计算机网络

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第一章概述

1.1.1 、概念、组成、功能和分类

计算机网络概念：

是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备（交换机、路由器）与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

计算机网络是互连的、自治的计算机集合。
计算机网络的功能
1. 数据通信（连通性）
2. 资源共享（硬件、软件、数据，三大资源共享）
3. 分布式处理（多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分如：Hadoop平台）
4. 提高可靠性（替代机）
5. 负载均衡
组成
1. 组成部分（硬件、软件、协议）
  1. 硬件：主机（端系统），链路（双绞线、光纤），通信设备（路由器，交换机）
  2. 软件：QQ，微信等
  3. 协议
2. 工作方式
  1. 边缘部分：用户直接使用（C/S方式，P2P方式）
  2. 核心部分：为边缘部分服务（网络，路由器，交换机）
3. 功能组成
  1. 通信子网：实现数据通信(OSI上三层)
  2. 资源子网：实现资源共享/数据处理（OSI下三层）
    
    传输层：是资源子网和通信子网的接口
4. 计算机网络的分类
  1. 按分布范围分
    - 广域网（WAN，交换技术）
    - 城域网（MAN）
    - 局域网（LAN，广播技术）
    - 个人区域网（PAN）
  2. 按使用者分
    - 公用网
    - 专用网
  3. .按交换技术分
    - 电路交换
    - 报文交换
    - 分组交换
  4. 按拓扑结构分
    - 总线型
    - 星型
    - 环形
    - 网状型（常用于广域网）
  5. 按照传输技术分
    - 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）

脑图：

1.1.2、标准化工作及相关组织

标准化工作
1. 标准的分类
  1. 法定标准
    
    由权威机构指定的正式的、合法的标准
    
    OSI
  2. 事实标准
    
    某些公司的产品在竞争中占据了主流，时间长了，这些产品中的协议和技术就成了标准
    
    TCP/IP
RFC（Request For Comments）——因特网标准的形式

RFC要上升为因特网正式标准的四个阶段：

因特网草案（Internet Draft）

这个阶段还不是RFC文档，只是一个构思
建议标准（Proposed Standard）
```
- 从这个阶段开始成为RFC文档
```
草案标准（Draft Standard）（现取消）
- IETF、IAB审核
因特网标准（Internet Standard）
标准化工作的相关组织
1. 国际标准化组织ISO
  
  OSI参考模型、HDLC协议
2. 国际电信联盟ITU
  
  制定通信规则
3. 国际电气电子工程师协会IEEE
  
  学术机构、IEEE802标准、5G
4. Internet工程任务组IETF
  
  负责因特网相关标准的制定 RFC—XXXX

脑图：

1.1.3、计算机网络的相关性能指标

速率

即数据率或称数据传输率或比特率

连接在计算机网络上的主机在数字信道上传输数据位数的速率

补充：

速率的单位（千、兆、吉、太）

1Tb/s=10^3Gb/s=10^6Mb/s=10^9kb/s=10^12b/s

存储容量单位：

1Btye=8 bit 1TB/s=2^10 GB/s=2^20 MB/s=2^30 KB/s=2^40 B/s
带宽

原本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）

在计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力

通常是指单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。

单位与速率的单位相同。（比特每秒、b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s）

可以理解为：网络设备所支持的最高速度，即：发送的速率
吞吐量

表示在单位时间内通过某个网络（信道、接口）的数据量。单位b/s，kb/s，Mb/s等

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

所有的链路加一起才是本次网络的数据的真正吞吐量
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时间。
也叫延迟或者迟延，单位是s
1. 发送时延/传输时延 = 数据长度/信道带宽（发送速率）
  
  从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间。
2. 传播时延 = 信道长度/电磁波在信道上的传播速率；
  取决于电磁波传播速度和链路长度
  
  此处注意：传输时延与传播时延的区别
  - 传输时延：发生在主机内部，一般是发生在网络适配器当中，发生在机器内部的发送器里面
  - 传播时延：发生在机器外部，发送在信道上
3. 排队时延
  
  等待输出/输入链路可用
  
  在路由器的缓存空间那里
4. 处理时延
  - 检错找出口
5. 时延抖动
  
  时延的不均匀性
注意：高速链路（提高发送速率/信号带宽）只是降低了发送时延，对传播时延和传播速率没有影响
时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

时延带宽积又称为比特位长度的链路长度

即：某段链路现在有多少比特，有“容量”的意思
往返时延RTT

从发送发发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认）总共经历的时延RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多

RTT包括
1. 往返传播时延 = 传播时延 * 2
2. 末端处理时间
注意：RTT不包括传输时延
利用率
- 信道利用率 = 有数据通过时间 / （有 + 无）数据通过的时间
- 网络利用率 = 信道利用率加权平均值
- 利用率如果趋近于1，时延会急剧增大
  
  这些性能指标可以分为三类
  1. 速率、带宽、吞吐率
  2. 时延、时延带宽积、往返时延RTT
  3. 利用率（利用率如果趋近于1，时延会急剧增大）

脑图：

1.2.1、分层结构、协议、接口、服务

为什么要分层？

发送文件前要完成的工作：
1. 发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活。
2. 要告诉网络如何识别目的主机。
3. 发起通信的计算机要查明目的主机是否开机，并且与网络连接正常。
4. 发起通信的计算机要弄清楚，对方计算机中文件管理程序是否已经做好准备工作。
5. 确保差错和意外可以解决。
6. …….
所以，在发送文件的过程中，会出现很多问题，需要把这些问题分成一个个小问题，然后解决
怎么分层
- 实体、对等实体
- 对等实体之间才会有协议
- 上下层之间的接口
- 下层给上层提供服务
分层的基本原则
1. 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能
2. 每层之间的界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
3. 结构上可分隔开。每层都采用最合适的技术来实现
4. 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
5. 整个分层结构应该促进标准化工作。
正式认识分层结构
1. 实体：第n层中的活动元素称为n层实体。同一层的实体叫对等实体。
2. 协议：为进行网络中的对等实体数据交换为建立的规则、标准或约定称为网络协议。【水平】
  - 语法：规定传输数据的格式
  - 语义：规定所要完成的功能
  - 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：下层为相邻上层提供的功能调用。【垂直】
5. SDU、PCI、PDU
  - SDU服务数据单元：为完成用户所需要的功能而应传输的数据。
  - PCI协议控制信息：控制协议操作的信息。
  - PDU协议数据单元：对等层次之间传送的数据单位。
  - PDU=SDU+PCI

总结：

网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构。
计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构。
每层遵循某个/些网络协议以完成本层功能。
计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。
第n层在向n+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。
仅仅相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。
体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件。

脑图：

1.2.2、 OSI参考模型

计算机网络分层结构
- 7层OSI参考模型（法定标准）
- 4层TCP/IP参考模型（事实标准）
- 5层体系结构（主要是使我们学习计算机网络更加清晰，不是事实标准，也不是法定标准）
OSI参考模型是怎么来的？
提出第一个网络体系结构：SNA（IBM公司）之后，很多公司和机构纷纷提出自己的网络体系结构：DEC公司的DNA，美国国防部的TCP/IP。为了支持异构网络系统的互联互通，国际标准化组织（ISO）于1984年提出开放系统互连（OSI）参考模型。但是，理论成功，市场失败。
OSI7层结构
1. 物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层
  物、链、网、输、会、示、用
  物联网淑慧试用
2. 资源子网（数据处理）：上三层：会话层、表示层、应用层
3. 通信子网（数据通信）：下三层：物理层、数据链路层、网络层
OSI参考模型解释通信过程

