计算机网络复习3

数据链路层

功能

1. 为网络层提供服务
   1. 无确认无连接：源机器发送数据不建立链路连接，目的机器收到数据帧不用发送确定，对于丢失的帧，数据链路层不负责重发，交给上层处理
   2. 有确认的无连接：源机器发送数据不建立链路连接，目的机器收到数据帧必须发送确定。源机器在所规定的时间内未收到确定信号时，就重传丢失的帧，以提高传输的可靠性
   3. 有确认的面向连接：帧传输过程分为三个阶段：建立数据链路，传输帧，释放数据链路。目的机器对收到的每一帧都要给出确认，源机器收到确认后才能发送下一帧，因而该服务的可靠性最高

注：有连接就一定要有确认，不存在无确认的面向连接服务！

2. 帧定界，帧同步与透明传输
3. 流量控制
4. 差错控制

组帧

1. 字符计数法：帧头部使用一个计数字段表明帧内字符数
2. 字符填充法的首尾定界符法：使用特定字符定界一帧的开始和结束，特殊字符前加转义字符ESC
3. 零比特填充的首尾标志法： 使用01111110来标志一帧的开始
4. 违规编码法：使用不属于曼彻斯特编码的方式确定开始或结束

差错控制

1. 奇偶校验码
   1. 奇校验码：增加校验位之后1的个数为奇数（即如果当前1的个数为偶数，则校验位为1，否则为0）
   2. 偶校验码：增加校验位之后1的个数为偶数
2. 循环冗余码：可以写成多项式的形式。如果给的G是4位，则需要在待传送的数据上增加三位，生成三位的余数作为冗余码（FCS）。

3. 纠错编码（海明码）

• 设n为有效信息的位数，k为校验位的位数，则信息位n和校验位k应满足n+k≤2^k-1
• 规定校验位p在海明位号为2的次方的位置上（1,2,4,8…），其余各位为信息位

• 设信息位D共4位，校验位P共3位，对应的海明码为DDDPD**PP，**根据P所在位置的1的编码将数据的相应位置抑或得到P的值。校验的原理是：一共三个校验位，会产生三个校验值，每个校验值是P值和对应的数据位之间异或，如果结果为0则说明传输过程中没有出错，否则，结果就是错误的位置。

流量控制与可靠传输机制

1. 滑动窗口机制
   1. 停止等待流量控制基本原理：发送之后等待接收到接受方的确认信号
   2. 多帧滑动窗口与后退N帧协议（GBN）：一帧数据传输错误，接收方一直没有收到数据，在超过传输间隔之后将没有接受到的数据以及其后面的所有数据重新传输。
   3. 多帧滑动窗口与选择重传协议（SR）：超过传输时间，收到了其他的帧，但是其中有一帧没收到，只需要中心传输当前传输出现错误的帧。

注：接收窗口+发送窗口≤2^n

介质访问控制

1. 信道划分介质访问控制

   1. 频分多路复用（FDM）：将多路基带信号调制到不同频率载波上，再叠加形成一个复合信号的多路复用技术
   2. 时分多路复用（TDM）：将一条物理信道按时间分成若干时间片，轮流地分配给多个信号使用。每个时间片由复用的一个信号占用，而不像FDM那样，同一时间同时发送多路信号
   3. 波分多路复用（WDM）：分多路复用即光的频分多路复用，它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，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)
   4. 码分多路复用（CDM）：采用不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。如站点A的码片序列被指派为00011011，则A站发送00011011就表示发送比特1，发送11100100就表示发送比特0。为了方便，按惯例将码片中的0写为-1，将1写为+1，因此a站的码片序列是向量S=(-1-1-1+1+1-1+1+1)。T表示B站的码片向量，令向量T=(-1-1+1-1+1+1+1-1)，其中T与S正交

