计算机网络 上 物理层和数据链路层

1 计算机网络体系结构

学习重点：五层结构&各层之间的协议

1.1 计算机网络概述

1.1 .1 计算机网络概念

计算机网络：分散独立的计算机 通过 通信设备与线路连接、通过软件实现资源共享和信息传递形成的系统

1.1.2 计算机网络的功能

数据通信 + 资源共享（硬软件及数据）+ 分布式处理 + 提高可靠性（避免单点故障）+ 负载均衡

1.1.3 计算机网络的组成

组成部分：

​ 硬件 + 软件 + 协议（规则和约定）

**工作方式：**边缘（端系统：用户直接使用（C/S方式 + P2P方式）） + 核心（提供服务）

​ C/S方式：Client to Server

​ P2P方式：Peer to Peer

功能组成：

​ 通信子网 ：数据通信（由传输介质、通信设备及网络协议组成，包括物理层、数据链路层和网络层这三层）

​ 网络层：路由器；数据链路层：交换机+网桥；物理层：集线器+中继器

​ 资源子网 ：资源共享 + 数据处理（由实现资源共享功能的设备及软件组成，包括会话层、表示层和应用层）

​ 资源子网和通信子网中间是 传输层

1.1.4 计算机网络的分类

**按分布范围：**广域网WAN（跨国家或地区，使用的是交换技术）；城域网MAN；局域网WAN（1km左右，使用的是广播技术）；个人区域网PAN
**按使用者：**公网（电信+移动+联通） 和 专网（政府和军队等）

**按交换技术：**电路/报文/分组交换

**按拓扑结构：**总线型、星型、环形和网状型（广域网）

按传输技术：

​ 广播式网络 共享公共通信信道

​ 点对点网络 使用分组存储转发和路由选择机制

1.1.5 标准化工作及其相关组织

不通厂商的软硬件相互连通需遵循统一标准

标准分类

​ 法定标准：如OSI

​ 事实标准：TCP/IP协议

RFC：因特网标准的形式，只要是因特网标准，就是RFC形式，反之则不一定

RFC上升为因特网正式标准的四个阶段：因特网草案-建议标准-因特网标准

标准化工作的相关组织

国际标准化组织 ISO ：OSI参考模型（网络互联的七层框架）、HDLC协议（是链路层协议的一项国际标准，用以实现远程用户间资源共享以及信息交互）

国际电信联盟 ITU：制定通信规则

国际电气电子工程师协会IEEE（学术机构）：IEEE802系列标准、5G等

Internet工程师任务组IETF： 负责因特网相关标准的制定

1.1.6 性能指标

速率（比特率）: 传输数据位数的速率 (单位时间发送到传输信道上的bit位数)；单位b/s，kb/s … ;1kb/s = 1000b/s

存储容量：1Byte = 8 bit；1KB = 1024Byte = 1024 * 8bit

带宽：原指某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）；现指单位时间内从某一点到另一点所能通过的最高数据率，单位同速率（也就是网络设备所支持的最高速度，往传输链路上发送数据的速率，不是传输速率，传输速率就是电磁波的速率，只受传输介质的影响）

