计算机网络（三）——数据链路层
文章目录
- 1. 数据链路层的功能
- 2. 组帧
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- 2.1 封装成帧
- 2.2 透明传输
- 3. 差错控制
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- 3.1 检错编码
- 3.2 纠错编码
- 4. 流量控制与可靠传输机制
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- 4.1 流量控制、可靠传输与滑动窗口机制
- 4.2 停止-等待协议
- 4.3 后退N帧协议(GBN）
- 4.4 选择重传协议(SR)
- 5. 介质访问控制
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- 5.1 信道划分
- 5.2 随即访问
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- 5.2.1 ALOHA协议
- 5.2.2 CSMA协议
- 5.2.3 CSMA/CD协议
- 5.2.4 CSMA/CA协议
- 5.3 轮询访问
- 6. 局域网
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- 6.1 局域网的基本概念与体系结构
- 6.2 以太网与IEEE 802.3
- 6.3 IEEE 802.11
- 7. 广域网
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- 7.1 广域网的基本概念
- 7.2 PPP协议
- 7.3 HDLC协议
- 8. 数据链路层设备
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- 8.1 网桥的概念及其基本原理
- 8.2 局域网交换机及其工作原理
1. 数据链路层的功能
- 基本概念：
- 链路：网络中两个结点之间的物理通道，链路的传输介质主要有双绞线、光纤和微波。分为有线链路、无线链路。
- 数据链路：网络中两个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就构成数据链路。
- 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从一个结点向另一个物理链路直接相连的相邻结点传送数据报。
- 功能概述
数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。其主要作用是加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路。- 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，有确认面向连接服务。有连接一定有确认! - 功能二：链路管理，即连接的建立、维持、释放(用于面向连接的服务)。
- 功能三：组帧。
- 功能四：流量控制。
限制发送方哦 - 功能五：差错控制(帧错/位错)。
- 功能一：为网络层提供服务。
2. 组帧
2.1 封装成帧
- 封装成帧就是在一段数据的前后部分添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束。
首部和尾部包含许多的控制信息，他们的一个重要作用：帧定界(确定帧的界限)。 - 帧同步：接收方应当能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始和终止。
- 组帧的四种方法：
-
字符计数法；
如果计数字段出错，则会导致数据传输不同步，造成严重后果。
帧首部使用一个计数字段(第一个字节，八位)来标明帧内字符数。
-
字符(节)填充法；
当传送的帧是由非ASC码的文本文件组成时(二进制代码的程序或图像等)就要采用字符填充方法实现透明传输。
错误找到边界
我们可以在特殊字符（SOH、EOT、ESC）前面填充一个转义字符来区分。 -
零比特填充法；
-
违规编码法
-
由于字节计数法中 Count字段的脆弱性(其值若有差错将导致灾难性后果)及字符填充实现上的复杂性和不兼容性，目前较普遍使用的帧同步法是比特填充和违规编码法。
2.2 透明传输
- 透明传输是指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。因此，链路层就“看不见”有什么妨碍数据传输的东西。
- 当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时，就必须采取适当的措施，使收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输是透明的。
3. 差错控制
- 为什么出现差错
概括来说，传输中的差错都是由于噪声引起的。- 全局性：由于线路本身电气特性所产生的随机噪声(热噪声)，是信道固有的，随机存在的。
解决办法：提高信噪比来减少或避免干扰。(对传感器下手) - 局部性：外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声，是产生差错的主要原因。
解决办法：通常利用编码技术来解决。
