文件名称:
2.数据链路层.md
所在目录:
计算机网络CN25'
文件大小:
33.26 KB
下载地址:
文本预览:
# 数据链路层
[toc]
交换机
帧：数据链路层的协议**数据单元**，封装网络层数据报。
链路（link）：网络中两个结点之间的物理通道。传输介质有双绞线、光纤、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的协议的硬件、软件加到链路上构成数据链路。而现在最常用的方法是使用**网络适配器**（既有硬件也有软件）来实现协议。就是：**网卡作用：物理link-->逻辑link**
链路层不用做到可靠传输，因为还有IP层，所以链路层的帧，不需要纠错、序号、流量控制
# 一、功能
## 为网络层提供服务
| 类 型 | 含义 | 例 子 |
| --------------------------- | ------------------------------------------------------------ | ---------------------------- |
| 无确认无连接服务 | 源主机在发送数据时不用与目的主机建立连接。目的主机收到也不需要返回确认。帧丢失了数据链路层也不需重发，直接交给上一层处理。 | 误码率低的通信信道，实时通信 |
| 有确认无连接服务 | 源主机在发送数据时不用与目的主机建立连接。目的主机收到**需要**返回确认，若源主机在规定时间内没有收到确认信号，则把没有收到确认的帧重新发送。 | 误码率高的通信信道，无线通信 |
| 有确认面向连接的服务 | 源主机在发送数据时**需要**与目的主机建立连接。目的主机收到**需要**返回确认。 | |
## 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: 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。
MTU（最大数据单元）：帧的数据部分长度上限。
**透明传输**（不管内容，直接传）
为了防止错误的找到帧的边界，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。
### 字符计数法
帧首部使用一个计数字段（第一个字节，8位）来标明帧内字符数。
这种方法缺点过于明显，一步错步步错，所以不常用。
### 字符填充法
使用SOH、EOT（控制字符名称）作为帧的开头、结束。
1. 当传送的帧都是由文本文件组成时（由键盘输入，都是ascii码），无论输入什么字符都可以实现**透明传输**）
2. 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者图像），就需要用字符填充方法（在发送端填充**转义字符**ESC（0x7D），在接收端去掉）实现透明传输。字符填充法流程：
实际：
1. 出现0x7**E**时，转换成2字节序列0x7D, 0x5**E**
2. 出现0x7**D**（ESC）时，转换成2字节序列0x7D, 0x5**D**
### 零比特填充法HDLC
首部和尾部的标识符一样，当传输内容中出现和标识符一样的内容时，操作：
### 违规编码法
用编码中不会用到的编码方式作为开始结束。以曼彻斯特编码为例：
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**比特填充法**和**违规编码法**。
## 2.差错检测
简单来说，传输中的差错是由噪声引起的。
- 随机噪声：线路本身的电气特性造成，信道固有的。所以我们提高**信噪比**来避免干扰。
- 冲击噪声：外界特定的短暂的原因造成，也是产生差错的**主要原因**。
差错分类
- 位错：比特位出错，1变成0，0变成1.
- 帧错[#1]-[#2]-[#3]（下面3种都是出现**传输差错**，但不是**比特差错**）
- 丢失：数据中某一帧丢掉了[#1]-[#3]
- 重复：某一帧重发发送了一次[#1]-[#2]-[#2]-[#3]
- 失序：接收端收到的顺序变了[#1]-[#3]-[#2]
误码率BER（Bit Error Rate）：传输错误的的比特占传输比特总数的比率。
bit错,差错控制
- **检错**编码：只是发现有错误。
- 奇偶校验码
- **循环冗余码CRC**
- **纠错**编码：不仅能发现错误，还能知道是哪一个地方发生错误。
- 海明码
在数据传输中检测差错的3种技术：
### 奇偶校验
**前面**加校验元1/0。
假设，要发送的信息 D 有 d 个比特。
在偶校验方案中，发送方只需包含一个附加的比特，选择附加比特的值，使得这 d+1 个比特（初始信息加上一个校验比特）中 **1 的总数是偶数**。
接收方的操作也很简单。接收方只需要数一数接收的 d+1 比特中 1 的个数。
如果发现了奇数个值为 1 的比特，接收方知道了至少出现了一个比特差错。更确切的说法是，出现了奇数个差错比特。但是如果出现了偶数个比特差错，显然这种方法无法检测这种错误。