吞吐量：单位时间内，通过某个网络（信道、接口）的数据量，单位同速率（这里指的是通过）

**时延：**指数据（报文/分组/比特流）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间，单位是s（包括发送+传播+排队+处理时延）

​ 发送时延：数据长度/信道带宽（传输速率）

​ 传播时延：取决于电磁波的穿比速度和链路长度，信道长度/电磁波在介质中的速度

​ 排队时延：排队输出/入

​ 处理时延：检错、找出口

**时延带宽积：**传播时延 * 带宽

**往返时延（RTT）：**从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认总共经历的时延；传播时延 * 2 + 末端处理时间

**利用率：**信道利用率和网络利用率，随着利用率增大，时延会增大

​ 信道利用率：有数据通过的时间/总时间

​ 网络利用率：信道利用率的加权平均值

1.2 计算机网络体系结构与参考模型

1.2.1 分层结构、协议、接口和服务

分层的基本原则：

1.各层之间相互独立，每层之间只实现一种相对独立的功能

2.各层之间界面清晰

3.结构上可以分隔开

4.下层为上层提供服务

5.整个分层结构应该能够促进标准化的工作

分层结构

1.实体

2.协议：

​ 语法：规定数据格式

​ 语义：规定要完成的功能

​ 同步：规定各种操作的顺序

3.接口（访问服务点SAP）：上层使用下层服务的入口

4.服务：下层为上层提供的功能调用

1.2.2 OSI参考模型和TCP/IP参考模型

OSI 参考模型：七层结构（物链网输会示用）

​ 通信过程：host A - 路由 - host B，每一层增加控制信息传给下一层

应用层：典型服务：文件传输（FTP），电子邮件（SMTP），万维网（HTTP），与用户交互能产生流量的程序

表示层：把信息表示出来（通常是对语语法和语义的处理），无严格协议，若要有的话就是JPEG、ASCII

​ 1.数据格式变换

​ 2.数据加密和解密

​ 3.数据压缩和恢复

会话层：向表示层/用户建立连接并在连接上有序的传输数据，这就是会话，也是建立同步（SYN），协议ADSP、ASP等

​ 1.建立、管理终止对会话

​ 2.使用校验点恢复通信

传输层：负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。传输单位报文段或者用户数据报，协议TCP、UDP

​ 1.可靠传输和不可靠传输

​ 2.差错控制

​ 3.流量控制

​ 4.复用分用

网络层：把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务，网络层传输的单位是数据报，协议有IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF

​ 1.路由选择：使用路由算法

​ 2.流量控制

​ 3.差错控制

​ 4.拥塞分用：针对全局而言

数据链路层：把数据报组装成帧，数据率链路层/链路层的传输单都是帧，协议：SDLC、HDLC、PPP、STP

​ 1.成帧（定义帧的开始和结束）形成很长的比特流序列

​ 2.差错控制：帧错 + 位错

​ 3.流量控制：访问（接入）控制，控制对信道的访问

物理层：在物理层实现比特流的透明传输，传输单位是bit，主要协议Rj45、802.3

​ 1.定义接口特性

​ 2.定义传输模式，单工、双工、半双工

​ 3.定义传输速率

​ 4.比特编码

TCP/IP模型

应用层-传输层-网际层-网络接口层

TCP/IP协议栈：

应用层：HTTP FTP DNS

传输层：TCP UDP

网际层：IP

网络接口层：Ethernet ATM Frame Relay

TCP/IP模型与 OSI参考模型 异同

相同点

​ 1.都分层

​ 2.基于独立协议栈的概念

​ 3.可以实现异构互联网的互联

不同点

​ 1.OSI定义三点：服务、协议和接口

​ 2.OSI模型先于协议出现

​ 3.TCP/IP一开始就考虑到了异构互联网的问题，将IP作为最重要的层

​ 4.OSI模型 网络层：无连接 + 面向连接， 传输层：面向连接；TCP/IP模型：网络层：无连接，传输层：无连接 + 面向连接

2 物理层

2.1 物理层基本概念

解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体

1.机械特性；如接口形状和引线数目

2.电气特性：如传输二进制位时，线路上信号的电压范围

3.功能特性：如某一电平表示何种意义

3.规程特性：各条物理线路的工作规程和时序关系

2.2 数据通信的基础知识

数据通信模型

源系统 （信源 + 发送器）

传输系统

目的系统 （接收器 + 信宿）

三种通信方式

单工通信，一条信道

半双工通信，两道

全双工通信，两道

两种数据传输方式

串行传输：信道少

并行传输：信道多

2.3 码元、波特、速率、带宽

码元：4进制码元：四种高低不同的波形

速率：数据的传输速率，可以用码元传输速率（单位时间内脉冲个数）和信息传输速率来表示。1波特 = 1码元/s

信息传输速率：b/s = log2进制 * 码元传输速率

带宽：理想情况下发送数据的能力，b/s

2.4 奈氏准则（奈奎斯特定理）和香农定理

失真：现实中的信道带宽受限、有噪声和干扰

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，4.传输媒体质量

失真的一种现象：码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰的界限的现象

**奈氏准则：**在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元的传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz

​ 极限数据传输速率=2W*log2V（b/s），V是几种码元/码元的离散电平数目

1.在任何信道中，码元传输速率是有上限的，若传输速率超过上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能