- 全局性：由于线路本身电气特性所产生的随机噪声(热噪声)，是信道固有的，随机存在的。
- 差错分类：
- 位错：比特位出错，1变成0，0变成1
- 帧错：丢失、重复、失序
- 数据链路层和物理层的编码区别
数据链路层编码和物理层的数据编码与调制不同。物理层编码针对的是单个比特，解决传输过程中比特的同步等问题，如曼彻斯特编码。而数据链路层的编码针对的是一组比特，它通过冗余码的技术实现一组二进制比特串在传输过程是否出现了差错。 - 冗余编码
在数据发送之前，先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。接收端根据收到码字是否仍符合原规则，从而判断是否出错。
3.1 检错编码
- 奇偶校验码
- 奇偶校验码特点：
只能检査出奇数个比特错误，检错能力为50%。 - CRC循环冗余码
3.2 纠错编码
- 海明码可以发现双比特错误，纠正单比特错误
- 步骤：
- 确定校验码位数r。 2 r ≥ k + r + 1 2^r≥k+r+1 2r≥k+r+1。（r为冗余信息位，k为信息位）
- 确定校验码和数据的位置。校验码放在2的几次方的位置，数据按序把空填满
- 求出校验码的值。令所有要校验的位异或=0。
- 检错并纠错。令所有要校验的位异或运算。
4. 流量控制与可靠传输机制
4.1 流量控制、可靠传输与滑动窗口机制
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流量控制
- 流量控制是数据链路层的一种功能，流量控制对数据链路上的帧的发送速率进行控制，以使接收方有足够的缓冲空间来接受每个帧
- 流量控制的基本方法是由接收方控制发送方发送数据的速率
- 常见的流量控制方式有两种：停止-等待协议、滑动窗口协议
-
可靠传输机制
- 可靠传输机制是为了使数据可以正确稳定的传输和接收而制定的规则。
- 数据链路层的可靠传输通常使用确认和超时重传两种机制来完成。
- 确认是一种无数据的控制帧，这种控制帧使得接收方可以让发送方知道哪些内容被正确接收。有些情况下为了提高传输效率，将确认捎带在一个回复帧中，称为捎带确认。
- 超时重传是指发送方在发送某一个数据帧以后就开始一个计时器，在一定时间内如果没有得到发送的数据帧的确认帧，那么就重新发送该数据帧，直到发送成功为止。
- 自动重传请求（Auto Repeat reQuest，ARQ），通过接收方请求发送方重传出错的数据帧来恢复出错的帧，是通信中用于处理信道所带来差错的方法之一。
- 传统自动重传请求分为三种，即停等式（Stop-and-Wait）ARQ、后退N帧（Go-Back-N）ARQ以及选择性重传（Selective Repeat）ARQ。后两种协议是滑动窗口技术与请求重发技术的结合，由于窗口尺寸开到足够大，帧在线路上可以连续地流动，因此又称为连续ARQ协议。
-
滑动窗口机制
-
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；同时，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。
-
在发送端，每收到一个确认帧，发送窗口就向前滑动一个帧的位置，当发送窗口内没有可以发送的帧（即窗口内的帧全部是已发送但未收到确认的帧），发送方就会停止发送，直到收到接受方发送的确认帧使窗口移动，窗口内有可以发送的帧，之后才开始继续发送。
-
在接受端，当收到数据帧后，将窗口向前移一个位置，并发回确认帧，若收到的数据帧落在接受窗口之外则一律丢弃。
4.2 停止-等待协议
除了比特出差错，底层信道还会出现丢包问题。为了实现流量控制。
丢包：物理线路故障、设备故障、病毒攻击、路由信息错误等原因，会导致数据包的丢失。
- 无差错情况
- 有差错情况
- 停等协议性能分析
信道利用率太低！ - 发送方从开始发送数据到收到第一个确认帧ACK为止，这段时间称为一个发送周期
- 信道利用率: U = T D T D + R T T + T A U=\frac{T_D}{T_D+RTT+T_A} U=TD+RTT+TATD
- 信道利用率: U = T D T D + R T T + T A U=\frac{T_D}{T_D+RTT+T_A} U=TD+RTT+TATD
- 由于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帧协议（GBN）和选择重传协议（SR）。
4.3 后退N帧协议(GBN）
- 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。 - 发送窗口：发送方维持一组连续的允许发送的帧的序号。
接收窗口：接收方维持一组连续的允许接收帧的序号。
- GBN发送方必须响应的三件事
- 上层的调用
上层要发送数据时，发送方先检査发送窗口是否已满，如果未满，则产生一个帧并将其发送；
如果窗口已满，发送方只需将数据返回给上层，暗示上层窗口已满。上层等一会再发送。(实际实现中，发送方可以缓存这些数据，窗口不满时再发送帧)。 - 收到一个ACK
GBN协议中，对n号帧的确认采用累积确认的方式，标明接收方已经收到n号帧和它之前的全部帧。 - 超时事件
协议的名字为后退N帧/回退N帧，来源于出现丢失和时延过长帧时发送方的行为。
就像在停等协议中一样，定时器将再次用于恢复数据帧或确认帧的丢失。
如果出现超时，发送方重传所有已发送但未被确认的帧。
- 上层的调用
- GBN接受方要做的事