上四层实现的是端到端的通信
下三层实现的是点到点的通信
各层功能与协议
1. 应用层
  用户与网络的界面，所有能和用户交互产生网络流量的程序
  典型应用层服务：
  - 文件传输（FTP)
  - 电子邮件（SMTP）
  - 万维网（HTTP）等
2. 表示层
  用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）
  - 功能1：数据格式变换（翻译官）
  - 功能2：数据加密和解密
  - 功能3：数据压缩和解压缩
  没有专门的协议，硬要说的话：主要协议有JPEG、ASCII
3. 会话层
  向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据
  这是会话，也是建立同步（SYN）
  - 功能1：建立、管理、终止会话
  - 功能2：使用校验点可以使会话在通信失效时，从校验点/同步点继续恢复通信，实现数据同步。（适用于传输大文件）
    主要协议：ADSP、ASP
4. 传输层
  负责两个不同主机中两个进程的通信，即端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据报。（功能：可差流用）
  - 功能1：可靠传输、不可靠传输
  - 功能2：差错控制
  - 功能3：流量控制
  - 功能4：复用分用
    - 复用：多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务。
    - 分用：运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程
  主要协议：TCP、UDP
5. 网络层（最重要）
  主要任务是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。
  
  网络层传输单位是数据报。
  
  数据报过长时，会将数据报切割成一个个小的分组，再放到链路上传递
  - 功能1：路由选择（最佳路径）
  - 功能2：流量控制（协调发送端和接收端的速度）
  - 功能3：差错控制（奇偶校验等）
  - 功能4：拥塞控制
    若所有结点都来不及接收分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态。因此要采取一定措施缓解这种拥塞。
  主要协议：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF
6. 数据链路层
  
  主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧
  
  数据链路层/链路层的传输单位是帧
  - 功能1：成帧（定义帧的开始和结束）
  - 功能2：差错控制（帧错+位错）
  - 功能3：流量控制
  - 功能4：访问（接入）控制 控制对信道的访问
  主要协议：SDLC、HDLC、PPP、STP
7. 物理层
  
  傻瓜层
  
  把比特流转成电信号的形式，然后放到链路上面进行传输，不需要对数据进行改动。
  主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输，传输单位是比特。
  透明传输：指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路层上传送。
  - 功能1：定义接口特性
  - 功能2：定义传输模式（单工、半双工、双工）
  - 功能3：定义传输速率
  - 功能4：比特同步
  - 功能5：比特编码
  主要协议：Rj45、802.3

脑图：

1.2.3、 TCP/IP参考模型和5层参考模型

先有TCP/IP协议栈再有TCP/IP参考模型

OSI参考模型与TCP/IP参考模型相同点
1. 都分层
2. 基于独立的协议栈的概念
3. 都可以实现异构网络互联
OSI参考模型与TCP/IP参考模型的不同点
1. OSI定义三点：服务、协议、接口
2. OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议
3. TCP/IP设计之初就考虑到异构网互联问题，将IP作为重要的层次
4. OSI VS TCP/IP
  
  OSI TCP/IP
  
  网络层无连接+面向连接无连接
  
  传输层面向连接无连接+面向连接
  
  面向连接：分为三个阶段
  1. 建立连接，发出一个建立连接的请求
  2. 连接成功之后，开始数据传输
  3. 数据传输完毕，释放连接
  无连接：直接进行数据传输
5. 5层参考模型
  
  综合了OSI和TCP/IP的优点
  
  5层参考模型的分层及每层的功能：
  
  5层参考模型的数据封装与解封装过程：

	OSI	TCP/IP
网络层	无连接+面向连接	无连接
传输层	面向连接	无连接+面向连接

1.3 第一章总结

第二章物理层

第二章要学习的主要内容

通信基础
两个公式lim（考研重点）
看图说话（数字信号的波形）
传输介质
物理层设备（中继器、集线器）

2.1.1、物理层基本概念

物理层基本概念

物理层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（传输媒体可以看做是第0层，要与物理层分开看）

物理层的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性，定义标准

物理层定义了哪些特性？
- 机械特性
  定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况
- 电气特性
  规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
- 功能特性
  指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途
  比如：描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义。
- 规程特性
  （过程特性）定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

2.1.2 、数据通信基础知识

典型的数据通信模型：

数据通信相关术语

通信的目的是传送消息
- 数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
- 信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
  - 数字信号：代表消息的参数取值是离散的
  - 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的
- 信源：产生和发送数据的源头
- 信宿：接收数据的终点
- 信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道.
  
  信道分类
  - 按传输信号分：数字信道（传送数字信号）、模拟信道（传送模拟信号）
  - 按传输介质分：无线信道、有线信道
三种通信方式

从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式
- 单工通信
  只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道
- 半双工通信
  通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道
- 全双工通信
  通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道
两种数据传输方式

数据在信道上的传送方式
- 串行传输
  速度慢，费用低、适合远距离
- 并行传输
  速度快、费用高、适合近距离
  用于计算机内部数据传输（打印机，扫描机）

2.1.3 、码元、波特、速率、带宽

码元
指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时（M>2），此时码元为M进制码元。

1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种表示1状态。而四进制码元，一个码元可以携带2bit信息。（00/01/10/11）
速率、波特

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。
1. 码元速率：（码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等等）
  它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但是码元速率与进制数无关。
  
  即：1s传输了多少码元
2. 信息速率：
  表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数）
  单位是比特/秒（b/s）
  
  即：1s传输多少比特
  
  关系：
  
  *若一个码元携带n bit的信息量，则M Buad的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mn bit/s**
  
  即：*信息传输速率 = n bit * 码元传输速率*
  
  系统传输的是比特流，通常比较的的是信息传输速率。
带宽
表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s。
相关习题：

2.1.4、奈氏准则和香农定理

失真：
影响失真的因素：
1. 码元传输速率（正相关）
  速率越快，信号失真程度越严重
2. 信号传输距离（正相关）
  距离越远，衰减越久，干扰越久，对信号影响越大
3. 噪声干扰（负相关）
  噪声越多，信号失真程度越大
4. 传输媒体质量（负相关）
  传输媒体质量越差，越失真
失真的一种现象——码间串扰

信道带宽：信道能通过的最高频率和最低频率之差

上图的信道带宽是：3300Hz-300Hz=3000Hz
1. 速率过低为什么不能通过信道？
  
  速度太低，信号在信道上非常容易衰减
2. 速度过高为什么不能通过信道？
  
  振动频率太快了，接收端在接收时区分不出来波形之间的差异（即：码间串扰）
  
  码间串扰：接收端收到的信好波形失去了码元之间清晰界限的现象
奈氏准则（奈奎斯特定理）

在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz。在奈氏准则和香农定理中带宽的单位是Hz（不是bit/s）

理想低通信道下的极限传输率=2Wlog2V（b/s）
V：码元的种数/码元的离散电平数目

根据奈氏准则可以得到以下4条结论：
1. 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，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（即：能通过的信号高频分量越多），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的限制，但并没有对信息传输速率给出限制
4. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。
例：在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输率是多少?