2.信道的频带越宽，就可以用更高的速率进行码元的有效传输

3.奈氏准则给出了码元传输速率，但是并没有对信息传输速率给出限制（当带宽无限大时，信息传输速率可以无限大）

4.在奈氏准则下，要提高数据传输速率，就要增加码元的种类，使每个码元能够携带更多的比特信息量，这就需要采用多元制的调制方法

香农定理： 在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的传输速率有上限值

噪声存在与所有电子设备和通信信道之中，随机产生，瞬时值可能会很大，但是当信号较强时，噪声影响相对较小，因此信噪比非常重要

信噪比 = 信号的平均功率/噪声的平均功率，常记 S/N，用分贝（dB）作为度量单位，即 dB（信噪比）= 10log10（S/N）

香农定理下的极限数据传输速率=W*log2（1 + S/N）

推论：

1.信道带宽或信道中的信噪比越大，则信息的传输速率就越高

2.当带宽和信噪比确定时，信息传输速率的上限就确定了

3.只要信息的传输速率低于信道极限传输速率。就一定能找到某种方法来实现无差错的传输（极化码）

4.香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少

5.若带宽或信噪比没有上限（不可能），那么信道的极限传输速率也就没上限

比较

奈氏准则：码元传输速率 2W Baud，极限数据传输速率=2W*log2V（b/s）

香农定理：信息传输速率，纳入了信噪比的概念，极限数据传输速率=W*log2（1 + S/N），可以看到，香农定理和码元的种类无关

二者相比求最小

2.5 编码和调制

信道：信号的传输媒介。分为模拟信道和无线信道，一条通信线路通常包含两条信道，一条发送，一条接收

按传输信号分：模拟信道和数字信道

按传输介质分：无线信道和有线信道

**基带信号：**将数字信号0和1直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输），来自信源的信号，发送数据时规定具体是什么波形就是编码

**宽带信号：**将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）。调制为高频信号

数据->数字信号 编码

数据->模拟信号 调制

各种类型数据编码/调制过程

数字数据->数字信号 编码，使用数字发送器

数字数据->模拟信号 调制，使用调制器

模拟数据->数字信号 编码，PCM编码器

模拟数据->模拟信号 调制，放大器调制器

2.5.1 数字信号与模拟信号编码与调制

数字数据->数字信号 编码方式

（1）非归零编码 【NRZ】：高1低0，无间检错功能，无法判断一个码元的开始和结束，收发双方难以保持同步

（2）曼彻斯特编码：前低后高为1，前高后低为0，或者相反，所占频带宽度是原始基带宽度的两倍，码元传输速率是bit传输速率的2倍

（3）差分曼彻斯特编码：码元同1异0，常用局域网传输，抗干扰性强于曼彻斯特编码

（4）归零编码【RZ】：信号在一个码元之内都要恢复为0

（5）反向不归零编码【NRZI】：信号电平翻转表示0，信号电平不翻转表示1

（6）4B/5B编码：比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，编码效率为80%

数字数据->模拟信号 调制，调制方式

（1）2ASK 调幅

（2）2FSK 调频

（3）2PSK 调相

（4）QAM 调幅+调相

模拟数据->数字信号 编码，PCM编码（脉码调制）

PCM编码有三步：抽样、量化和编码

抽样：对模拟信号进行周期性扫描，把连续的信号变为时间上离散的信号，采样：使用采样定理进行采样，f采样频率 >=2f信号最高频率

量化：把连续的电平符转换为离散的数字量

编码：把量化结果转换为与之对应的二进制编码

模拟数据->模拟信号 调制，放大器调制器

调制为高频信号

2.6 传输介质及分类

它是物理通路，不是物理层，在物理层的下面，有时也被称为体系结构的第0层

传输介质：

导向性传输介质：固定方向，如光纤

双绞线：由并排绝缘的铜导线构成，因为右手定则电磁波可以相互抵消，局域网和传统电话网，几公里到几十公里，远距离传输模拟信号需要用放大器放大衰减信号，数字信号则需要中继器整形失真信号

