送数据

  （2）一个集线器有许多端口，一个集线器很像一个多端口的转发器

  （3）集线器工作在物理层，他的每个端口仅仅简单的转发比特，不进行碰撞检测

  （4）集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。

  集线器本身必须非常可靠。现在的堆叠式集线器由4~8个集线器堆叠起来使用。

  集线器一般都有少量的容错能力和网络管理功能

  3.3.4以太网的信道利用率

  3.3.5以太网的MAC层

  1.MAC层的硬件地址：

  在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址。

  地址是识别某个系统的一个非常重要的标识符。

  标识符系统：名字指出我们所要需要的那个资源，地址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处

  （1）假定连接在局域网上的一台计算机的适配器坏了而我们更换了一个新的适配器，那么这台计算机的局域网的“地址”也就改变了。虽然这台计算机的地理位置一点也没有变化，所接入的局域网也没有任何改变。

  （2）假定我们把位于南京的某局域网上的一台笔记本电脑携带到背景，并连接在北京的某局域网上，虽然这台电脑的物理位置变了，但是只要适配器不变，那么该电脑在北京的局域网中的“地址”仍和他在南京的局域网的“地址”一样。

  严格的讲，局域网的“地址”应当是每一个站的“名字”或标识符。

  MAC地址也被称为硬件地址或物理地址。

  2.MAC帧的格式

  以太网V2的MAC帧比较简单，由五个字段组成。 前两个字段分别为6字节长的目的地址和源地址字段。第三个字段是2字节的类型字段，用来标志上一层使用的是什么协议，第四个字段是数据字段，其长度在46到1500字节之间，最后一个字段是4字节的帧检验序列FCS。

  IEEE802.3标准规定凡出现下列情况之一的即为无效的MAC帧。

  （1）帧的长度不是整数个字节

  （2）用收到的帧检验序列FCS查出有差错

  （3）收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46~1500之间。

  对于检验出的无效帧进行丢弃。

  3.4扩展的以太网

  先在物理层扩展以太网，再在数据链路层扩展以太网。这种扩展的以太网在网络层看来仍然是一个网络。

  3.4.1在物理层扩展以太网

  现在，扩展主机和集线器之间的距离的一种简单方法就是使用光纤。

  如果使用多种集线器，就可以连接成覆盖更大范围的多级星形结构的以太网。

  这样做有两个好处：

  （1）使不同的以太网上的计算机可以通信

  （2）扩大了以太网覆盖的地理范围

  但也带来了一些缺点：

  （1）在不同系的以太网互联之前，每一个系的以太网是一个独立的碰撞域，在同一时刻，在一个碰撞域中只有一个站发送数据。

  （2）如果不同的以太网使用了不同的以太网技术，那么就不可能用集线器将他们互连起来。

  3.4.2在数据链路层扩展以太网：

  以太网交换机

  1.以太网交换机的特点

  以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥，通常都有十几个或更多的端口。

  以太网交换机的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，并且工作方式一般都是全双工方式。

  以太网交换机还具有并行性，能同时联通多端口，使多对主机能够同时通信，相互通信的主机都独占传输媒体，无碰撞地传输数据。

  以太网交换机的端口还有存储器，能够在输出端就繁忙时把到来的帧进行缓存。

  以太网交换机是一种即插即用设备内，其内部的帧交换表使通过自学习算法自动的逐渐建立起来的。

  以太网交换机的性能远远超过普通的集线器，而且价格不贵。

  从共享总线以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、适配器都不需要做任何改动。

  以太网交换机一般都具有多种速率的端口。

  2.以太网交换机的自学习功能

  以太网交换机的自学习功能 简单描述，就是会自动添加端口号，和MAC到交换表里面，然后会定期更新清空交换表。 交换机的自学习功能保证以太网交换机可以即插即用，不用配置