分析：调相与调幅相结合

解：
```
 信号有4 * 4=16种变化，则V=16；
```
即：极限传输速率=2Wlog2（V）（b/s）= 2 * 3000 * log2（16）（b/s）= 24000（b/s）
香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信系统中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。

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

两者在数值上等价。

而往往信噪比的这个值会很大，所以一般取对数。取了对数这个严格来说就叫做声强级，取对数实际上获得了次方的值，进而得到了声音（信息）的强度。但是两个东西表示的是同一信息。声强级是为了方便读数理解而对信噪比进行的变换（类似科学记数法）

香农定理：

在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

信道的极限数据传输速率=W * log2（1+S/N）（b/s）

S：信道所传信号的平均功率

N：信道内的高斯噪声功率

S/N即：信噪比

W:带宽（Hz）

根据香农定理可以得到以下5条结论：
1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，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的极限传输速率，就一定能找到某种方法实现无差错传输
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. 从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。
例题：
奈氏准则和香农定理的联系与区别：

奈氏准则（内忧，码间串扰）香农定理（外患，外界噪声）
有时候既需要使用奈氏准则，也需要使用香农定理，这时，需要取两者中的最小值

例：二进制信号在信噪比为127∶1的4kHz信道上传输，最大的数据速率可达到多少?
解：
```
由奈氏准则知：最大数据传输速率为=2 * W * log2（V）
                          =2 * 4000 * 1=8000（b/s）
有香农定理知：最大数据传输速率为=W * log2（1+S/N）
                          =4000 * log2（1+127）
                          =28000（b/s）
最大的数据传输率为8000（b/s）
```

2.1.5 、编码与调制

基带信号与宽带信号

信道上传送的信号
1. 基带信号：将数字信号1和0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）
  基带信号是来自信源的信号，就像计算机输出的代表各种文字或者图像文件的数据信号都属于基带信号。
  基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。
2. 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，再传到模拟信道上去传输（宽带传输）
  把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬迁到较高的频段一遍在信道中传输（即：仅在一段频率范围内能够通过信道）
  在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）
  在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（近距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号）
编码与调制

数据–>数字信号编码

数据–>模拟信号调制

数字数据–数字发送器–>数字信号编码

数字数据–调制器–>模拟信号调制

模拟数据–PCM编码器–>数字信号编码

模拟数据–放大器调制器–>模拟信号调制
四种编码与调制方法
1. 数字数据编码为数字信号
2. 数字数据调制为模拟信号
3. 模拟数据编码为数字信号
4. 模拟数据调制为模拟信号
数字数据编码为数字信号
1. 非归零编码【NRZ】
  
  编码方式：高1低0
  
  编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。
  
  发送端全1或0，接收端都不好识别，需要确定时间周期
  
  不常用
2. 曼彻斯特编码
  
  综合归零编码、非归零编码、反向不归零编码的优缺点而形成的非常优秀的编码
  
  它可以把时钟信号和数据都放在一块，不需要额外的信道传输时钟信号,就可以实现自己本身的同步，即：自同步
  编码方式：
  - 将一个码元分成两个相同的间隔，前一个间隔为低电平后一个为高电平表示码元1；
  - 码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。
  该编码的特点是：在每一个码元的中间出现电平跳变，位于中间的跳变既作为时钟信号（用于同步），
  又作为数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。
3. 差分曼彻斯特编码（常用于局域网传输）
  
  编码方式：同1异0
  
  其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。
  
  该编码的特点是：
  在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码（因为实现算法更复杂）
4. 归零编码【RZ】
  
  编码方式：信号电平在一个码元之内都要回复到零的方式
  
  全零不容易识别
  
  不常用
5. 反向不归零编码【NRZI】
  
  编码方式：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1
  
  发送端全0，接收端容易识别，发送端全1，接收端不好识别
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，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%
  
  只采用16种5位码对应16种不同的4位码，其他的16种5位码作为控制码（帧的开始或结束，线路的状态信息等）或保留。
前三种重点掌握，后三种了解即可
数字数据调制为模拟信号

数据调制技术：
在发送端将数字信号转化为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。
- 2ASK 调幅
  低电平0没有幅动，高电平1有幅动
- 2FSK 调频
  低电平0低频，高电平1高频
- 2PSK 调相
  0对应一种波形，1对应一种波形
- QAM 调幅+调相
  例如：某通信链路的波特率是1200Baud，采用4个相位，每个相位有4种振幅的QAM调制技术，则该链路的信息传输速率是多少?
  解：
```
信号有4 * 4 = 16种变化
信息传输速率 = W * log2（V）= 1200 * 4 = 4800（b/s）
```
模拟数据编码为数字信号
1. 计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化）。
2. 最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM脉码调制)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。
  
  它主要包括三步:抽样、量化、编码。
  1. 抽样
    
    对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成离散的信号。
    
    为了使所得的离散信号能够无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样。
    
    采样定理：（奈奎斯特采样定理）
    f采样频率 >= 2 * f信号最高频率
    （最高分波形上至少采样两个点）
  2. 量化
    
    把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
  3. 编码
    
    把量化的结果转换为与之对应的二进制编码
模拟数据调制为模拟信号
为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

脑图：

2.2.1、物理层传输介质

传输介质及分类
1. 传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路
2. 传输媒体并不是物理层
  
  传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
3. 如果称物理层是傻瓜，那么传输媒体连傻瓜都不如
4. 传输媒体分类
  1. 导向性传输媒体
    
    电磁波被导向沿着固体媒体（铜线/光纤）传播
  2. 非导向性传输媒体
    
    自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。
导向性传输介质
1. 双绞线：是古老、又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。
  
  绞合可以减少相邻导线的电磁干扰。
  
  为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP）
  
  无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线（UTP）。
  
  特点：
  - 双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。
  - 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。
  - 距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号;
  - 对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。
2. 同轴电缆
  
  同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。
  
  按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类:50欧姆同轴电缆和75欧姆同轴电缆。
  
  其中，50欧姆同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用;75欧姆同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。
  
  双绞线和同轴电缆的区别
  
  由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。
3. 光纤
  1. 光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示O。
    
    而可见光的频率大约是10^8MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
  2. 光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲，在接收端用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。
  3. 光纤主要由纤芯(实心的!)和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。
    
    超低损耗，传送超远距离
  4. 分类
    1. 多模光纤
      
      传播过程会有损耗，传播过程中会受到噪声的影响，如果距离过远可能会出现较为严重的失真，适合近距离传输
    2. 单模光纤
      
      单模与多模光纤的比较一根光缆少则只有一根光纤，多则包括十至数百根光纤
  5. 光纤的特点
    1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
    2. 抗雷电和电磁干扰性能好
    3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
    4. 体积小，重量轻
非导向性传输介质
1. 无线电波
  
  信号向所有方向传播
  
  较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（手机通信）
2. 微波
  
  信号固定方向传播
  
  微波通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高
  1. 地面微波接力通信
    
    中继站
  2. 卫星通信
    
    同步卫星起到了中继站的作用
    - 优点
      1. 通信容量大
      2. 距离远
      3. 覆盖广
      4. 广播通信和多址通信
    - 缺点
      1. 传播时延长（250-270ms）
      2. 受气候影响大（eg：强风、太阳黑子爆发）
      3. 误码率较高
      4. 成本高
3. 红外线、激光
  
  信号固定方向传播
  
  把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播。
  (微波不需要转换格式）

脑图：

2.2.2 、物理层设备

中继器
1. 诞生的背景：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将会造成信号失真。
2. 中继器的功能：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。

简而言之：再生数字信号。
3. 中继器的两端：

  1. 两端的网络部分是**网段**，而不是子网，适用于**完全相同的两类网络的互连**，且**两个网段速率要相同**。

  2. 中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误或不适于网段的数据。

  3. **两端可连相同的媒体，也可连不通的媒体**。

  4. 中继器两端的网段一定要是**同一个协议**。（**中继器不会存储转发**）

5-4-3规则：网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。

5个网段，4个网络设备，3个段可以连接计算机
集线器（多口中继器）
1. 再生，放大信号
2. 集线器的功能:对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。
3. 星型拓扑（广播通信）
4. 集线器不能分割冲突域。当有超过两台主机同时发送数据给集线器就会发生信息碰撞，要等待随机一段时间之后在发送数据。当集线器连接的主机数目越来越多的时候，由于产生信息碰撞的概念变大，集线器的工作效率也会降低。连在集线器上的工作主机平分带宽。