同轴电缆：基带同轴电缆局域网，宽带同轴电缆有线电视，抗干扰性能更强

光纤：传递的是光脉冲，远距离

非导向性传输介质：自由空间，如空气

无线电波；向所有方向传播

微波：方向固定，微信通信和地面微波接力通信，太阳黑子因素等影响大

红外线、激光

2.7 物理层设备

中继器：对信号进行再生和还原，对衰减信号进行放大，再生数字信号，两端是网段不能是子网，使用同一协议

5.4.3 规则

集线器：多端口的中继器，星型拓扑结构，主要就是广播

3 数据链路层

功能、两种信道、局域网和广域网以及链路层的设备

3.1 数据链路层功能概述

节点：主机、路由器

链路：两个节点之间的物理通道，有线链路和无线链路

数据链路：节点之间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就是数据链路

帧：链路层的协议数据单元，封装网络层数据报

数据链路层负责通过一条链路在两个节点之间传从数据报

功能一：为网络层提供服务。无确认无连接服务、有确认无连接服务、有确认有连接服务

功能二：链路管理，即建立、维持、释放（用于面向连接的服务）连接

功能三：组帧

功能四：流量控制

功能五：差错控制（帧错/位错）

3.2 分装成帧和透明传输

把IP数据报加头加尾形成帧

接收端能够区分帧的起始和结束部分，帧的数据部分<=最大传送单元MTU，MTU由协议规定

组帧的四种方法：

字符计数法：帧首部使用一个计数字段（1字节）来标明帧内字符数，问题，一错全错

字符（节）填充法：三个部分，帧有头有尾，可能出现部分字段与尾相同，误判，在相同字段之前添加转义字符

零比特填充法：首尾标志符一样，5110，遇到5个1就在后面加0，接收端确定首位后遇到5个1就删除0

违规编码法：把高高低低定义为帧的起始和终止

日常使用的是后两种组帧方法

3.3 差错控制

差错都是由噪声引起

全局性：线路本身的电气特性决定，解决办法，提高信噪比，优化传感器

局部性：特殊原因，解决办法，利用编码技术

差错：位错 或 帧错（丢失、重复、失序）

功能一：为网络层提供服务。无确认无连接服务（通信质量好，有线传输路径）、有确认无连接服务、有确认有连接服务（后面两种是通信质量差的无线传输链路）

差错控制（比特错）：检错编码（奇偶校验码 、循环冗余码） + 纠错编码（海明码）

奇偶校验码：检验奇数或偶数位

CRC循环冗余码：5/2=2…1 5 +1 ) / 2 = 0…0, 余数是0，无错，接受。这种情况下：接收端数据链路层接收的帧以接近为1的概率认为没有差错

纠错编码：海明码。关于海明码，在计算机组成原理中有详细解释，具体而言就是其既可以检测出错数量，也可以检测出具体的出错位置并加以修改

3.4 流量控制与可靠传输

数据链路层的流量控制手段：接收方收不下就不回复确认

流量控制的方法：

1.停止-等待协议：每发送一个帧就停止等待对方确认，再收到确认后再发送下一个帧

2.滑动窗口协议：后退N帧协议GBN 和 选择重传协议（SR）

上述发送窗口和接收窗口分别是：1，1；>1,1; >1,>1

**可靠传输：**发送什么就接收什么

**流量控制：**控制发送速率，使接收方有足够的缓冲空间来接收每一个帧

3.4.1 停止-等待协议

每发送一个帧就停止等待对方确认，再收到确认后再发送下一个帧

无差错的情况

有差错的情况：

1.数据帧丢失或检测到帧出错，每次发送都会启动一个超时计时器，RTT（平均时延）< 计时，超时会重传

2.ACK丢失（确认帧丢失），发送方会重传，接收方丢弃重复帧

3.ACK迟到，原理同上，发送方会丢弃迟到的确认帧

停止等待协议的缺点在于信道利用率太低：信道利用率 U = TD /（TD + RTT + TA）TD时数据帧 TA是确认帧

信道吞吐率：信道利用率 * 发送方的发送速率

停等协议的弊端：信道利用率过低，可以连续发送多个帧（流水线技术）

​ 1.必须增加信号范围

​ 3.发送方需要缓存多个分组

由此衍生出 后退N帧协议和选择重传协议

3.4.2 GBN协议

发送窗口：一组帧号依次排列。接收方也会有一个窗口（发送之后会拷贝副本），收到就会往前移动一格

3.4.2.1.GBN发送方必须响应的三件事

1.上层调用

上层要发送数据时，发送窗口会检查发送窗口是否满了，如果是满了，则会将数据返还给上层，暗示上层窗口已经满了，上层等一会儿再发送（实际上发送方会先缓存这些数据，等有窗口时再发送），如果未满，则产生一个帧将其发送