二维单比特奇偶校验方案中，D 中的 d 个比特被划分为 i 行 j 列。对每行和每列计算奇偶值。产生的 i+j+1 奇偶比特构成了链路层帧的差错检测比特。这种方法可以检测和纠正 1 比特的错误。
>如发了一串数10101101
>
>- 采用奇校验，奇数个1，前面补0，（偶数个1，前面补1）010101101，
>- 采用偶校验，奇数个1，前面补1，（偶数个1，前面补0）
>
>判断发送是否正确，数数1的个数
### 校验和
在 TCP 和 UDP 协议中，对所有字段(包括首部和数据字段)都计算校验和。
IP 协议只对头部计算校验和。
### 循环冗余检测CRC
在数据发送之前，按照某种关系附加上一定的冗余码，构成一个符合某一个规则的码字之后再发送。当发送的数据发生变化时，冗余码也发生变化，使其不再遵守规则。接收端通过检验是否符合规则判断是否出错。
CRC 编码也称为**多项式编码**，因为该编码将要发送的比特串看作是系数为 0 和 1 的一个 多项式，对比特串的操作被解释为多项式运算。
如，发送端：
| 要传的数据 | | 生成多项式 | | 冗余码/帧检验序列FCS |
| ---------- | ---- | ---------- | ---------- | -------------------- |
| 5 | % | 2 | = 2 ...... | 1 |
5%2=2...1
最终发送的数据是，**要发送的数据**+**真检测序列FCS**。这里就是5+1=6
接收端：
6%2=3...0（余数是0，判定无错，就接受）
**计算冗余码FCS步骤**：
1. 在要传的数据后加0。
2. 模2除法。
3. 最终发送的数据：要发送的数据+FCS。
- 如果余数为0，判定这个帧没有差错。（接受）
- 如果余数不为0，判定这个帧有差错。（丢弃）
FCS的生成以及接收端CRC检验都是由**硬件实现**的，处理很迅速，不会产生延迟数据。
**只使用CRC**：凡是接收端数据链路层接受的帧均无差错。能够实现无比特差错的传输，但不是可靠传输（因为错误的帧丢弃了，接收端并没有收到）。
**可靠传输**：数据链路层发什么，接收端就接收什么。
### 海明码
可以发现**双**比特错，但是只能纠正**单**比特错。
工作原理：动一发而牵全身
工作流程：
1. 确认校验码位数R
2. 确定校验码和数据的位置
3. 求出校验码的值
4. 检错并纠错
海明不等式：
$$
2^r \ge k+r+1
$$
r：冗余信息位（校验码位数）
k：信息位（原始数据的位数）
> 例子：数据D=101101
> ∴ 数据位数k=6
> ∵ 海明不等式
> ∴ 满足不等式的最小r=4
> ∴ D的海明码应该有6+4=10位
> 其中原数据6位，效验码4位
校验码是插入原数据之中的，而且，只能放在**2的几次方的位置**
设4位效验码依次是p1, p2, p3, p4，则它们放在
| 位数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| -------------- | -------- | ------ | -------- | ------ | -------- | ---- | -------- | ------ | -------- | ---- |
| 位数的二进制 | 000**1** | 0010 | 001**1** | 0100 | 010**1** | 0110 | 011**1** | 1000 | 100**1** | 1010 |
| 代码 | **p1** | **p2** | d1 | **p3** | d2 | d3 | d4 | **p4** | d5 | d6 |
| 实际值（内容） | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 原数据 | | | 0 | | 0 | 1 | 1 | | 0 | 1 |
一个校验码可以校验多位数据：
p1的二进制位1在末尾（在上图标黑），所以它可以效验1在末尾的数据。
求p1：p1的值要满足，**要校验的所有数据中第一位是1的数据值异或（不同为1）为0**：**p1⊕d1⊕d2⊕d4⊕d5=0**。
将代码对应的实际值代入，得到p1=0
同理，p2的1在第二位，p2⊕d1⊕d3⊕d4⊕d6=0，p2=0。
p3=0，p4=1。
所以，D=101101的海明码就是0010011101。
当接收方收到时候，就会重复上述异或过程，就会检查出那个比特出错了。
## 3.链路管理
连接的建立、维持、释放（用于面向连接服务）
| 链 路 | 介绍 | 应用 | 典型拓扑结构 |
| --------------- | ---------------------------------------------- | ---------------------------------- | -------------------------- |
| 点对点链路 | 两个相邻的节点通过一个链路进行相连，没有第三者 | PPP协议、广域网 | |
| 广播式链路 | 所有主机共享通信介质 | 早期总线以太网、无线局域网，对讲机 | 总线型、星型（逻辑总线型） |