- 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付给上层。
- 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)
- GBN滑动窗口的限制
- 若采用n个比特对帧编号，那么发送窗口的尺寸W应满足： 1 ≤ W T ≤ 2 n − 1 1≤W_T≤2^n-1 1≤WT≤2n−1。
- 因为发送窗口尺寸过大，就会使得接收方无法区别新帧和旧帧。
- GBN协议重点总结
- 累积确认(偶尔捎带确认)
- 接收方只按顺序接收帧，不按序无情丢弃-
- 确认序列号最大的、按序到达的帧
- 发送窗口最大为 2 n − 1 2^n-1 2n−1，接收窗口大小为1
- GBN性能分析
因连续发送数据帧而提高了信道利用率
在重传时必须把原来已经正确传送的数据帧重传,是传送效率降低。
4.4 选择重传协议(SR)
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，就可以将已存于缓冲区中的其余帧一并按正确的顺序递交上一层。
- SR的滑动窗口图
- SR发送方必须响应的三件事
- 上层的调用
从上层收到数据后，SR发送方检查下一个可用于该帧的序号，如果序号位于发送窗口内，则发送数据帧；否则就像GBN一样，要么将数据缓存，要么返回给上层之后再传输。 - 收到一个ACK确认帧
如果收到ACK，加入该帧序号在窗口内，则SR发送方将那个被确认的帧标记为已接收。如果该帧序号是窗口的下界(最左边第-一个窗口对应的序号)，则窗口向前移动到具有最小序号的未确认帧处。如果窗口移动了并且有序号在窗口内的未发送帧，则发送这些帧。 - 超时处理
每个帧都有自己的定时器，一个超时事件发生后只重传一个帧。
- 上层的调用
- SR接受方要做的事
SR接收方将确认一个正确接收的帧而不管其是否按序。失序的帧将被缓存，并返回给发送方一个该帧的确认帧【收谁确认谁】，直到所有帧(即序号更小的帧)皆被收到为止，这时才可以将一批帧按序交付给上层,然后向前移动滑动窗口。 - SR滑动窗口的大小限制
发送窗口最好等于接收窗口。(大了会溢出,小了没意义）
W T m a x = W R m a x = 2 n − 1 W_{Tmax}=W_{Rmax}=2^{n-1} WTmax=WRmax=2n−1 (n为序号需要的比特数) - SR协议重点总结
- 对数据逐一确认。收一个确认一个
- 只重传出错帧
- 接收方有缓存
- W T m a x = W R m a x = 2 n − 1 W_{Tmax}=W_{Rmax}=2^{n-1} WTmax=WRmax=2n−1 (n为序号需要的比特数)
5. 介质访问控制
介质访问控制的内容就是，采取一定的措施，使得两对节点之间的通信不会发生互相干扰的情况。
5.1 信道划分
-
信道划分介质访问控制：
将使用介质的每个设备与来自同一信道上的其他设备的通信隔离开，把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备。 -
多路复用技术
把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使得多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道利用率。 -
频分多路复用FDM
- 频分多路复用（Frequency-division multiplexing，FDM），是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种多路复用技术。
- 频分多路复用（Frequency-division multiplexing，FDM），是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种多路复用技术。
-
时分多路复用TDM
- 时分多路复用（Time-Division Multiplexing，TDM）一种数字或者模拟（较罕见）的多路复用技术。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。
- 时分多路复用（Time-Division Multiplexing，TDM）一种数字或者模拟（较罕见）的多路复用技术。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。
-
统计时分复用（
Statistical Time Division Multiplexing）是一种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，线路的传输能力可以被其他用户使用。采用统计时分复用时，每个用户的数据传输速率可以高于平均速率，最高可达到线路总的传输能力。
-
波分多路复用WDM
- 波分多路复用就是光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长(频率)的光信号，由于波长(频率)不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。
- 波分多路复用就是光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长(频率)的光信号，由于波长(频率)不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。