2.收到了一个ACK确认

GBN采用累计确认确认的方式，比如对n号帧确认，则表明接收方已经收到了n号帧和它之前的全部帧

3.超时事件

如果超时，发送方会重传已经发送但是未被确认的帧

3.4.2.2.GBN接收方必须响应的三件事

如果正确收到n号帧，并且按序，那么接收方为n帧发送一个ACK，并将该帧中的数据部分交给上层

其余情况都丢弃帧，并为最近按序接收的帧重新发送一个ACK，接收方无需缓存任何失序帧，只需要维护一个信息（下一个按序接收的帧序号）

滑动窗口尺寸，Wt = [1,2的n次方-1]，n为每个帧的比特位数，如采用2个比特对帧编号，那编号有00，01，10，11 四个，窗口为3

3.4.2.3.重点内容

1.累计确认

2.接收方只按序丢弃

3.接收方只确认序列号最大，按序到达的帧

4.发送窗口最大为2的n次方-1，接收窗口为1

3.4.2.4.GBN协议的性能

因为发送方能够连续发送帧，所以信道利用率提升

因为在重传时，接收方必须把之前已经正确发送的帧重新传，传输效率低

3.4.3 选择重传协议

可靠传输协议中最优秀的一个

发送方：多个窗口

接收方：多个窗口

3.4.3.1 SR发送方必须响应的三件事

1. 上层调用，同上

2. 收到了一个ACK后，标记该帧已经被收到，然后滑动发送窗口到最近一个未被确认的帧或者所有已经确认的帧之后

3. 超时事件，每个帧都有一个计时器，超时则重传

3.4.3.2 SR接收方必须响应的三件事

在接受窗口内的来帧，都会被接收，等顺序正确之后就会将其交付给网络层

滑动窗口的长度：发送窗口最好等于接收窗口

Wtamx = Wrmax = 2的（n-1）次方

3.4.3.3.重点内容

1. 对数据逐一确认。接收一个确认一个
2. 只重传出错帧
3. 接收方有缓存

3.5 介质访问控制

3.5.1 传输数据时使用的两种链路

点对点链路：点直接相连没有第三者。应用：PPP协议，广域网

广播式链路：所有主机共享通信介质，早期的总线以太网，无线局域网，常用于局域网。典型的拓扑结构；总线型和星型（逻辑总线型）

3.5.2 介质访问控制

就是让两对节点之间的通信互不干扰

多路复用技术：把多个信号组合在一个物理信道上进行传输，让多个主机共享信道资源，提高信道利用率（把共享信道变为点对点（逻辑上的转变））

静态划分信道

在用户通信之前就划分信道

1. 信道划分介质访问控制 ‼️

   把使用同一信道上的通信设备隔离开，具体就是合理分配时域和频域资源

   1. 频分多路复用 FDM

      不同的用户占用不同的带宽（Hz）（类似并行）

   2. 时分多路复用 TDM

      每个用户频带想同，但是时间段不同 （类似并发），改进，统计时分复用STDM，先集中再发送，谁先来，只要凑够一个帧就发送

   3. 波分多路复用 WDM

      实际上是光的频分多路复用

   4. 码分多路复用 CDM

      码分多址（CDMA）是码分复用的一种方式

      多个主机发送信息如何不打架？每个比特都有一个多位的序号（0用反码表示），序号每位对应位相乘相加在除以对应位的总位数，若为零，则正交，可以同时发送数据。

      如何合并？对应位相加就可以

      如何分离？合并的数据和源站规格化内积（收到的数据与原数据对应位相乘相加/总位数）

动态分配信道

又叫动态媒体接入控制和多点接入，并非在用户通信时固定分配给用户

1. 轮询访问介质访问控制 ‼️

   最好的介质访问控制协议，技能避免冲突，又可以让用户占用全部带宽

   1. 轮询协议：主节点询问各个节点是否要发送数据

      问题：轮询开销，等待延迟，单点故障

   2. 令牌传递协议：常用在负载较重，通信量较大的网络中

      令牌环网，在逻辑上是环状，在物理上是星型，无碰撞

      令牌是一个数据帧

      问题：令牌开销，等待延迟，单点故障（替代机）

2. 随机访问介质访问控制 ‼️

   所有用户都可以用全部带宽随机发送信息—>导致不协调,如下协议来解决冲突

   1. ALOHA 协议 （不听就说）

      1. 纯ALOHA 协议

         思想：想发就发

         冲突如何检测？接收方检错并且不发送确认帧（或者发送错误帧）

         如何解决冲突？超时后会发送方随机会重发

      2. 时隙ALOHA 协议

         用吞吐量来发送效率