2.3 、第二章总结

第三章数据链路层

第三章学习的主要内容是：

链路层的功能
链路层的两种信道
局域网、广域网
链路层的设备

3.1.1、数据链路层功能概述

数据链路层的研究思想：

想象数据是直接从发送端的数据链路层，经过中间系统水平发送到接收端的数据链路层
数据链路层的基本概念
1. 结点：主机、路由器
2. 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。
3. 数据链路：网络中两点之间的逻辑通道，把实际控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成了数据链路。
4. 帧：链路层的协议数据单元，封装网络层的数据报
数据链路层负责通过一条链路从一个节点向另一个物理链路直接相邻的相邻结点传送数据报。
数据链路层功能概述

在物理层提供服务的基础之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结点的目标机网络层。

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1：为网络层提供服务。无确认连接服务，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！）
  - 无确认连接服务：通常用于实时通信或者误码率比较低的通信信道。源主机在发送数据的时候不用事先与目的主机建立好链路的连接，而且目的主机收到数据帧的时候也不用返回确认。如果数据帧丢失了数据链路层也不负责重发，而直接交给上一层处理。（不负责但很快）
  - 有确认无连接服务：通常用于无线通信或者误码率比较高的通信信道。源主机在发送数据的时候不用事先与目的主机建立好链路的连接，但是目的主机收到数据帧的时候需要向源主机返回确认。如果源主机发现在规定时间内没有收到目的主机发送的确认信号，它就把刚才没有收到确认的这个数据帧重新发送，以此来提高数据链路层的可靠性。
  - 有确认面向连接服务：源主机在发送数据的时事先与目的主机建立好链路的连接，目的主机收到数据帧的时也向源主机返回确认。源主机发现确认信号才能发送下一个。（最安全最可靠但速度也是最慢的）
- 功能2：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3：组帧
- 功能4：流量控制，限制发送方
- 功能5：差错控制（帧错/位错）

3.1.2、封装成帧和透明传输

封装成帧
1. 概念：
  
  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，他们的一个重要的作用：帧定界（确定帧的界限）
2. 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。
3. 组帧的四种方法
  1. 字符计数法
  2. 字符（节）填充法
  3. 零比特填充法
  4. 违规编码法
4. 示意图
透明传输

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，必须采取适当的措施，使接收方不会将这样的数据错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。
字符计数法（不常用）

帧首部使用一个计数字段（第一个字节，8位）来表明帧内字符数（字节数）。

痛点：鸡蛋装在一个篮子里。

如果第一个字节（计数字段）是错误的，则后面的帧全部发生错误。这样接收方没有办法正确接收每一个帧。
字符填充法

当传送的帧是由文本文件组成时（文本文件的字符都是从键盘输入的，都是ASCII码），不管从键盘上输入什么字符都可以放在帧里面传过去，即透明传输。

当传送的帧是由非ASCII码的文本文件组成时（二进制代码的程序或图像等），就采用字符填充法实现透明传输。

字符填充法的示意图：
零比特填充法

操作
在发送端，扫描整个信息字段（原始数据），只要连续5个1，就立即填入1个0

即：5”1”，1”0”
在信息字段前后都加上0111110，作为帧的边界
在接收端收到一个帧时，先找到标志字段确定边界，再用硬件对比特流进行扫描。

发现连续5个1时，就把后面的0删除。

保证了透明传输：在传送的比特流中可以传送任意比特组合，而不会引起对帧边界的判断错误。
违规编码法

对于曼彻斯特编码，可以使用高-高，低-低来定帧的起始和终止。

局域网的IEE802标准就采用了该方法。

总结：

由于字节计数法中Count字段（第一个字节）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。

3.1.3 、差错控制（比特错，检错编码，纠错编码）

差错从何而来？

概括来说，传输中的差错都是由于噪声引起的。
1. 全局性：由于线路本身电气特性所产生的的随机噪声（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）
2. 局部性：外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声，产生差错的主要原因。
  
  解决办法：通常利用编码技术来解决。
差错的分类
1. 位错：比特位出错，1变成0,0变成1
2. 帧错：分为三种：丢失，重复，失序
  
  例如：要传输三个帧[#1]-[#2]-[#3]，则：
  - 帧丢失：[#1]-[#3]
  - 帧重复：[#1]-[#2]-[#2]-[#3]
  - 帧失序：[#3]-[#2]-[#1]
  针对这些帧错误，会采用帧编号、确认重传机制等来进行帧的差错控制。
  
  这是过去OSI模型的观点，现在通信链路的质量大大提高，因为通信链路质量不好引起的差错概率越来越小。
  
  现在的因特网会采用较为灵活的方法，针对不同的网络，我们会选择是否采用确认重传机制。
链路层为网络层提供的服务：
1. 无确认无连接服务
2. 有确认无连接服务
3. 有确认面向连接服务
若通信质量好，比如有线传输链路，链路层协议就不会采用确认和重传机制，而且也不要求链路层向网络层提供有效可靠传输的服务（即只有无确认无连接服务），如果发生差错，改错任务会交给上层协议(传输层)。

若通信质量差，比如无线传输链路，链路层协议就会采用确认和重传机制数据链路层就需要向上提供可靠传输的服务（即需要提供有确认无连接服务和有确认面向连接服务）
数据链路层的差错控制（比特错，帧错会在后面讲解）

差错控制：
1. 检错编码
  1. 奇偶校验码
  2. 循环冗余码CRC
2. 纠错编码
  1. 海明码
3. 数据链路层编码和物理层编码的区别
  - 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中是否出现了差错。
奇偶校验码

n-1位信息元，1位校验元
1. 奇校验码
  
  信息元和校验元中，“1”的个数为奇数
2. 偶校验码
  
  信息元和校验元中，“1”的个数为偶数
奇偶校验码特点：只能检查出奇数个比特错误，检错能力为50%
CRC循环冗余码
1. 发送端最终发送的数据：要发送的数据+帧检验序列FCS
  
  计算冗余码（FCS帧检验序列）
  1. 第1步：加0 假设生成多项式G(x)的阶为r，则加r个0（多项式是n位，则阶是n-1位）
    
    加0是为了不改变原发送数据，FSC帧检验直接跟在原发送数据的后面即可
  2. 第2步：模2除法。数据加0后除以多项式，余数就是冗余码FCS。
    
    在除法过程中应该做减法的步骤，在模2除法中替换为异或
2. 接收端检错过程
  
  把接收的每一帧都除以相同的除数（发送端的生成多项式），然后检查得到的除数R
  - 若R==0，判定这个帧没有差错，接受
  - 若R!=0，判断这个帧有差错（无法确认到位），丢弃
3. FCS的生成以及接收端CRC检验都是由硬件实现，处理很迅速，因此不会延误数据的传输。
4. 在数据链路层仅仅使用循环冗余检验CRC差错检测技术，只能做到对帧的无比特差错接收，即“凡是接收端数据链路层接受的帧，我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。
  
  可以认为：“凡是接收端数据链路层接收的帧均无差错”
  
  接收端丢弃的帧虽然曾收到了，但是最终还是因为有差错被丢弃。
5. 但是帧的无差错接受不是可靠传输，CRC循环冗余码只能检验出帧有错误并丢弃，但是不能对错误的帧进行校正。
  
  可靠传输是指：数据链路层发送端发送什么，接收端就收到什么。
海明码
1. 发现双比特错，纠正单比特错
2. 工作原理：牵一发而动全身
3. 工作流程
  1. 确定校验码位数r
    
    海明不等式：2^r >= k+r+1 (r是冗余信息位，k为信息位)
  2. 确认校验码和数据的位置
    
    校验码只能填在2的n次方的位置（包括第一个位置）
    
    原码按顺序插入
  3. 求出校验码的值
    
    首先将数据位从低位到高位按1，2，3…进行编号，然后将编号用二进制表示，记录二进制表示中的第n位为1的数据位，令这些数据位上的上的数据异或=0，则Pn即为所求这些数据位上包括Pn，则公式可以改进为：Pn=这些数据位除了Pn之外异或（原理：相同异或为零）
    
