系列目录

计算机网络总纲领
计算机网络特殊考点
计算机网络原理参考模型I
计算机网络原理参考模型II

更新日志

6.25 后面还会考虑继续补充重要的内容、配图和习题

数据链路层(Data Link Layer)

主要作用：实现帧在一段链路上或是一个网络中进行传输的问题

一、基本概念

1. 链路

2. 数据链路

3. 帧(Frame)

二、三个重要问题

1. 封装成帧和透明传输

封装成帧

• MTU(Maximum Transfer Unit, 最大传送单元)
• 帧定界

透明传输

• 字节填充(字符填充)——面对字节的物理链路
• 比特填充——面对比特的物理链路

2. 差错检测

奇偶校验

循环冗余校验(CRC, Cyclic Redundancy Check)

可靠传输

• 传输差错(其中概念)
  • 误码(比特差错)——数据链路层及以下
  • 分组丢失、分组失序、分组重复——网络层及以上

3. 实现机制🌟

停止-等待协议(SW)

• 实现原理
  • 数据分组(DATA分组)丢失——超时重传
  • 确认分组(ACK)丢失——分组重复——DATA分组编号
  • 确认分组(ACK分组)迟到(重复)——ACK分组编号，重复丢弃
• 信道利用率

回退N帧协议(GBN)
工作过程举例

• 无传输差错(正常情况)
• 超时重传、回退N帧
• 累积确认
• 发送窗口尺寸超过其上限——分组差错(传输差错)

选择重传协议(SR, Seletive Repeat)
若$W_T>W_R$——接收窗口新旧序号重叠

三、 🌟点对点协议(PPP, Point-to-Point Protocol)

1. 组成

一个链路控制协议LCP
一个网络层PDU封装到串行链路的方法
一套网络控制协议NCP

2. 帧格式

各字段含义

透明传输
字节填充——面向字节的异步链路
零比特填充——面向比特的同步链路

差错检验

3. 工作状态

以用户PC拨号接入ISP的接号服务器

四、 以太网

1. 🌟共享式以太网

网络适配器(网卡Adapter)

• 功能
  • 实现物理层和数据链路层的功能
  • 并行传输和串行传输的转换
  • 混杂方式(Promiscuous Mode)
  • 嗅探器(Sniffer)

MAC(Medium Access Control, 媒体接入控制)地址

• 作用
  • 点对点信道
  • 广播信道——数链层必须使用地址区分各主机(MAC地址)
• IEEE 802局域网的MAC地址(48比特)
  • 全球单播地址
  • 全球多播地址
  • 本地单播地址——优先级高于全球单播地址
  • 本地多播地址——广播地址(特例)

🌟CSMA/CD协议(载波监听多址接入碰撞检测协议)

• 基本原理
  • 载波监听(CS, Carrier Sense)
  • 多址接入(MA, Multiple Access
  • 碰撞检测(冲突检测)(CD, Collision Deteciton)💥
• 争用期(Contention Period)
  或称碰撞窗口(Collision Window)
  • 端到端往返时间(2τ)
• 最小帧长和最大帧长
  • 最小帧长——数据传输速率x争用期
  • 最大帧长
• 退避算法(截断二进制指数退避算法)
  • 基本退避时间
  • 随机数r的选择
  • 得到退避时间
• 信道利用率
  • 极限信道利用率$$S_{max}$$
• 帧的发送和接收流程(不重要)

使用集线器的共享式以太网

• 集线器(Hub)
  • 物理上星型，逻辑上总线型，使用CSMA/CD协议
  • 只工作在物理层，不进行碰撞检测
  • 具有少量的容错能力和网络管理能力
• 标准为IEEE 802.3i以太网
  • 双绞线为传输媒体——10BASE-T
• 标准为IEEE 802.3以太网
  • 光纤作为传输媒体——10BASE-F

在物理层扩展以太网

在数据链路层扩展以太网

2. 交换式以太网

以太网交换机

• 接口直连计算机或交换机(无需使用CSMA/CD协议)
  • 全双工方式
  • 在自身内部同时连接多对接口
• 接口连接共享媒体的集线器(只能使用CSMA/CD协议)
  • 接口连接共享媒体的集线器——只能半双工方式

3. 共享式以太网与交换式以太网的对比

集线器
不隔离广播域和碰撞域

交换机
不隔离广播域隔离碰撞域

4. (以太网的)MAC帧格式

两种标准

• 以太网V2(DIX Ethernt V2)的MAC帧
• IEEE 802.3的MAC帧

物理层前导码

无效的MAC帧

5. 虚拟局域网(VLAN, Virtual Local Area Network)