         把时间分成若干个片，所有用户同时接入信道，冲突则等下一个时间片，时间片T0是一段时间

   2. **CSMA协议：**载波监听多路访问协议 （先听再说）

      每一个站在发送数据之前先检测总线上是否有其他计算机在发送数据

      如何检测，总线电压会变化

      M A：表示允许多个计算机连接在同一条总线上

      协议思想：发送帧之前，监听信道

      监听结果：

      ​ 信道空闲：发送完整帧

      1. 1-坚持CSMA ：忙则一直监听，闲则立即发送；如果发送信息冲突了（一段时间内未收到回复），则等待一个随机事件在监听，重复上述过程

         优点：只要媒体空闲就可发送，避免了媒体利用率的损失

         缺点：如果有两个或者两个以上的主机发送数据，冲突就不可避免

      2. 非坚持CMSA：忙则随机选择一个后再监听

         优点：随机重发可以减少冲突发生的可能性

         缺点：大家都在延迟等待，媒体空闲，媒体利用率降低

      3. p-坚持CSMA：空闲则以p概率之间发送，不等待，概率1-p等到下一个时间槽再传输，忙则随机等随机时间后再监听

         优点：减少冲突，提升利用率

         缺点：冲突后仍然要发送数据

   3. CSMA/CD协议：载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD

      1. CS：载波监听/侦听：发送数据前或者发送时都要检测总线上是否有其他计算机在发送数据（检测信道电压）

      2. MA：表示计算机以多点接入的方式连接在一根总线上，说明是总线型网络

      3. CD：碰撞检测，边发送边检测，适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况，以判断自己在发送数据时其他站点也在发送数据：半双工网络。之前没有检测到可能是因为电磁波还没传过来

         传播时延对载波监听的影响：最坏情况过了2t时间，A才知道发生了碰撞，区间是（0，2t）

         如何确定重传时机：截断二进制指数规避算法

         1. 确定基本退避时间为争用期2t
         2. 定义参数k，等于重传次数，k不超过10.
         3. 从[0,2的k次方减1]中随机取一个数r，重传退避时间是r倍的基本退避时间，即2tr
         4. 当重传次数超过16次时仍不能成功，则说明网络太拥挤，认为此帧永远无法正确发出，抛弃此帧，并向高层报告错误

      4. 为了能在发送结束之前就检测到碰撞，定义最小帧：帧长（bit） / 数据传输速率 >= 2t ,t是传播时延

   4. CSMA/CA协议：载波监听多点接入/碰撞避免CSMA/CA，先听再说，

      无线局域网

      1. CA应用于无线局域网，CD无法检测来自于四面八方的碰撞
      2. 隐蔽站：AC同时向B发送数据帧，就会导致冲突，CA主要是为了解决隐蔽站的问题

      工作原理

      1. 检测原理：能量检测、载波检测以及能量载波混合检测
      2. 检测信道是否空闲，空闲则发送，发送之后再等待，空则发送，循环，忙则等待
      3. 接收方接收、检验并返回ack
      4. 重传人选择截断二进制指数规避算法

3.6 局域网

3.6.1 局域网的基本概念和体系结构

局域网：LAN，某一区域内多台计算机互连成组，使用广播信道

局域网的特点

1. 覆盖面小，一座或则一幢楼内，几千米之内
2. 传输介质（双绞线、同轴电缆），数据传输速率高（10Mb/s ～ 10Gb/s）
3. 通信延迟时间短，误码率低，可靠性高
4. 站点关系平等，共享信道
5. 多采用分布式控制和广播式信道，能进行广播和组播

决定局域网的要素：

1. 网络拓扑
   1. 星型拓扑（中间有个集线器），单点故障问题
   2. 总线型拓扑：优势最大
   3. 环型拓扑：有单点故障问题，环路不变扩充
   4. 树型拓扑
2. 介质访问控制方法
   1. CMSA/CD：常用于总线型局域网，也用于树形网络
   2. 令牌总线：常用于总线型局域网，也用于树形网络
   3. 令牌环：环形局域网（逻辑上），物理是星型
3. 传播介质
   1. 有线局域网：双绞线、同轴电缆和光纤
   2. 无线局域网：电磁波