    补充：异或的性质
    1. 任意二进制数与0异或之后是本身
    2. 任意二进制数与1异或之后是取反
    3. 偶数个1异或是0（2 * k个1，即在1的基础上进行2 * k-1次取反操作），
      
      奇数个1异或是1（2 * k+1个1，即在1的基础上进行2 * k次取反操作），
      
      无论0有多少个
  4. 检错并纠错
    
    记录二进制表示中的第n位为1的数据位，求这些数据位上的上的数据异或，则Jn即为所求
    J=JN…J1J2将J转换为十进制JT，即第JT位发生错误
4. 比如：D=101101
  1. 第1步：先求出校验码的位数：2^4=16>=4+6+1,所以校验码为4位
  2. 第2步：按位数分别给校验码、原码编号，原码一共有6位，即编号为：D6 D5 D4 D3 D2 D1
    
    校验码一共有4位，即编号为P4 P3 P2 P1
    
    校验码和原码的位置分配：D6 D5 P4 D4 D3 D2 P3 D1 P2 P1
    
    位置编号 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
    位置二进制编码 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001
  3. 第3步：求P1，D5 D4 D2 D1 P1的位置编码的第一位是1，所以令D5 D4 D2 D1 P1的异或=0，求出P1
    
    Pn的求法同理，先把能求的求出来，最后把之前不能求的再求出来
    
    求得：P1=P2=P3=0，P4=1
  4. 第4步：求得海明码1011100100

脑图：

3.1.4 、流量控制与可靠传输机制

数据链路层的流量控制
1. 较高的发送速度和较低的接收能力的不匹配，会造成传输出错，因此流量控制也是数据链路层的一项重要工作
2. 流量控制在传输层也有
3. 链路层与传输层流量控制的区别：
  1. 数据链路层的流量控制是点对点的，而传输层的流量控制是端到端的。
  2. 数据链路层流量控制的手段：接收方收不下就不回复确认
  3. 传输层流量控制手段：接收端给发送端一个窗口公告
流量控制的方法
1. 停止等待协议（也可以算是一个特殊的滑动窗口协议，这种协议内发送和接收窗口都是1）
  
  每发送完一个帧就停止发送，等待对方的确认，在收到确认后再发送下一个帧。
  
  效率低
  
  发送窗口大小=1，接收窗口大小=1;窗口大小固定
2. 滑动窗口协议
  1. 后退N帧协议（GBN）
    
    发送窗口大小>1，接收窗口大小=1;窗口大小固定
  2. 选择重传协议（SR）
    
    发送窗口大小>1，接收窗口大小>1;窗口大小固定
可靠传输、滑动窗口、流量控制概念解析
1. 可靠传输：发送端发啥，接收端收啥
2. 流量控制：控制发送速率，使接收方有足够的换种空间来接收每一帧。
3. 滑动窗口是解决流量控制（收不下就不给确认，想发也发不了）和可靠传输（发送方自动重传）的方式

3.1.4.1、停止-等待协议

停止-等待协议究竟是哪一层？

在早期的计算机网络中，由于通信链路质量差，出现差错比较多，为了提高传输效率，数据链路层应该承担一部分可靠传输的任务，把停止-等待协议放在了数据链路层。

在现在的计算机网络中，通信链路质量大大提高，出现差错的情况很少，不用承担可靠传输的任务，提高了通信速度，降低了延迟。

把停止-等待协议放在了传输层，链路层则主要负责差错控制。
为什么要有停止-等待协议？
1. 除了比特出差错，底层信道还会出现丢包问题
  
  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
  （数据包其实就是一个数据，在数据链路层叫帧，在网络层就叫IP数据报或者分组，在传输层也可以叫报文段）
2. 为了解决丢包问题（可靠控制）和流量控制就出现了停止-等待协议
研究停止等待协议的前提？
1. 虽然现在常用全双工通信方式，但为了讨论问题方便，仅考虑一方发送数据（发送方），一方接收数据（接收方）
2. 因为是在讨论可靠传输的原理，所以并不考虑数据是在哪一层次上传送的
3. “停止-等待”就是每发送完一个分组就停止发送没等待对方确认，在收到确认后再发送下一个分组。
停止等待协议有几种应用情况？
1. 无差错情况
2. 有差错情况
  1. 数据帧丢失和检测到帧出错
    1. 超时计时器：每发送一个帧就启动一个计时器
    2. 如果在计时器到期之前收到了确认帧，则计时器终止。
      
      如果计时器到期了还没有收到确认帧，则发送方会重新发送没收到确认帧的数据帧
    3. 超时计时器设置的重传时间应当比帧传输的平均RTT（往返传播时延）更长一些
    4. 注意事项
      1. 发送完一个帧后，必须保留它的副本。
      2. 数据帧和确认帧必须编号
  2. ACK丢失（确认帧丢失）
    
    发送方超时计时器到期后没有收到确认帧，发送方重传数据帧
    
    接收方收到了重复的数据帧，丢弃重复的数据帧，并重传确认帧
  3. ACK迟到（确认帧迟到）
    
    超时还没收到确认帧则重传数据帧，接收方收到了重复的数据帧，并丢弃重复的数据帧
    
    发送方之后在等待另一个确认帧时，收到了迟到的确认帧，会不对迟到的数据帧做处理
停止-等待协议性能分析
1. 优点：简单
2. 缺点：信道利用率太低
  
  信道利用率：发送方在一个发送周期内，有效地发送数据所需要的时间占整个发送周期的比率信道利用率 = （L/C）/ T
  - L：T内发送L比特数据
  - C：发送方数据传输率
  - T：发送周期，从发送数据开始，到收到第一个确认帧为止（一般包括发送时间和RTT，接收数据帧的时间可以忽略）
  信道吞吐率 = 信道利用率 * 发送方的发送速率
例题：

脑图：

3.1.4.2 、后退N帧协议（GBN）

停止等待协议的弊端：信道利用率太低，太闲了。

采用流水线技术对停止-等待协议（一个数据帧跟着数据帧发送）进行改进。

使用流水线技术后：

必须增加数据帧序号的范围
发送方需要缓存多个分组

所以出现了后退N帧协议（GBN）和选择重传协议（SR）

后退N帧协议中的滑动窗口

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。

在后退N帧协议中，接收窗口只有一个

在选择重传协议中，接收窗口有多个
后退N帧协议执行过程
1. GBN发送方必须响应的三件事
  1. 上层(网络层)的调用
    
    上层要发送数据时，发送方先检查发送窗口是否已满，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。）
  2. 收到了一个ACK
    
    GBN协议中，对n号帧的确认采用累计确认的方式，标明接收方已经收到n号帧和它之前的全部帧。
    
    累计确认：例如：接收方返回了一个对于3号帧的确认帧，而数据帧的编号也是从0号开始的（0/1/2/3/4/….）。如果接收方将一个3号帧对应的确认帧给发送方。发送方就知道接收方已经接收到3号帧以及3号帧以前的所有的帧（0/1/2帧）。也就是说0到3号帧接收方已经完全接收了。这就是累积确认方式。
    
    也就是说，在GBN协议当中，接收方不用对于每一个数据帧都逐个返回一个对应的确认帧。他可以隔一会在发送一个确认帧。它这个确认帧就是想告诉发送方：包括这个帧，以及这个帧以前的所有帧，它都已经全部正确接收了。
  3. 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。
2. GBN接收方要做的事
  
  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: expectedseqnum(下一个按序接收的帧序号）。
  