  3.从总线以太网到星形以太网

  仍然采用以太网的帧结构

  3.4.3虚拟局域网

  虚拟局域网VLAN使由一些局域网网段构成的与物理地址无关的逻辑组。

  虚拟局域网其实姿势局域网给用户提供的一组服务，而不是一种新型局域网。

  3.5高速以太网

  3.5.1  100BASE-T以太网

  100BASE-T以太网是在双绞线上传送100Mbit/s的基带信号的星形拓扑以太网，仍然使用CSMA/CD协议。又称为快速以太网

  想从细揽以太网升级到快速以太网的用户必须重新布线。

  3.5.2 吉比特以太网

  吉比特以太网有以下几个特点：

  （1）允许在1Gbit/s下以全双工和半双工两种方式工作

  （2）使用IEEE802.3协议规定的帧格式

  （3）在半双工方式下使用CSMA/CD协议，而在全双工方式不使用CSMA/CD协议

  （4）与10BASE-T和100B-T技术向后兼容

  分组突发：

  当很多帧需要发送时，第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充，但最后的一些短帧则可以一个一个的发送，他们之间只需留有必要的帧间最少间隔即可。

  3.5.3 10吉比特以太网和更快的以太网

  现在以太网的工作范围已经从局域网扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输，这种工作的好处是：

  （1）以太网是一种经过实践证明的成熟技术，

  （2）以太网的互操作性也很好

  （3）在广域网中使用以太网时，价格大概只有光纤网的五分之一

  （4）端到端的以太网连接使帧都是以太网的格式。

  以太网从10Mbit/s到10Gbit/s甚至400Gbit/s,证明以太网是

  (1) 可扩展的

  (2)灵活的

  (3)易于安装的

  (4)稳健性好的

  3.5.4 使用以太网进行宽带接入

  3.6 本章的重要概念

  • 链路是从一个节点到相邻节点的一段物理线路，数据链路则是在链路的基础上增加了一些必要的硬件（如网络适配器）和软件（协议的实现）
  • 数据链路使用的信道主要有点对点信道和广播信道两种
  • 数据链路层传输的协议数据单元是帧。数据链路的三个基本问题是：封装成帧，透明传输和差错检测。
  • 循环冗余检验CRC是一种检错方法，而帧检验序列FCS是添加在数据后面的冗余码。
  • 点对点协议PPP是数据链路层使用的最多的一种协议，它的特点是：简单：只检测不纠正；不使用序号，也不进行流量控制，可同时支持多种网络层协议
  • PPPoE是为宽带上网的主机使用的链路层协议。
  • 局域网的优点是：具有广播功能，从一个站点可很方便的访问全网；便于系统的扩展和逐渐演变；提高了系统的可靠性、可用性和生存性
  • 共享通信媒体资源的方法有二：一是静态划分信道（各种复用技术），二是动态媒体接入控制，又称为多点接入（随机接入或受控接入）。
  • 计算机与外界局域网的通信要通过网络适配器，它又成为网络接口卡和网卡。计算机的硬件地址就在适配器的ROM中
  • 以太网采用无线连接的工作方式，对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。目的站收到有差错帧就把它丢弃，其他什么也不做
  • 以太网采用的协议是具有冲突检测的载波多点接入CSMA/CD。协议的要点是：发送前先监听，边发送边监听，一旦发现总线上出现了碰撞，便立即停止发送。然后按照退避算法等待一段随机时间后再次发送，因此，每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。以太网上各站点都平等地争用以太网信道。
  • 传统的总线以太网基本上都是使用集线器的双绞线以太网。这种以太网在物理上是星形网，但在逻辑上则是总线网。集线器工作在物理层，它的每个端口仅仅简单的转发比特，不进行碰撞检测。
  • 以太网的硬件地址，即MAC地址实际上就是适配器地址或适配器标识符，与主机所在的地点无关，源地址和目的地址都是48位长。
  • 以太网的适配器有过滤功能，他只接受单播帧、广播帧或多播帧。
  • 使用集线器可以在物理层扩展以太网。
  • 交换式集线器常称为以太网交换机或第二层交换机（工作在数据链路层）。它就是一个多端口的网桥，而每个端口都直接与某台单主机或另一个集线器相连，且工作在全双工方式。以太网交换机能同时连通许多对端口，使每一对互相通信的主机都能像独占通信媒体那样，无碰撞的传输数据。
  • 高速以太网有100Mbit/s的快速以太网、吉比特以太网和10Gbit/s的10吉比特以太网。最近还发展到400吉比特以太网。在宽带接入技术中，也常使用高速以太网进行接入。