局域网的分类

1. 以太网：应用最广泛的局域网，也叫做802.3局域网，采用介质访问控制技术为CSMA/CD，总线型
   1. 包括标准/快速/千兆以太网，10/100/1000Mbps/s
   2. 符合IEEE.802.3系列标准规范
   3. 逻辑拓扑总线型，物理拓扑是星型或拓展星型
   4. 使用CSMA/CD
2. 令牌环网：昨日黄花，已经很少使用。802.5
3. FDDI网 ：逻辑上环形拓扑结构，物理上双环拓扑结构，介质是光纤，造价高。802.8
4. ATM网：较新的单元交换技术，使用53字节的固定长度的单元进行交换
5. 无线局域网：WLAN：采用IEEE.802.11标准

IEEE.802 标准

定义了局域网、城域网技术标准，最广泛使用的有以太网、令牌环无线局域网等

MAC子层和LLC子层

IEEE.802 标准参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层和物理层，将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制子层

LLC子层：挨着网络层：管连接

MAC子层：挨着物理层：管理帧

3.6.2 以太网

是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准

1. 造价低廉，网卡不到100块
2. 应用最广
3. 比令牌环网、ATM网简单、便宜
4. 满足速率要求

两个标准

1. DIX Ethernet V2
2. IEEE 802.3

以太坊提供的无连接不可靠的服务

1. 无连接：无握手过程
2. 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
 	1. 只实现无差错接收，不实现可靠传输

以太网传输介质与拓扑结构发展

粗同轴电缆- 细同轴电缆-双绞线+集线器

物理拓扑：总线型 + 星型（中间是集线器），现在是物理上星型，逻辑上总线型

10BASE-T以太网

1. T：采用双绞线，现在采用的是无屏蔽双绞线（UTP），传送速率10Mb/s
2. 物理拓扑，逻辑总线，双绞线最长100m
3. 采用曼彻斯特编码
4. 采用CSMA/CD

适配器和MAC地址

1. 计算机与外界有局域网的连接是通过通信适配器的

   1. 网络接口板 （适配器）

   2. 适配器也叫网卡（网络接口卡NIC）

   3. 适配器上有处理器和存储器（两种存储器：RAM（随机存储器）和存储器ROM）

   4. ROM上有计算机硬件地址MAC地址

   5. 局域网中，硬件地址又称物理地址，或MAC地址「实际上是标识符」如 3c:22:fb:b9:1e:77，前24位代表厂家，后24位厂家自己指定

      换了网卡就换了MAC地址：https://mac.bmcx.com/3c:22:fb:b9:1e:77__mac/ 此网址可以查询

以太网的MAC帧

最常用的MAC帧是以太网V2格式

以太网的MAC帧：在MAC层：6目的地址 + 6源地址 + 2类型 + [46,1500]数据 [IP数据报]+4FCS

在物理层：MAC地址+8位前导码（7前同步码+1定界符）

与IEEE 802.3区别：

1. 第三个字段是长度/类型
2. 当长度或者类型字段小于0x600时。数据段必须装入LLC子层

高速以太网

1. 是**100BASE-T以太网**，双绞线，支持全双工或半双工，且全双工下工作无冲突
2. 吉比特以太网：光纤传输1Gb/s，支持全双工或半双工，且全双工下工作无冲突
3. 10吉比特：光纤传输10Gb/s，只支持全双工，且全双工下工作无冲突

3.6.3 无线局域网 IEEE.802.11

IEEE.802.11是无线局域网的通用标准，是由IEEE定义的无线网络通信标准

无线局域网比wifi大得多，wifi IEEE.802.11g/b

IEEE.802.11MAC帧头格式

MAC帧头：2 帧控制 + 2 生存周期ID +6 地址1 + 6 地址2 + 6 地址3 + 2 序列控制 + 6 地址4；几个地址分别是RA接收端，TA发送端，DA目的地地址，SA源地址，目的地址和源地址分别是MAC地址，接收端和发送端分别是两个设备靠近的两个基站

无线局域网的分类

1. 有固定基础设施无线局域网
   1. 基本服务集：BSS
   2. 扩展服务集：ESS
2. 无固定基础设施无线局域网的自组织网络

3.7 广域网

广域网

1. 通信子网主要使用分组交换技术
2. 通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网络和无线分组交换网连接各地区的局域网或者计算机系统，实现资源共享。因特网是世界范围内最大的广域网
3. 广域网覆盖范围几十公里到几千公里