### 介质访问控制
使得广播式的两个节点之间的通信不会受到其他的干扰
- 静态划分信道（信道划分介质访问控制）
- 频分多路复用FDM
- 时分多路复用TDM
- 统计时分复用STDM
- 波分多路复用WDM
- 码分多路复用CDM
- **码分多址CDMA**
- 动态划分信道
所有的用户都可以发送信息，发送信息时占用全部带宽
#### 轮询访问介质访问控制
令牌传递协议
令牌：一种特殊格式的MAC控制帧，不包含任何信息。控制信道使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道。
问题：
1. 令牌开销：令牌没有了就再产生一个。
2. 等待延迟：C想要发送数据，就需要等待AB都结束到自己才可以发送数据。
3. 单点故障：其中一台主机宕机了，那么这条路就断了，需要用替代机解决。
使用令牌环网无碰撞（物理星型拓扑，逻辑环形拓扑）
每一个结点都可以在一定的时间内获得发送数据报的权力，并不是无限制的持有令牌。
该方式常用于**负载较重**、**通信量较大**的网络中。
- **随机访问介质访问控制**（只有它会发生冲突）
#### ALOHA协议
纯ALOHA协议：不监听信道，不按时间槽发送，随机发送（**想发就发**）。
不冲突的概率 = p(1-p)^2(N-1) = 1/2e
时隙ALOHA协议：把时间分成若干个相同的时间片，所以有的用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，**须等到下一个时间片开始时刻再发送**。
不冲突的概率 = p(1-p)^(N-1) = 1/e
纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低，效率更低。
#### CSMA协议
载波监听多路访问协议：在发送帧之前，监听信道。信道空闲就发送完整的帧；信道忙就推迟发送。
1. 1-坚持CSMA：空闲信道直接传输，**忙就等到空闲再传输**。
优点：只要媒体空闲，站点马上发送，避免媒体利用率的浪费。
缺点：假如两个或以上站点有数据要发送，冲突就不可避免。
2. 非坚持CSMA：空闲信道直接传输，**忙就等待一个随机时间之后再进行监听**。
优点：采用随机的重发时延时间可以减少冲突的发生。
缺点：可能大家都在延迟等待，使得媒体处于空闲状态，利用率低。
3. p-坚持CSMA：空闲信道以p概率直接传输，1-p概率等待到下一个时间槽再传输，**忙就等到空闲再p概率**。
优点：可以像非坚持那样减少冲突，可以像1-坚持那样减少空间浪费。
#### ❗CSMA/CD协议
CD：碰撞检测（冲突检测，只能检测不能避免）：边发送边监听（半双工）总线式以太网
2τ（2涛）时间是一个来回（传输时延、争用期）
确定碰撞后的重传时机：**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2τ。
2. 确定参数k，但k不超过10，即k=min[重传次数，10]。
1. 当重传次数<10时，k=重传次数；
2. 当大于10时，k=10。
3. 从离散的整数集合[0, 1, ..., 2^k^-1]随机取出一个数r。重传所需的退避时间就是r倍的基本退避时间，即**2τ*r**。
4. 当重传达**16次**仍然不成功，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。
最小帧长度：帧的传输时延至少2倍于τ（信号在总线中的传播时延）。
$$
争用期2τ = 2*\frac{传输距离}{信号传播速率} \\[1em]
最小帧长 = 2τ*数据传输速率 \\
↓反过来\\
帧的传播时延=\frac {最小帧长}{数据传输速率} \ge 2τ \\[3em]
退避时间 = 2τ*随机数r
$$
以太网规定，最短帧长为**64B**，凡是小于64B的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧。
#### CSMA/CA协议
CA：碰撞避免（只能避免不能检测）：适用于无线局域网。
CSMA/CA允许发送方先对信道进行预约，引入了两种控制帧：（注意，预约信道并不是强制的，可以选择不预约）
- **RTS**帧包括源地址、目的地址、本次通信所需持续时间（用于虚拟载波侦听）。
- **CTS**帧包括本次通信所需时间（用于虚拟载波侦听）。
在发送数据之前，先检测信道是否空闲，切实发送之前还会再等一会，防止碰撞
- 空闲就发送**RTS**
1. 接收方收到RTS之后回复**CTS**
2. 发送方收到CTS之后，开始发送数据帧，同时**预约信道**（告知其他站点自己要发送多久数据）
3. 接收端收到数据帧之后，用CRC来检验数据是否正确，正确就回复**ACK**
4. 发送方收到ACK就进行下一个数据帧的发送/没有收到就使用**二进制退避算法**一直重传
| | CSMA/CD | CSMA/CA |