划分VLAN(分割广播域)的好处

• 控制广播风暴
• 方便网络管理
• 增强网络安全

实现机制
基于以太网交换机的接口来实现VLAN

• 处理带有VLAN标记的(IEEE 802.1Q)帧
  • 以太网V2的MAC帧
  • +源地址字段和类型之间插入4字节的VLAN标签(tag)字段
    • 标签协议标识符(TPID)
    • 优先级(PRI)
    • 规范格式指令符(CFI)
    • 虚拟局域网标识符(VLAN ID, VID)
• 交换机的各接口可支持不同的接口类型
  • Access接口
    从Access接口转发出去的帧，是不带VLAN标签的普通以太网MAC帧
    • 交换机与用户计算机之间
      • 接受帧(接收处理)
      • 转发帧(转发处理)
  • Trunk接口
    从Trunk接口转发出的帧可能是普通以太网MAC帧，也可能是IEEE802.1Q帧
    • 交换机之间或交换机与路由器之间
      • 接收帧(接收处理)
      • 转发帧(转发处理)
  • Hybrid接口(华为交换机私有)
    既可用于交换机之间，也可用于交换机与路由器之间

6. 以太网的发展

100BASE-T以太网(快速以太网 Fast Ethernet)

吉比特以太网(千兆以太网 Gigabit Ethernet)

• 载波延伸(Carrier Extension)
• 分组突发(Packet Bursting)

10吉比特以太网(万兆以太网)

40吉比特/100吉比特以太网(四万兆/十万兆以太网)

五、802.11 无线局域网(简称Wi-Fi)

组成(可分为)

• 有固定基础设施
  • 基本服务
    • 关联服务(Association)服务
    • 重建关联(Reassociation)服务和分离(Dissociation)服务
• 无固定基础设施(自组织网络 ad hoc Network)

物理层

数据链路层

• 使用CSMA/CD(载波监听多址接入碰撞检测)协议
• 两种不同的媒体接入控制(MAC)方式
  • 🌟分布式协调功能(DCF)
  • 点协调功能(PCF)
• 确认机制——停止-等待(SW)的确认机制实现可靠传输
  • 帧间间隔
  • 虚拟载波监听(VCS Virtual Carrier Sense)机制
  • 退避算法
    • 退避算法的执行
    • 退避时间的选择
• CSMA/CD协议的基本工作原理
  • 信道预约(使用到)
    属于虚拟载波监听(VCS)机制
    • RTS帧(Request To Send, 请求发送)——短的控制帧
    • CTS帧(Clear To Send, 允许发送)——短的相应控制帧

MAC帧(三种类型)

• 数据帧(三部分组成)
  • 帧头
    • 帧控制字段(包括)
      • 去往DS
      • 来自DS
      • WEP(Wired Equivalent Privacy, 有线等效保密)
    • 持续期字段
      • 实现CSMA/CA的虚拟载波监听(VCS)和信道预约机制
    • 地址字段
    • 序号控制字段
      • 实现802.11 无线局域网的可靠传输(SW协议)，对数据帧进行编号
  • 数据
    • 数据载荷
  • 帧尾
    • FCS(Frame Check Sequence, 帧检验序列)——采用CRC检验码(循环冗余校验码)
    • 控制帧
    • 管理帧

物理层(Physical Layer)

主要任务：在各种传输媒体上传输比特0和1，进而给上面的数据链路层提供透明传输比特流服务

一、传输方式

1. 传输

串行传输和并行传输

• 串行传输
  • 网卡与局域网之间
  • 只有一条出数据传输线路
• 并行传输
  • CPU和储存器 与 网卡之间
  • 计算机内部的数据传输
  • 仅适用于短距离传输

同步传输和异步传输

• 同步传输
  • 以比特(bit)为传输单位
  • 实现收发双方的时钟同步(可采用两种方法)
    • 外同步
    • 内同步
• 异步传输
  • 以字节(Byte)为传输单位
  • 异步指字节之间的异步
  • 字节内的每个比特仍然要同步

2. 通信

单向通信：只能有一个方向的通信

• 又称单工通信
• 如：无线电广播和电视广播
• “单工电台”中的单工表示的是“双向交替通信”