PPP协议

1. 点对点协议，Point to Point Protocol ，目前使用最广泛的数据链路层协议，用户使用拨号电话接入因特网时一般都使用PPP协议
2. 设计要求
   1. 简单，对于链路层的帧，无序纠错，无需序号，无需流量控制
   2. 封装成帧，帧定界符
   3. 透明传输：如何处理比特组合与帧定界符相同的情况：异步线路（逐个字节发送）用字节填充，同步线路（逐个比特发送）用比特填充
   4. 满足多种网络层协议
   5. 满足多种类型的链路
   6. 差错检错，使用循环冗余码，在PPP协议帧种插入一个字段，错则丢弃
   7. 检测链路是否正常工作
   8. 最大传送单元：MTU默认不超过1500字节
   9. 网络层地址协商：知道通信双方的网络层地址
   10. 数据压缩协商
3. 无需满足的要求
   1. 纠错
   2. 流量控制
   3. 无需对帧编号
   4. 不支持多点线路，支持点对点就可以了

PPP协议的三个组成部分

1. 要有一个将IP数据报封装到串行链路（同步串行/异步串行）的方法
2. 链路控制协议LCP：建立并维护数据链路连接：身份验证
3. 网络控制协议NCP：PPP可以支持多种网络层协议，每个不同的网络层协议都要有一个响应的NCP来配置，为网络层协议建立或者配置逻辑连接

PPP协议的帧格式：以字节为单位，如果在信息部分遇到帧定界符，就插入转移字符

1. 7E - FF - 03 - 协议 - 信息部分 - FCS - 7E
2. 帧定界符 - 地址字段 - - 标识信息部分是什么，如IP数据报，LCP的数据，网络层控制数据等 - 不超过1500B

HDLC协议：以比特为单位

1. 也叫高级数据链路控制协议，是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，由ISO发明的
2. 数据报文可以透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现
3. 采用全双工通信
4. 帧采用CRC检验，对信息帧进行顺序编号，可以防止漏收或重份，传输可靠性高

HDLC的站

1. 主站、从站、复合站
2. 正常响应，异步平衡，异步响应

HDLC协议的帧格式

1. 8 标志F - 8 地址A - 8 控制C -可变 信息Info 16 帧检验序列FCS - 8 标志F
2. 透明传输为标志F区间
3. 控制C（信息帧，0；监督帧 10；无编号帧 11）无奸细

两个协议总结

1. 均只支持全双工链路
2. 都能实现透明传输
   1. 两种字节和比特填充
   2. 比特填充
3. 检错不纠错

3.8 数据链路层设备

主机和集线器之间超过100米，失帧严重

在物理层次上扩展

1. 通过在光纤上调制和解调，让主机连接更远的集线器
2. 再增加集线器。冲突更高

在链路上扩展

1. 网桥

   1. 根据帧的MAC地址对帧进行转发和过滤，而不是直接向所有接口转发此帧
   2. 网桥能够连接多个以太网，端口通常是两个，但是也有四个或者三个的情况
   3. 每个以太网就是一个冲突域，一般叫一个网段（一个网络中使用同一物理设备，如传输介质，中继器，集线器等，能够直接通讯的那一部分）
   4. 优点
      1. 过滤通信量，增大通途量
      2. 扩大了物理的传输范围
      3. 提高了可靠性
      4. 互联不同物理层，不同MAC子层和不同速率的以太网

   网桥分类

   1. 透明网桥
      1. 以太网上的站点并不知道要发送的帧将经过哪几个网桥，是一种即插即用的设备-自学习算法‼️
   2. 源路由网桥
      1. 在发送时，把详细的最佳路由信息放在帧的首部。方法；源站以广播方式欲向通信的目的站发送一个发现帧

2. 多接口网桥-以太网交换机

   1. 有十几个端口，一个端口就是一个冲突域

   2. 可以链接集线器和主机

   3. 一个端口就是一个冲突域，独占媒体带宽

      分类

      1. 直通式交换机；检查目的地址就立即转发，延迟小，但是不检错和不支持不同速率的端口交换
      2. 存储转发式交换机：将帧放入高速缓存，并检查是否正确，正确则转发，错误则丢弃，支持端口交换，延迟稍大

数据链路层只能隔离冲突域，不能隔离广播域，

网络层都能隔离，物理层都不能