2. 随机访问介质访问控制

   1. ALOHA协议
      1. 纯ALOHA：网络中的任何一个站点需要发送数据时，可以不进行任何检测就发送数据，在一段时间内未确认，那么该站点就认为传输过程中发生了冲突。发送站点需要等待一段时间后再发送数据，直至发送成功
      2. 时隙ALOHA：规定只能在每个时隙开始时才能发送一个帧。从而避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率

3. CSMA协议：一个结点要发送数据时，首先帧听信道
   | 信道状态 | 1-坚持 | 非坚持 | p-坚持 |
   | — | — | — | — |
   | 空闲 | 立即发送数据 | 立即发送数据 | 概率p发送数据，1-p推迟到下一个时隙 |
   | 忙 | 继续坚持帧听 | 放弃监听，等待下一个随机时间帧听 | 继续侦听，直到信道空闲 |

4. CSMA/CD协议（载波侦听多路访问/碰撞检测）——一般用于有线

   1. 先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发
   2. 传输过程
      1. 适配器从网络层获得一个分组，封装成以太网帧，放入适配器的缓存，准备发送
      2. 如果适配器侦听到信道空闲，那么它开始发送该帧。如果适配器侦听到信道忙，那么它持续侦听直至信道上没有信号能量，然后开始发送该帧在发送过程中，适配器持续检测信道。
      3. 若一直未检测到碰撞，则顺利地把这个帧发送完毕。若检测到碰撞，则中止数据的发送，并发送一个拥塞信号，以让所有用户都知道
      4. 在中止发送后，适配器就执行指数退避算法，等待一段随机时间后返回到步骤2
   3. 站A在发送帧后至多经过时间2τ（端到端传播时延的2倍）就能知道所发送的帧有没有发生碰撞（当τ趋于0时）。因此把以太网端到端往返时间2τ称为争用期（又称冲突窗口或碰撞窗口）
   4. 为了确保发送站在发送数据的同时能检测到可能存在的碰撞，需要在发送完帧之前就能收到自己发送出去的数据，即帧的传输时延至少要两倍于信号在总线中的传播时延，所以CSMA/CD总线网中的所有数据帧都必须要大于一个最小帧长：最小帧长=总线传播时延x数据传输速率×2
   5. 以太网规定取51.2为争用期的长度**（题目中的隐形条件，说到以太网默认大家已知）**
   6. 发生冲突后，参与冲突的两个站点紧接着再次发送是没有意义的，如果它们这样做，那么将会导致无休止的冲突。因此CSMA/CA采用二进制指数退避算法来解决碰撞问题
      1. 确定基本退避时间，一般取两倍的总线端到端传播时延2τ(即争用期）
      2. 定义参数k，它等于重传次数，但k≤10，即k=min[k，10]。当重传次数不超过10时，k等于重传次数；当重传次数大于10时，k就直等于10
      3. 从离散的整数集合[0,1,…,2^k-1]中随机取出一个数r，重传所需要退避的时间就是r倍的基本退避时间，即2rτ
      4. 当重传达16次仍不能成功时，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出错

5. CSMA/CA协议——一般用于无线

   1. CSMA/CD协议已成功应用于使用有线连接的局域网，但在无线局域网环境下，却不能简单地搬用CSMA/CD协议，特别是碰撞检测部分。主要有两个原因：
      1. 接收信号的强度往往会远小于发送信号的强度，且在无线介质上信号强度的动态变化范围很大，因此若要实现碰撞检测，则硬件上的花费就会过大**（不好检测）**
      2. 在无线通信中，并非所有的站点都能够听见对方，即存在"隐蔽站"问题**（检测不到）**
   2. CSMA/CA算法归纳
      1. 若站点最初有数据要发送（而不是发送不成功再进行重传）,且检测到信道空闲，在等待一小段时间后，就发送整个数据帧
      2. 否则（信道忙），站点执行CSMA/CA退避算法，选取一个随机回退值。一旦检测到信道忙，退避计时器就保持不变，只要信道空闲，退避计时器就进行倒计时
      3. 当退避计时器减到0时（这时信道只可能是空闲的）,站点就发送整个帧并等待确认
      4. 发送站若收到确认，就知道已发送的帧被目的站正确接收。这时如果要发送第二帧，就要从步骤2开始
      5. 若发送站在规定时间内没有收到确认帧ACK(由重传计时器控制）就必须重传该帧，再次使用CAMA/CA协议争用该信道，直到收到确认，或经过若干次重传失败后放弃发送