双向交替通信：通信双方都可接/发信息，但不能同时进行

• 又称半双工通信
• 如：对讲机之间、总线型以太网的各主机之间

双向同时通信：通信双发都可同时接受或发送信息

• 全双工通信
• 如：传统有线电话、交换式以太网上的各主机之间

二、编码与调制

1. 基本概念

消息

数据
看作运送消息的实体

信号
看作数据的电磁表现

基带信号(基本频带信号)
由信源发出的原始信号

• 调制和编码
  • 基带调制
    又称为编码(coding)
    • 将数字信号转换成另一种形式的数字信号
    • 调制后的信号仍然是数字基带信号
  • 带通调制
    • 将数字基带信号转换成模拟信号

码元

• 信号的编码单位
• 定义：在使用时间域的波形表示信号时，代表不同离散数值的基本波形

2. 🌟常用编码方式

不归零制(NRZ, Non-Return-to-Zero)

• 信号在每个码元期间不会回归到零电平

归零制

• 信号在每个码元期间会回归到零电平

曼彻斯特编码

• 码元的中间时刻电平都会发生跳变
• 电平跳变即表示时钟信号，也表示数据
• 判断技巧：看“中心”——默认向上跳变表0，向下表1；也可自由定义——上0，下1

差分曼彻斯特编码

• 码元的中间时刻电平都会发生跳变
• 电平跳变仅表示时钟信号，不表示数据
  • 数据的表示在于码元开始处是否有电平跳变
  • 无跳变表示1，有跳变表示0
• 判断技巧：看“开始”——开始有跳变表0，无跳变表1——有0，无1

3. 基本的带通调制方法和混合调制方法

基本的带通调制方法

让载波的xx随基带的数字信号的变化而变化(xx指振幅、频率、初相位)

• 调幅AM——振幅
• 调频FM——频率
• 调相PM——初相位
  混合调制方法
• 正交振幅调制(QAM)
  • QAM-16 可调制16种不同的码元
  • 每个码元与4个比特的对应关系采用格雷码进行编码——任意两个相邻码元只有1个比特不同，详P67

4. 🌟信道的极限容量

奈氏准则：理想低通信道的最高码元传输速率
$$=2WBaud=2W码元/秒=2W{\log }_2^{码元}bit/s$$

香农公式：频带带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率
$$\begin{gathered} C=Wlo{g}_2^{}(1+\frac{S}{N})(bit/s) \\ 其中，信噪比(dB)=10lo{g}_{10}^{\frac{S}{N}}(dB) \end{gathered}$$

5. 🌟信道复用技术

属于静态划分信道，用于多用户共享信道，不会发生冲突

频分复用(FDM)

• 常称为频分多址(FDMA, Frequency Division Multiplex Access)
• 所有用户同时占用不同的频带资源并行通信

时分复用(TDM)

• 时分多址(TDMA)
• 所有用户在不同的时间占用相同的频带资源
• (技术改进)统计时分复用(STDM)

波分复用(WDM)

光的频分复用(FDM)

• 根据三棱镜原理可实现
  • 光复用器(合波器)
  • 光分用器(分波器)
• (技术进步)密集波分复用(DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing)

码分复用(CDM, Code Division Multiplexing)

• 常称为码分多址(CDMA)
• 所有用户在相同的时间占用相同的频带资源
• 区别于FDM/TDM，不同CDMA的每个用户可在相同的时间使用相同的频带进行通信

传输媒体(物理层之下, 第“0”层)

又称传输介质或传输媒介

一、导向型传输媒体

1. 同轴电缆

组成(由内向外)

• 内导体
• 绝缘层
• 外屏蔽层：很好的 抗干扰性，使得同轴电缆广泛应用于 高速率数据传输
• 外部保护层

应用

2. 双绞线

绞合的作用

• 减少相邻导线间的电磁干扰
• 抵御部分来自外界的电磁干扰

分类

• 屏蔽双绞线(STP, Shielded Twisted Pair)电缆
• 无屏蔽双绞线(UTP, Unshielded Twisted Pair)电缆
  $$x色和x白(x的取值为蓝、橙、绿、棕)$$

3. 光纤(光导纤维)

分类

• 单模光纤(双层通信圆柱形传输媒体)
  • 纤芯+包层
• 多模光纤

优点

• 通信容量大
• 抗雷电和电磁干扰好
• 传输损耗小，中继距离长
• 无串音干扰，保密性好
• 体积小，重量轻

二、非导向性传输媒体

1. 无线电波

• LF和MF(Middle Frequery)波段(中低频波段)——地面波
• HF和VHF(Very High Frequery)波段(高频和甚高频)——电离层的反射

2. 微波(直线传播)

• 地面微波接力通信
• 🛰️卫星通信

3. 红外线(红外通信属于点对点无线通信，直线传播)

4. 激光(按传输媒体不同)

• 大气激光通信
• 光纤通信

5. 可见光——如：LIFI