| ------------------------------------ | ------------------------------------------------------------ | ------------------------------------------------------------ |
| 相同 | 1. 都属于CSMA思路，核心是先监听信道，再发送数据 | 2. 冲突之后都会进行重传 |
| 传输介质不同 | 总线式以太网（有线） | 无线局域网（无线） |
| 载波检测方式不同（传输介质不同导致） | 通过电缆电压变化检测。数据发生碰撞时，电缆中的电压会随之发生变化。 | 结合能量检测（ED）、载波检测（CS）、能量载波混合检测三种检测信道是否空闲。 |
| | 检测冲突 | 避免冲突 |
## 4.流量控制
限制发送方（数据链路层和**传输层**都有）
| 层 | 类型 | 控制手段 |
| ---------- | ------ | -------------------------------------------- |
| 数据链路层 | 点到点 | 接收端收不下就不回复 |
| 传输层 | 端到端 | 接收端给发送端发送窗口公告（缓冲区还有多大） |
较高的发送速度、较低的接受能力不匹配，会造成传输出错。发送方发来的数据超出了接收方的缓冲空间，就接收不到了。
流量控制的方法：
### 停止-等待协议
解决底层信道出现的**丢包**问题，实现流量控制。这里讨论可靠通信原理，所以不考虑在哪一个层次上传输。
算是一种**窗口都是1**的特殊的滑动窗口协议。传输效率很低。
因为**超时计时器**（重传时间比平均时延长）的存在，所以要满足下面
- 发送完一个帧之后，保留它的副本，以便下一次发送。
- 数据帧、确认帧必须编号。
该协议使用在全双工通信方式，但是为了方便讨论，使用半双工（一来一回）：
- 无差错：每发送完一个帧之后停止发送，启动超时计时器并等待对方的确认帧，收到确认后再发送下一个帧。
- 数据帧丢失（**超时重传**）：当接收方有一个帧没有收到，计时器结束后，再次重复发送一次。
- ACK丢失
- ACK迟到
加上时延
T_D：数据帧的发送时延（比特数越长时延就越长）T_D=帧长度/数据传输速率C
T_A：确认帧的发送时延
RTT：往返时延
**信道利用率=(L/C)/T**
**信道吞吐率=信道利用率*C**
T：发送总周期
L：T时间内发送的数据L
C：发送方数据传输速率
没有说T_A，所以不用加上。2*30ms是RTT
### 滑动窗口协议
解决**流量控制**和**可靠传输**两个问题
发送窗口：发送维持一组连续的允许发送的特定的帧序号
接收窗口：接受维持一组连续的允许接收的帧序号
采用**n个比特**对帧编号，那么发送**窗口的尺寸W**应该满足：
$$
1 \le W \le 2^n-1
$$
## 5.可靠传输机制
### 后退N帧协议(GBN)
重点：
- 积累确认
- 接收方只接收顺序帧，无序直接丢弃
- 确认序号最是大的、按序到达的帧
- 发送窗口大小
发送窗口大小>1，接受窗口大小=1
同时将发送窗口的帧全部发送，接收方挨个接收，接收一个后返回ACK，再滑动到下一个窗口。
GBN发送方必须响应的三件事：
1. 上层的调用
网络层要发送数据时，发送方先检查发送窗口是否满了，未满就发送，满了发送方就会把需要发送的数据返回给上层，暗示窗口已经满了。发送方缓存这些数据，等窗口不满时在发送。
2. 收到一个ACK
GBN协议之中，对n号帧使用**累计确认**的方式，表明接收方已经接收到了n号帧和他它前的所有帧 。所以，接收方不用对每一个帧都返回ACK，隔一会发送一个ACK就可以。
3. 超时事件
根据2，如果出现帧丢失或者超时，发送方会发送所有未被确认收到的帧。
接收方要做的事
1. 按序收到n号帧后，需要发送一个ACK给发送方，并且将帧的数据交付给上层。
2. 其余情况（比如无序）都**丢弃帧**，并为最近接受的帧重新发送ACK。接收方无需缓存任何失序帧，只需要维护一个信息expected seq num（下一个按序接收的帧序号）
缺点：一个帧出错，后面没有出错的帧也要重传，批量重传
### 选择重传协议(SR)
解决批量重传，设置单个确认，加大接受窗口，设置接收缓存，缓存乱序到达的帧。
发送窗口大小>1，接受窗口大小>1。发送窗口最好=接收窗口
$$
1 \le W \le 2^{n-1}
$$
SR发送方必须响应的三件事：
1. 上层的调用
网络层要发送数据时，发送方先检查发送窗口是否满了，未满就发送，满了发送方就会把需要发送的数据返回给上层，暗示窗口已经满了。发送方缓存这些数据，等窗口不满时在发送。
2. 收到一个ACK
如果收到一个ACK，加入该序号在窗口之内，发送方就会将那个确认的标记为已接受。
如果ACK帧是窗口的下界（最左边的窗口对应的），窗口确认并且向前移动序号到未确认的帧处。移动到未发送的帧则发送。
3. 超时事件
每一个帧都有自己的计时器，一个超时事件发生之后只重传一个帧。
接收方要做的事
1. 收到帧后（无论是否按照顺序），需要发送一个ACK给发送方。失序帧缓存，直到所有的帧皆被收到为止，这时将一批帧按序交付给上层，然后向前滑动窗口。