  即：接收方很专一，如果没有接收到对应帧的到来，后面的帧即使到了也会被丢弃
3. 示意图
滑动窗口长度可以无限长吗？

若采用n个比特对帧编号，那么发送窗口的尺寸WT,应满足：1 <= W <= 2^n-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（新帧与旧帧的帧编号相同）。
GBN协议重点总结
1. 累计确认（偶尔捎带确认，接收方把确认帧放在了接收方要发给发送方的数据里）
2. 接收方只按顺序接收帧，不按序无情丢弃
3. 确认序列号最大的，按序到达的帧
4. 发送窗口最大为2^n-1，接收窗口大小为1
例题：
GBN协议性能分析
1. 优点：因连续发送数据帧而提高了信道利用率
2. 缺点：在重传时，必须把原来已经正确传送的数据帧重传，使得传送效率降低
  
  选择重传协议可以解决这个缺点

脑图：

3.1.4.3 、选择重传协议（SR）

GBN协议的弊端：累计确认—>批量重传。

可不可以只重传出错的帧？

解决办法：设置单个确认，同时加大接收窗口，设置接收缓存，缓存乱序到达的帧。

选择重传协议中的滑动窗口示意图
SR发送方必须响应的三件事
1. 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。
2. 收到了一个ACK
  
  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白内的未发送帧，则发送这些帧。
3. 超时事件
  
  每一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。
  
  哪个帧的超时器超时，则重传哪个帧
SR接收方要做的事情
1. 窗口内的帧来者不拒
2. 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【收谁就确认谁】，直到失序前面所有帧（即序号更小的帧）皆被接收到为止，这时才可以将一批帧按序交付给上层，然后向前滑动窗口。
3. 如果收到了窗口序号外（小于窗口下界）的帧，就返回一个ACK
4. 其他情况就忽略该帧
SR协议运行过程示意图
滑动窗口长度可以无限长吗？
1. 发送窗口大小最好等于接收窗口（大了会溢出，小了没意义）
2. WTmax=WRmax=2^(n-1)
SR协议重点总结
1. 对数据帧逐一确认，收一个确认一个
2. 只重传出错帧
3. 接收方有缓存
4. WTmax=WRmax=2^(n-1)

例题:

脑图：

3.2.1 、信道划分介质访问控制

传输数据使用的两种链路
1. 点对点链路
  
  两个相邻节点通过一个链路相连，没有第三者。
  
  应用：PPP协议，常用于广域网。
2. 广播式链路
  
  所有主机共享通信介质。
  
  应用：早期的总线以太网、无线局域网，常用于局域网
  
  典型拓扑结构：总线型、星型（逻辑总线型）
介质访问控制

介质访问控制的内容就是，采取一定的措施，使得两对界限之间的通信不会发生相互干扰的情况

介质访问控制分类
1. 静态划分信道，即信道划分介质访问控制（C!WTF）
  1. 频分多路复用FDM（frequency）
  2. 时分多路复用TDM（time）
  3. 波分多路复用WDM（wave）
  4. 码分多路复用CDM（code）
2. 动态分配信道
  1. 轮询访问介质访问控制
    
    令牌传递协议
  2. 随机访问介质访问控制
    1. ALOHA协议
    2. CSMA协议
    3. CSMA/CD协议（重要）
    4. CSMA/CA协议（重要）
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
1. 多路复用技术
  
  把多个信号组合放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
  
  把一条广播信道，逻辑上分成几条用于两个节点之间通信的互不干扰的子信道，实际就是把广播信道转变为点对点信道。
  
  图示：
2. 静态划分信道（信道划分介质访问控制）
  1. 频分多路复用FDM
    1. 概念：
      
      用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。
      
      频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽（频率带宽）资源。
    2. 优点：充分利用传输介质带宽，系统效率更高；由于技术比较成熟，实现也比较容易。
  2. 时分多路复用TDM
    1. 概念：
      
      将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。
      
      每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙，所有用户轮流占用信道。
      
      TDM帧与数据链路层的帧不同，TDM帧是在物理层传送的比特流所划分的帧，标志一个周期(cpu的时间片轮转)。
    这一个周期对应的是在一个周期内可以发送多少个比特。
    1. 频分复用——“并行”
      
      时分复用——“并发”
    2. 改进的时分复用——统计时分复用STDM(增加了信道的利用率)
  3. 波分多路复用WDM
    
    概念：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。
  4. 码分多路复用CDM
    
    注意：码分多址（CDMA）是码分复用的一种方式，注意与码分多路复用区分
    1. 概念：
      把1个比特分为多个码片/芯片（chip），每一个站点被指定一个唯一的m位（m位通常是128位或64位）的芯片序列发送1时，站点发送送芯片序列，发送0时发送芯片序列的反码（在芯片序列中，把0写成-1，正交的码片，CDM原理是利用向量正交为0）
    2. 如何不打架：多个站点同时发送数据的时候，要求各个站点芯片序列相互正交（规格内积化是0）
      
      规格内积化：将对应的各位相乘，然后相加，最后在除于总的位数。
    3. 如何合并：各路数据在信道中被线性相加（对应的各个位进行相加）
    4. 如何分离：合并数据和原站（芯片序列）规格化内积

3.2.2 、随机访问介质访问控制

动态分配信道，也叫动态媒体接入控制/多点接入。

特点：信道并非在用户通信时固定分配给用户。

随机访问介质访问控制：所有用户可以随机发送信息，发送信息时占全部带宽。（不协调 =》冲突 =》协议解决）

ALOHA协议不听就说
CSMA协议先听再说
CSMA/CD协议（重要）先听再说，边听边说
CSMA/CA协议（重要）

1、ALOHA协议

ALOHA协议（非重点）

纯ALOHA协议
1. 思想：不监听信道，不按时间槽发送，随机重发。（想发就发）
  
  其中T0规定的是一个数据帧的长度。（一般一个数据帧的长度都是用比特来衡量，这里用T0衡量是什么意思呢？）T0指的是这样一个数据帧的发送时间。这里面的发送时间既包括传输时间，也包括传播时间。也就是一个数据帧从刚开始发送到发送成功为止的这样一段时间就叫做T0。
2. 冲突如何检测？
  
  如果发生冲突，接收方就会检测出差错，然后发送否定确认帧或者不发送确认帧，发送方在一定时间内收不到确认帧就判断冲突。
3. 冲突如何解决？
  
  超时后等一随机时间再重传。
时隙ALOHA协议

思想：把时间分成若干个相同的时间片（T0，也可以叫做时间槽），所有用户的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）

主要特点：
- 每一个站点在发送帧的时候，只能在一个时间片/时间槽的开始来发送
- 若站点当前想要发送数据帧，但是还没到一个时间片的开始，那么站点就会等待一个时间片的到来之后在进行发送
- 如果数据帧在发送过程中发生碰撞，那么这个结点就会在时隙结束之后，也就是经过一个T0之后，发送方发现了这样一个碰撞（接收方没有返回一个确认帧），发送方就判定数据在发送过程中发生了冲突。于是发送方进行超时重传。
- 发送方进行超时重传是依旧遵循之前的协议。在一个时隙（时间片）开始的时候来重传数据帧
关于ALOHA协要知道的事
1. 纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低，效率更低
2. 纯ALOHA想发就发，时隙ALOHA只有在时间片段开始时才能发
3. 不冲突概率=p(1-p)^2(N-1) = 1/2e，而时隙ALOHA只考虑一个时隙开始时，所以时隙ALOHA的效率是纯ALOHA效率的两倍

2、CSMA协议

名词详解

载波监听多路访问协议CSMA（carrier sense multiple access）
- CS：载波侦听/监听，每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。
  - 如何监听？
    
    当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加)。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞，即发生了冲突。
- MA：多点接入，表示许多计算以多点接入的方式连接在一根总线上
协议思想：发送帧之前，监听信道