-
码分多路复用CDM
- 码分多址(code oivision Multiple Access , CDMA)是码分复用的一种方式。
- 其原理是
每比特时间被分成 m 个更短的时间槽，称为码片（ ChiP ) ，通常情况下每比特有 64 或 128 个码片。每个站点被指定一个唯一的 m 位代码或码片序列。 - 发送 1时，站点发送mbit码片序列；发送0 时，站点发送mbit码片序列的反码。
- 当两个或多个站点同时发送时，各路数据在信道中
线性相加。 - 为从信道中分离出各路信号，要求各个站点的码片序列
相互正交。
- 其原理是
- 码分多路复用是采用不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。与FDM和TDM不同，它既共享信道的频率，又共享时间。
- 码分多址(code oivision Multiple Access , CDMA)是码分复用的一种方式。
5.2 随即访问
5.2.1 ALOHA协议
-
纯 ALOHA协议
思想：不监听信道，不按时间槽发送，随机重发。想发就发
-
时隙 ALOHA协议
思想：把时间分成若干个相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。控制想发就发的随意性
-
比较：
- 纯 ALOHA比时隙AOHA吞吐量更低，效率更低
- 纯 ALOHA想发就发，时隙 ALOHA只有在时间片段开始时才能发
5.2.2 CSMA协议
- 载波监听多路访问协议( carrier sense multiple access)，是一种允许多个设备在同一信道发送信号的协议，其中的设备监听其它设备是否忙碌，只有在线路空闲时才发送。
- 思想：发送帧之前，监听信道。
- 1-坚持 CSMA
- 非坚持CSMA
- p-坚持CSMA
- 三种CSMA对比总结
5.2.3 CSMA/CD协议
载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD( carrier sense multiple access with collision detection）
- CS：载波侦听/监听，每一个站在
发送数据之前以及发送数据时都要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。 - MA：多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。（总线型网络）
- CD：碰撞检测(冲突检测)，“
边发送边监听”，适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据（半双工网络） - 传播时延对载波监听的影响
两边都监听到信道上没有别的计算机在传输数据
但是有可能是因为传播速度慢，没有监听到，导致误传
单程端到端传播时延： τ \tau τ。最迟最多是两倍的总线端到端的传播时延( 2 τ 2\tau 2τ)才能知
道自己发送的数据没和别人碰撞。 - 二进制指数规避算法
- 最短帧
最小帧长=总线传播时延ⅹ数据传输速率x2= 2 τ 2\tau 2τ x 数据传输速率
以太网规定最短帧长为64B，凡是长度小于64B的都是由于冲突而异常终止的无效帧。
5.2.4 CSMA/CA协议
载波监听多点接入/碰撞避免CSMA/CA( carrier sense multiple access with collision avoidance)
- 为什么使用CSMA/CA协议？
- 第一，CSMA/CD协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，以便发现是否有其他的站也在发送数据，这样才能实现“冲突检测”的功能。但在无线局域网的设备中要实现这种功能花费过大。
- 第二，更重要的是，即使能够实现冲突检测的功能，且在发送数据报时检测到信道是空闲的，但是，由于无线电波能够向所有的方向传播，且其传播距离受限，在接收端仍然有可能发生冲突，从而产生隐藏站问题和暴露站问题。
- 此外，无线信道还由于传输条件特殊，造成信号强度的动态范围非常大。这就使发送站无法使用冲突检测的方法来确定是否发生了碰撞。
- CSMA/CA工作原理
①发送数据前，先检测信道是否空闲。
②空闲则发出RTS( request to send)，RTS包括发射端的地址、接收端的地址、下一份数据将持续发送的时间等信息；信道忙则等待。
③接收端收到RTS后，将响应CTS( clear to send)。
④发送端收到CTS后，开始发送数据帧(同时预约信道：发送方告知其他站点自己要传多久数据)。
⑤接收端收到数据帧后，将用CRC来检验数据是否正确，正确则响应ACK帧。
⑥发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧的发送，若没有则一直重传至规定重发次数为止(采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间)。 - CSMA/CD与 CSMA/CA
- 相同点:
CSMA/CD与 CSMA/CA机制都从属于CSMA的思路，其核心是先听再说。换言之，两个在接入信道之前都须要进行监听。当发现信道空闲后，才能进行接入。 - 不同点:
- 传输介质不同： CSMA/CD用于总线式以太网【有线】，而 CSMA/CA用于无线局域网【无线】。
- 载波检测方式不同：因传输介质不同，CSMA/CD与 CSMA/CA的检测方式也不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。
- CSMA/CD检测冲突，CSMA/CA避免冲突，二者出现冲突后都会进行有上限的重传。
- 相同点:
5.3 轮询访问
- 轮询协议
- 主结点轮流“邀请”从属结点发送数据。
- 轮询协议要求节点中有一个被指定为主节点，其余节点是从属节点。
- 从主节点向从节点发送的报文信息可以看出，如果一个节点要发送的数据很多，它不会一直发送到结束，它发送到最大数据帧就是结束，主节点开始轮询下一个节点，等再次轮询到它时才能继续发送。即如果从节点要发送的数据很多时，它不是一次性发送结束的。
- 令牌传递协议
- 令牌：一个特殊格式的MAC控制帧，不含任何信息。控制信道的使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道。
- 令牌由专用的信息块组成，典型的令牌由连续的8位“1”组成。当网络所有节点都空闲时，令牌就从一个节点传送到下一个节点。
当某一节点要求发送信息时，它必须获得令牌并在发送之前把它从网络上取走。一旦传送完数据，就把令牌转送给下一个节点，每个节点都具备有发送/接收令牌的装置。
使用这种传送方法决不会发生碰撞，这是因为在某一瞬间只有一个节点有可能传送数据。
最大的问题是令牌在传送过程中丢失或受到破坏，从而使节点找不到令牌从而无法传送信息。 - 没有人使用令牌时，令牌则在环路中循环
- 应用于令牌环网(物理星型拓扑，逻辑环形拓扑)
- 采用令牌传送方式的网络常用于负载较重、通信量较大的网络中。
- 令牌环网中令牌和数据的传递过程如下：
- 网络空闲时，环路中只有令牌帧在循环传递。
- 令牌传递到有数据要发送的站点处时，该站点就修改令牌中的一个标志位，并在令牌中附加自己需要传输的数据，将令牌变成一个数据帧,然后将这个数据帧发送出去。
- 数据帧沿着环路传输，接收到的站点一边转发数据，一边查看帧的目的地址。如果目的地址和自己的地址相同，那么接收站就复制该数据帧以便进一步处理
- 数据帧沿着环路传输，直到到达该帧的源站点，源站点接收到自己发出去的数据帧后便不再进行转发。同时，发送方可以通过检验返回的数据帧来查看数据传输过程中是否有错，若有错则重传该帧。
- 源站点传送完数据后，重新产生一个令牌，并将令牌传递给下一个站点，以交出对媒体的访问权限。
6. 局域网
6.1 局域网的基本概念与体系结构
- 局域网( Local Area Network):简称LAN，是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，使用
广播信道。- 特点1：覆盖的地理范围较小，只在一个相对独立的局部范围内联，如一座或集中的建筑群内
- 特点2：使用专门铺设的传输介质(双绞线、同轴电缆)进行联网，数据传输速率高(10Mb/s~10Gb/s)
- 特点3：通信延迟时间短，误码率低，可靠性较高。
- 特点4：各站为平等关系，共享传输信道。
- 特点5：多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播。
决定局域网的主要要素为：网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法。
-
局域网拓扑结构
-
局域网传输介质
- 有线局域网 常用介质：双绞线、同轴电缆、光纤
- 无线局域网 常用介质：电磁波
-
局域网介质访问控制方法
- CSMA/CD：常用于总线型局域网，也用于树型网络
- 令牌总线：常用于总线型局域网，也用于树型网络
它是把总线型或树型网络中的各个工作站按一定顺序如按接口地址大小排列形成个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。 - 令牌环：用于环形局域网，如令牌环网
-
局域网分类
- 以太网
以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网(10Mbps)、快速以太网(100Mbps）、千兆以太网(1000Mbps)和10G以太网，它们都符合IEEE802.3系列标准规范。逻辑拓扑总线型，物理拓扑是星型或拓展星型。使用 CSMA/CD。 - 令牌环网
物理上采用了星形拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。已是“明日黄花”。 - FDD网( Flber Dlstrlbuted Data Interface)
物理上采用了双环拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。 - ATM网( Asynchronous Transfer Mode)
较新型的单元交换技术,使用53字节固定长度的单元进行交换。 - 无线局域网( Wireless Local Area Network； WLAN)采用IEEE802.11标准。
- 以太网
-
IEEE 802 标准
IEE802系列标准是IEEE802UAN/MAN标准委员会制定的局域网、城域网技术标准(1980年2月成立)。其中最广泛使用的有以太网、令牌环、无线局域网等。这一系列标准中的每一个子标准都由委员会中的一个专门工作组负责。- IEEE802.3：以太网介质访问控制协议( CSMACD)及物理层技术规范。