6. 轮询访问介质访问控制：令牌传递协议

   1. 在轮询访问中，用户不能随机地发送信息，而要通过一个集中控制的监控站，以循环方式轮询每个结点，再决定信道的分配。当某结点使用信道时，其他结点都不能使用信道。典型的轮询访问介质访问控制协议是令牌传递协议，它主要用在令牌环局域网中
   2. 在令牌传递协议中，一个令牌在各结点间以某个固定次序交换
   3. 令牌是由一组特殊的比特组合而成的帧
   4. 计算机都不需要发送数据时，令牌就在环形网上游荡，而需要发送数据的计算机只有在拿到该令牌后才能发送数据帧，因此不会发送冲突
   5. 轮询介质访问控制非常适合负载很高的广播信道

局域网

1. 体系结构
   1. 星型结构
   2. 环型结构
   3. 总线形结构
   4. 星型和总线型结合的复合型结构
2. 介质访问控制：CSMA/CD、令牌总线【主要用于总线型局域网】和令牌环【主要用于环形局域网】
3. 以太网(IEEE 802.3)
   1. 总线型
   2. 广播式发送
   3. 使用CSMA/CD
4. 以太网采用两项措施简化通讯
   1. 采用无连接的工作方式，不对发送的数据帧编号，也不要求接收方发送确认，即以太网尽最大努力交付数据，提供的是不可靠服务，对于差错的纠正则由高层完成
   2. 曼彻斯特编码
5. 以太网的传输介质与网卡
6. 网卡：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【又称网络适配器或网络接口卡】实现的
7. 世界的每块网卡在出厂时都有一个唯一的代码，称为介质访问控制（MAC）地址，这个地址用于控制主机在网络上的数据通信
8. 以太网的MAC地址
   1. 地址：通常使用6字节 (48bit) 地址（MAC地址）
   2. 数据：**46_{1500字节**，包含高层的协议消息。由于CSMA/CD算法的限制，以太网帧必须满足最小长度**（最小帧长）要求64字节**，数据较少时必须加以填充（0}46字节）=【64-6-6-2-4】
9. 高速以太网
   1. 100BASE-T 以太网 100M bit/s
      1. 支持全双工方式和半双工方式，可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，在全双工方式下不使用CSMA/CD协议。
   2. 吉比特以太网 1G b/s
      1. 在半双工方式下使用CSMA/CD协议（全双工方式不需要使用CSMA/CD协议）
   3. 10吉比特以太网
      1. 只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用CSMA/CD协议