监听结果：
1. 信道空闲：发送完整数据帧
2. 信道忙：推迟发送
  - 1-坚持CSMA
  - 非坚持CSMA
  - P坚持CSMA
1-坚持CSMA
- 坚持是指：对于监听信道忙之后的坚持。
- 1-坚持CSMA思想：
  
  如果一个主机要发送信息，那么它先监听信道。
  - 监听结果空闲，则不必等待直接发送
  - 监听结果为忙，则一直监听，直到空闲马上传输
  - 如果有冲突（一段时间内未收到肯定回复），则等待一个随机长的时间再监听（等待随机长的时间这一点与ALOHA协议类似，后同），重复上述过程。
- 优点：只要媒体空闲，站点就马上发送，避免了媒体利用率的丢失
- 缺点：假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免
  
  比如这多个站点全部采用1-坚持CSMA，则一检测到信道空闲，就会同时发送信息，就会发生冲突。
非坚持CSMA
1. 非坚持CSMA思想：
  
  如果一个主机要发送信息，那么它先监听信道。
  - 监听结果空闲，则不必等待直接发送
  - 监听结果为忙，则等待以后随机时间之后再进行监听。
2. 优点：采用随机的重发延迟时间，可以减少冲突发生的可能性
3. 缺点：可能存在大家都在延迟等待过程中，使得媒体仍可能处于空闲状态，媒体使用率低。
P-坚持CSMA
1. P-坚持是指：对于监听信道空闲的处理。
2. P-坚持CSMA的思想
  
  如果一个主机要发送信息，那么它先监听信道。
  - 空闲则以p概率直接传输，不必等待;概率1-p等待到下一个时间槽再传输。
  - 忙则等待下一个时隙开始才监听，故叫做持续监听，重复上述过程
3. 优点：既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间。
4. 缺点：发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完，造成了浪费（这是所有CSMA的缺点，1-坚持、非坚持、P-坚持CSMA都有的缺点）
三种CSMA的对比（注意P-坚持CSMA不太一样）：

3、CSMA/CD协议（重要）

大体思想：边发送数据，边监听信道，如果发生冲突就停止发送数据
名词详解

载波监听多点接入/CD（也叫碰撞检测CSMA）（carrier sense multiple access with collision detection）

CS：载波侦听/监听，每一个站点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。

与CSMA不同的是：CSMA/CD在发送数据时也会监听信道

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”，应用于适配器边发送数据，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。

应用于：半双工网络

主要应用于总线式以太网
为什么先监听后发送还会产生冲突？

因为：电磁波在总线上总是以有限的速率传播的。

传播时延对载波监听的影响：

假设：单程端到端传播时延：t 最迟多久才能知道自己发送的数据没和别人碰撞？

最多是两倍的总线到端的传播时延（2 * t），即总线的端到端的往返传播时延（2 * t）

只要经过2 * t时间还没有检测到碰撞，就能肯定这次发送不会发生碰撞。
如何确定碰撞后的重传时机？

如果检测到碰撞立即重发会导致恶性循环：

截断二进制指数规避算法
1. 确定基本退避（推迟）时间为争用期2t
2. 定义参数k,它等于重传次数，但k不超过10，即k=min[重传次数，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就不再增大而一直等于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2 * r * t。
4. 当重传达16次（最大重传次数）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。
  
  截断二进制指数规避算法使用示例
例题：
最小帧长问题：

A站发了一个很短的帧，但是发生了碰撞，不过帧在发送完毕后才检测出发生碰撞，没法停止发送。为了使CSMA/CD协议有意义，要定义一个最小帧长。

帧的传输时延至少要两倍于信号在总线中的传播时延

帧的传输时延 = 帧长（bit）/ 数据传输率 >= 2 * 总线传播时延

即：最小帧长 = 2 * 总线传播时延 * 数据传输速率 = 2 * t * 数据传输速率

补充：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。因此，以太网为了达到这个最小帧长，对于一个比较短的帧，它会对它进行一个填充操作，使它的帧长大于等于64B，然后才能将它放到链路上进行发送。

脑图：

4、CSMA/CA协议（重要）

CA：对碰撞的避免

CD：对碰撞的检测

名词解释
1. 载波监听多点接入/CA（碰撞避免CSMA，不能检测碰撞）（carrier sense multiple access with collision avoidance）
2. 为什么要有CSMA/CA？
  
  主要是因为：CA主要应用于无线局域网
  1. 在无线局域网中无法使用CD协议，不能做到360度全面检测碰撞
    - CD主要应用于总线式以太网
  2. 隐蔽站问题，当A和C都检测不到信号，认为信道空闲时，同时向终端B发送数据帧，就会发生冲突。
    
    C相对于A就是隐蔽站
3. 有礼貌的CSMA/CA：不光是先听后发，在听了之后，发送数据之前会等一小段时间。
CSMA/CA工作原理

发送数据之前，先检测信道是否空闲。

若空闲则发出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；RTS可发可不发，发RTS是为了解决隐蔽站的问题。

若信道忙，则等待。接收端收到RTS后，将响应CTS（clear to send）

RTS和CTS就是用来解决隐蔽站的问题：
- 发送端收到CTS后，开始发送数据帧（同时开始预约信道：发送方告知其他站点自己要传多久数据）
- 接收端收到数据帧后，将用CRC（CRC循环冗余检验）来检验数据是否正确，正确则响应ACK帧
- 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
  
  （这里跟CD协议一样，采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间。）
三个机制实现碰撞避免
1. 预约信道
2. ACK帧
3. RTS/CTS帧（可选，主要是解决隐蔽站的问题）
CD和CA协议的比较
- 相同点：
  
  CD和CA机制都从属于CDMA的思路，其核心就是先听再说。
  
  换言之，两个在接入信道前都要进行监听。当发现信道空闲后，才能进行接入。
- 不同点：
  1. 传输介质不同
    - CD用于总线式以太网【有线】
    - CA用于无线局域网【无线】
  2. 载波检测方式不同
    - 应传输介质不同，CD和CA的检测方式也不同。
    - 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；
    - CA采用能量检测（ED）、载波检测（CS）和能量载波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，两者出现冲突后都会进行有上限的重传。

3.2.3 、轮询访问介质访问控制

信道划分介质访问控制（MAC Multiple Access Control）协议：

基于多路复用技术划分资源
网络负载重时，共享信道效率高，且公平
网络负载轻时：共享信道效率低

随机访问MAC协议：

用户根据意愿随机发送信息，发送信息时可独占信道带宽
网络负载重时，产生冲突开销
网络负载轻时，共享信道效率高，单个结点可利用信道全部带宽

轮询访问MAC协议/轮流协议/轮转访问MAC协议：

综合信道划分介质访问控制协议和随机访问MAC协议，既不产生冲突，也要发送时占用全部带宽

轮询协议

主结点轮流“邀请”从属结点发送数据

问题：
1. 轮询开销
2. 靠后结点有等待延迟
3. 单点故障：主结点发生故障
令牌传递协议（重要）

主机

TCU（转发器）

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。

每一个结点都可以在一定的时间内（令牌持有时间内）获得发送数据的权利，并不是无限制地持有令牌

问题：

令牌开销
等待延迟
单点故障（一个主机宕机后，线路故障）

通常应用于令牌环网（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。

介质访问控制总结：

3.3.1 、局域网基本概念和体系结构

局域网（LAN，Local Area Network）

概念：是指某一区域内由多台计算机互连成的计算机组，使用广播信道
特点
1. 覆盖地理范围小，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。
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）
3. 通信延迟时间短，误码率低，可靠性高
4. 各站点为平等关系，共享传输信道
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，传播介质与介质访问控制方法
1. 局域网的网络拓扑
  1. 星型拓扑
    
    中心节点是控制中心，任意两个节点间的通信最多只需两步，传输速度快，并且网络构形简单、建网容易、便于控制和管理。但这种网络系统，网络可靠性低，网络共享能力差，有单点故障问题。
  2. 总线型拓扑（常用）
    