- IEEE802.5：令牌环网( Token-ring)的介质访问控制协议及物理层技术规范。
- IEEE802.8：光纤技术咨询组，提供有关光纤联网的技术咨询
- IEEE802.11：无线局域网(WLAN)的介质访问控制协议及物理层技术规范。
-
MAC子层和LLC子层
- 逻辑链路制子层LLC子层：
LLC负责识别网络层协议，然后对它们进行封装。LLC报头告诉数据链路层一旦帧被接收到时，应当对数据包做何处理。为网络层提供服务：无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送。 - 介质访问控制子层MAC子层的主要功能包括数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制等。MAC子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性。
- 逻辑链路制子层LLC子层：
6.2 以太网与IEEE 802.3
- 以太网概述
IEEE 802.3标准是一种基带总线型的局域网标准，它描述物理层和数据链路子层MAC子层的实现方法。- 以太网在局域网各种技术中占统治性地位:
- 造价低廉(以太网网卡不到100块)
- 是应用最广泛的局域网技术
- 比令牌环网、ATM网便宜，简单
- 满足网络速率要求：10Mb/s10Gb/s.
-
以太网提供无连接、不可靠的服务
- 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。
-
传输介质及拓扑结构
粗同轴电缆—>细同轴电缆—>双绞线+集线器
以太网常用的传输介质有4种：粗缆、细缆、双绞线和光纤。
-
10BASE-T以太网
-
适配器和MAC地址
- 计算机与外界局域网的连接是通过主机箱内插入的一块网络接口板[又称网络适配器(Adapter)或网络接口卡(Network Interface Card, NIC)]实现的。
- 网卡上装有处理器和存储器，是工作在数据链路层的网路组件。
- 网卡是局域网中连接计算机和传输介质的接口，不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码及数据缓存功能等。
- 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。【实际上是标识符】
- MAC地址：每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家(由IEE规定)，后24位厂家自己指定。常用6个十六进制数表示，如02-60-8c-e4-b1-21。
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以太网DIX Ethernet V2标准的MAC帧的格式
- 前同步码：其功能是使接收器建立比特同步。编码形式为多个“1”或“0”交替构成的二进制序列，最后一比特为“0”。在这种编码形式下，经过曼彻斯特编码后为一周期性方波。
- 帧开始界符(sfd)：该字段的功能是指示一帧的开始。
- 目的地址和源地址：
目的地址字段用来指出帧要发住的工作站。
源地址段指示发送该帧的工作站地址。 - 类型指明了上层所有的协议是什么
- 帧检验序列(FCS)处于帧的最后，其长度为32比特，用于检验帧在传输过程中有无差错。
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高速以太网
- 速率大于等于100Mb/s的以太网称为高速以太网。
- 100 BASE-TI以太网
在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用EEE802.3的 CSMA/CD协议。
支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突。 - 吉比特以太网
在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号。
支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突。 - 10吉比特
10吉比特以太网在光纤上传送10Gb/s信号。
只支持全双工，无争用问题。
6.3 IEEE 802.11
- 802.11的MAC帧头格式
- 无线局域网的分类
- 有固定基础设施无线局域网
- 无固定基础设施无线局域网的自组织网络
7. 广域网
7.1 广域网的基本概念
- 广域网(WAN, Wide Area Network)，通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。
- 广域网的通信子网主要使用
分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。如因特网( Internet)是世界范围内最大的广域网。
7.2 PPP协议
- 点对点协议PPP( Point-to- Point Protocol)是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。
- PPP协议应满足的要求
- 简单：对于链路层的帧，无需纠错，无需序号，无需流量控制。