广域网

1. 基本概念
   1. 指覆盖范围很广（远超一个城市的范围）的长距离网络，局域网可以通过广域网与另一个相隔很远的局域网通信
   2. 广域网由一些结点交换机及连接这些交换机的链路组成
   3. 局域网使用的协议主要在数据链路层（还有少量在物理层）,而广域网使用的协议主要在网络层
2. PPP协议
   1. 组成部分
      1. 链路控制协议（LCP）。一种扩展链路控制协议，用于建立，配置，测试和管理数据链路
      2. 网络控制协议（NCP）。PPP协议允许同时采用多种网络层协议，每个不同的网络层协议要用一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接
      3. 一个将IP数据报封装到串行链路的方法。IP数据报在PPP帧中就是其信息部分，这个信息部分的长度受最大传送单元（MTU）的限制。
   2. PPP是面向字节的，当信息字段出现和标志字段一致的比特组时，采用字节填充法
   3. 状态变化
      1. 当线路处于静止状态时，不存在物理层连接
      2. 当线路检测到载波信号时，建立物理连接，线路变为建立状态 （建立）
      3. LCP开始选项商定，商定成功后就进入身份验证状态 （身份验证）
      4. 双方身份验证通过后，进入网络状态 （网络）
      5. 用NCP配置网络层，配置成功后，进入打开状态，然后就可进行数据传输 （打开）
      6. 当数据传输完成后，线路转为终止状态。载波停止后则回到静止状态。 （终止，静止）
3. HDLC 协议
   1. HDLC有3种站类型：主站，从站和复合站
      1. 主站负责控制链路的操作，主站发出的帧称为命令帧
      2. 从站受控于主站，按主站的命令进行操作发出的帧称为响应帧
      3. 复合站既具有主站的功能，又具有从站的功能，它可以发出命令帧和响应帧
   2. 数据操作方式
      1. 正常响应方式。这是一种非平衡结构操作方式，即主站向从站传输数据，从站响应传输，但从站只有在收到主站的许可后，才可进行响应
      2. 异步平衡方式。这是一种平衡结构操作方式。在这种方式中，每个复合站都可以进行对另一站的数据传输
      3. 异步响应方式。这是一种非平衡结构操作方式。在这种方式中，从站即使未受到主站的允许，也可进行传输
4. PPP与HDLC的区别
   1. PPP协议是面向字节的，HDLC协议是面向比特的
   2. PPP协议不使用序号和确认机制，只保证无差错接收（通过硬件进行CRC检验），而端到端差错检测由高层协议负责
   3. HDLC协议的信息帧使用了编号和确认机制，能够提供可靠传输

设备

1. 网桥
   1. 两个或多个以太网通过网桥连接后，就成为一个覆盖范围更大的以太网，而原来的每个以太网就称为一个网段（LAN）。网桥工作在链路层的MAC子层，可以使以太网各网段成为隔离开的碰撞域
   2. 网络1和网络2通过网桥连接后，网桥接收网络1发送的数据帧，检查数据帧中的地址
   3. 如果是网络2的地址，那么就转发给网络2
   4. 如果是网络1的地址，那么就将其丢弃，因为源站和目的站处在同一个网段，目的站能够直接收到这个帧而不需要借助网桥转发
   5. 网桥的基本特点
      1. 网桥必须具备寻址和路径选择能力，以确定帧的传输方向
      2. 从源网络接收帧，以目的网络的介质访问控制协议向目的网络转发该帧
      3. 可使用不同的物理层，可互联不同类型的局域网
      4. 源路由网桥 (选择的是最佳路由）【路由选择由发送帧的源站负责】
      5. 源路由的生成过程是
         1. 在未知路径前，源站要先发送一个发现帧
         2. 途中的每个网桥都转发此帧，最终该发现帧可能从多个途径到达目的站
         3. 目的站也将一一发送应答帧，每个应答帧将通过原路径返回，途经的网桥把自己的标志记录在应答帧中
         4. 源站选择出一个最佳路由
2. 以太网交换机：是一个多端口的网桥
   1. 特点
      1. 以太网交换机的每个端口都直接与单台主机相连
      2. 以太网交换机也是一种即插即用设备（和透明网桥一样）,其内部的帧的转发表也是通过自学习
         算法自动地逐渐建立起来的
   2. 两种交换模式
      1. 直通式交换机只检查帧的目的地址，这使得帧在接收后几乎能马上被传出去。这种方式速度快，但缺乏智能性和安全性，也无法支持具有不同速率的端口
      2. 存储转发式交换机先将接收到的帧缓存到高速缓存器中，并检查数据是否正确，确认无误后通过查找表转换成输出端口将该帧发送出去。如果发现帧有错，那么就将其丢弃。存储转发式的优点是可靠性高，并能支持不同速率端口间的转换，缺点是延迟较大