    网络可靠性高、网络节点间响应速度快、共享资源能力强、设备投入量少、成本低、安装使用方便，当某个工作站节点出现故障时，对整个网络系统影响小。
  3. 环形拓扑
    
    系统中通信设备和线路比较节省。有单点故障问题；由于环路是封闭的，所以不便于扩充，系统响应延时长，且信息传输效率相对较低。
  4. 树形拓扑
    
    易于拓展，易于隔离故障，也容易有单点故障。
2. 局域网传输介质
  1. 有线局域网常用介质：双绞线、同轴电缆、光纤
  2. 无线局域网常用介质：电磁波
3. 局域网介质访问控制方法
  1. CSMA/CD 常用于总线型局域网，也用于树型网络
  2. 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一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。
  3. 令牌环用于环形局域网，如令牌环网
    - 逻辑拓扑：环型（逻辑拓扑主要受通信思想的制约）
    - 物理拓扑：星型（物理拓扑主要受限制的制约）
局域网的分类
1. 以太网
  
  以太网是应用最广泛的局域网，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IEEE 802.3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
2. 令牌环网
  
  造价高，不是很实用，已是明日黄花
  
  物理拓扑星型，逻辑拓扑环型
3. FDDI网（Fiber Distributed Data Interface）（了解）
  
  用的很少
  
  物理双环拓扑，逻辑环型拓扑
4. ATM网（Asynchronous Transfer Mode）（了解）
  
  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
5. 无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）
  
  采用IEEE 802.11标准
IEEE 802标准

IEEE802系列标准是IEEE802LAN/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、令牌环网、无线局域网。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。
1. IEEE802.3标准
  
  以太网介质访问控制协议及物理层技术规范
2. IEEE802.5标准
  
  令牌环网的介质访问控制协议及物理层技术规范
3. IEEE802.8标准
  
  光纤技术咨询组，提供有关光纤联网的技术咨询（FDDI网）
4. 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

IEEE802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层和物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层、介质访问控制MAC子层。
1. 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。
2. 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。

脑图

3.3.2、以太网概述

概念

以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带总线局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术。
以太网在局域网各种技术中占统治地位
1. 造价低廉（以太网网卡不到100块）
2. 是应用最广泛的局域网技术
3. 比令牌环网、ATM网便宜，简单
4. 满足网络速率的要求，10Mbps-10Gbps
以太网的两个标准
1. DIX Ethernet V2：第一个局域网产品（以太网）规约。
2. IEEE802.3：IEEE802委员会802.3工作组制定的第一个IEEE的以太网标准
这两个标准的区别不大，只是在帧的格式上有两个字节的差异，
因此只要满足两个标准中的一个都叫以太网，以太网也叫802.3局域网
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受，不实现可靠传输。
以太网传输介质和拓扑结构的发展
- 传输介质：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
  - 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CSMA/CD协议
- 以太网拓扑：逻辑上总线型，物理上星型
10BASE-T以太网
- 10BASE-T是传送基带信号的双绞线以太网，T表示采用双绞线，现10BASE-T采用的是无屏蔽双绞线(UTP），传输速率是10Mb/s。
- 物理上采用星型拓扑、逻辑上总线型，每段双绞线最长100m
- 采用曼彻斯特编码
- 采用CSMA/CD介质访问控制
适配器与MAC地址
- 计算机与外界有局域网的连接是通过通信适配器的。
  - 网络接口板
  - 网络接口卡NIC（network interface card），现在不再使用网卡
  - 适配器上装有处理器和存储器（包括RAM和ROM）
  - ROM上有计算机硬件地址MAC地址
- 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：每个适配器由全球唯一的二进制地址，前24位代表厂家（有IEEE规定），后24位厂家自己指定。常用6个十六进制数表示。即：这个是12个16进制数决定，前六位是厂家，后六位是各个网络制造商自己规定的。如02-60-8c-e4-b1-21
以太网MAC帧
- 最常用的MAC帧是以太网V2的格式
  - 目的地址有三种情况
    - 单播地址，一个专有的MAC地址。传播给固定主机
    - 广播地址：8B的前导码全”1”（二进制）,或者全”F”（十六进制）。会发生给所有主机
    - 多播地址
- 与IEE 802.3的区别：
  1. 第三个字段是长度/类型
  2. 当长度/类型字段值小于0x0600时，数据字段必须装入LLC子层。
高速以太网
1. 100BASE-T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IEEE802.3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（不使用CSMA/CD协议）。
    - 全双工（交换机可以隔离冲突域，每一个交换机的端口都是一个冲突域，一个主机在一个冲突域当中不存在冲突）
2. 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。
3. 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

脑图

3.3.3、无线局域网

IEEE802.11是无线局与通信用的标准，它是由IEEE所定义的无线通信的标准

wifi是WLAN的一种应用，WLAN可以比较大。

802.11的MAC帧头格式

总结一下：

IBSS就是一个服务集内的移动站点不通过基站的直接通信
To AP 就是服务集内的移动站点向基站的通信
From AP 就是服务集内基站向移动站的通信
WDS就是不同服务集内的两个移动站之间的通信（漫游）

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

3.3.4、PPP协议和HDLC协议

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。

广域网强调资源共享，局域网强调数据传输

PPP协议：
1. 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是用PPP协议
  - 只支持全双工链路
2. 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，无需流量传输
  - 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，异步/同步，光/电
  - 差错检测 错就丢弃
  - 检测连接状态 链路是否正常
  - 最大传送单元 数据部分最大长度MTU(默认不超过1500B)
  - 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
3. PPP协议无需满足的要求：（纠流编多）
  - 纠错
  - 流量控制
  - 对帧编序号
  - 不支持多点线路
4. PPP协议的三个组成部分：
  1. 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。（物理连接）
    - 应用：身份验证
  3. 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（逻辑连接）
5. PPP协议的状态图
6. PPP协议的帧格式
  - 帧格式是什么东西?
  - 还有MAC帧格式（以字节为单位）（7E\7D）
HDLC协议

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(SynchronousData Link Control)协议扩展开发而成的。

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

采用全双工通信

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。

HDLC的站：主站、从站、复合站
1. 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。
2. 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。
3. 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。
HDLC的三种数据操作方式：
1. 正常响应方式
  
  从站发送消息要经过主站的同意，主站命令从站发送数据，从站才可以发送数据
2. 异步平衡方式
  
  每一个复合站都可以对其他站的数据传输，每个站都是平等的地位
3. 异步响应方式
  
  从站可以不经过主站的同意就进行数据的传输
HDLC的帧格式：

对于地址A：取决于当前选择的数据操作方式
- 正常响应方式/异步响应方式：从站的地址
- 异步平衡方式：对应站（应答站），也就是对方的地址
对于控制C：决定了HDLC帧的类型（无奸细）
- 信息帧(I)**：第1位为0，用来传输数据信息，或使用捎带技术对数据进行确认**;
- 监督帧(S)**：10**, 用于流量控制和差错控制，执行对信息帧的确认、请求重发和请求暂停发送等功能
- 无编号帧(U)**：11**, 用于提供对链路的建立、拆除等多种控制功能。
PPP协议 & HDLC协议

相同点：
- HDLC、PPP只支持全双工链路
- 都可以实现差错检测，但不纠正差错
- 都可以实现透明传输
  - 关于透明传输的一点小差别：
    - PPP协议既可以实现0比特填充的比特型的填充方法，也可以实现字节填充的方法
    - HDLC协议只能实现0比特填充的比特型的填充方法
区别：

PPP协议面向字节 2B协议字段无序号和确认机制不可靠

HDLC协议 面向比特 没有 有编号和确认机制 可靠