- 封装成帧：帧定界符
- 透明传输：与帧定界符一样比特组合的数据应该如何处理；异步线路用字节填充，同步线路用比特填充。
- 多种网络层协议：封装的IP数据报可以采用多种协议。
- 多种类型链路：串行/并行，同步/异步，电/光
- 差错检测：错就丢弃。
- 检测连接状态：链路是否正常工作。
- 最大传送单元：数据部分最大长度MTU
- 网络层地址协商：知道通信双方的网络层地址。
- 数据压缩协商
- PPP协议无需满足的要求
- 纠错、流量控制、序号、不支持多点线路
- PPP协议的三个组成部分
- 一个将IP数据报封裝到串行链路(同步串行/异步串行)的方法。
- 链路控制协议LCP：建立并维护数据链路连接。（身份验证）
- 网络控制协议NCP：PPP可支持多种网络层协议，每个不同的网络层协议都要一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。
- PPP协议的帧格式
7.3 HDLC协议
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高级数据链路控制(High- Level Data Link Control或简称HDLC)，是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织(ISO)根据IBM公司的SDLC( Synchronous Data Link Control协议扩展开发而成的。
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数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现。
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采用全双工通信
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所有帧采用CRC检验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重份，传输可靠性高。
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HDLC的站
- 主站的主要功能是发送命令(包括数据信息)帧、接收响应帧，并负责对整个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错检测或恢复等。
- 从站的主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并且配合主站参与差错恢复等链路控制。
- 复合站的主要功能是既能发送，又能接收命令帧和响应帧，并且负责整个链路的控制。
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HDLC的帧格式
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PPP协议&HDLC协议
- 相同点：
HDLC、PPP只支持全双工链路。
都可以实现透明传输。
都可以实现差错检测，但不纠正差错。 - 不同点：
- 相同点：
8. 数据链路层设备
8.1 网桥的概念及其基本原理
网桥根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或者是把它丢弃(即过滤)。
网段：一般指一个计算机网络中使用同一物理层设备(传输介质、中继器、集线器等)能够直接通讯的那部分。
- 网桥优点:
1.过滤通信量,增大吞吐量。
2.扩大了物理范围。
3.提高了可靠性。 - 透明网桥
- “透明”指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，是一种即插即用设备自学习。
- 源路由网桥
- 在发送帧时，把详细的最佳路由信息(路由最少/时间最短)放在帧的首部中。
- 方法：源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧。
8.2 局域网交换机及其工作原理
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直通式交换机
査完目的地址(6B)就立刻转发。
延退小，可靠性低，无法支持具有不同速率的端口的交换 -
存储转发式交换机
将帧放入高速缓存，并检查否正确,正确则转发，错误则丢弃。
延退大，可靠性高，可以支持具有不同速率的端口的交换。 -
冲突域：在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧。简单的说就是同一时间
内只能有一台设备发送信息的范围。 -
广播域：网络中能接收任一设备发出的广播帧的所有设备的集合。简单的说如果站点发出
个广播信号，所有能接收收到这个信号的设备范围称为一个广播域。
| 能否隔离冲突域 | 能否隔离广播域 | |
|---|---|---|
| 物理层设备【傻瓜】(中继器、集线器) | 不能 | 不能 |
| 链路层设备【路人】(网桥、交换机) | 能 | 不能 |
| 网络层设备【大佬】(路由器) | 能 | 能 |
【参考】
https://blog.csdn.net/weixin_43914604/article/details/104722679