2. 收到窗口前面的帧，也会返回一个ACK。因为发送方之所以会重新发送，是因为上一个ACK没有收到，所以再发送一个便是。
3. 其余情丢弃帧
## 6.信道复用技术
复用：有三个单独的通道，使用三个信道，但在发送端使用复用器，接收方使用分用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点。
1. 频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）
1. 各路信号分别使用**不同的频率位置**，使得彼此不产生干扰。
2. 各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源。
2. 时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）
1. 每一路占用的**时隙周期性出现**。也称等时信号
2. 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。若每个时分复用的帧长度是不变的125μs，有1000个用户，则每一个用户分配到的时隙宽度就是0.125μs。
3. 波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）
1. 一根光纤中复用2路光载波信号。
2. 通信是由光来运载信号进行传输的方式。在光通信领域，人们习惯按波长而不是按频率来命名。因此，所谓的波分复用其本质上也是**光的频分复用**。
4. 密集波分复用技术（DWDM）
1. 一根光纤中复用几十路甚至更多路光载波信号。
5. 码分复用（CDM，Code Division Multiplexing）
1. 靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术，包括无线和有线接入。例如在多址蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳1个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。在移动通信环境的电波覆盖区内，建立用户之间的无线信道连接，是无线多址接入方式，属于多址接入技术。
2. 当码分复用信道为多个不同的地址的用户所共享时，就称码分多址（CDMA）
### 码分多址（CDMA）
- CDMA是采用数字技术的分支----扩频通信技术发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术，它是在FDM和TDM的基础上发展起来的。
- FDM的特点是信道不独占，而时间资源共享，每一子信道使用的频带互不重叠；TDM的特点是独占时隙，而信道资源共享，每一个子信道使用的时隙不重叠；
- CDMA的特点是所有子信道在同一时间可以使用整个信道进行数据传输，它在信道与时间资源上均为共享，因此，信道的效率高，系统的容量大。
- CDMA的技术原理是基于**扩频技术**，即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码（PN）进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去；接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。
- 有很强的抗干扰能力，频谱类似于白噪音，不易被敌人察觉。
- CDMA码分多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，正受到越来越多的运营商和用户的青睐。
### 频分多址（FDMA）
- 让n个用户使用一个频带，或者让更多的用户轮流使用这n个频带。
- FDMA适合大量连续非突发性数据的接入，单纯采用FDMA作为多址接入方式已经很少见。目前中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网就是采用FDMA和TDMA两种方式的结合。
### 时分多址（TDMA）
- 让4个用户使用一个时隙，或者让更多的用户轮流使用这4个时隙。
- 适合支持多个突发性或低速率数据用户的接入。除中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网采用FDMA和TDMA两种方式的结合外，广电HFC网中的CM与CMTS的通信中也采用了时分多址的接入方式（基于DOCSIS1.0或1.1和Eruo DOCSIS1.0或1.1）。
# 二、域网
## 个人区域网PAN
## 城域网MAN
## 局域网LAN
local area network（LAN）也就是内网
定义：指在某一区域之内的多台计算机互联成的计算机组，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互联。（物理层、链路层）
2. 使用专门铺设的传输介质（双绞线、同轴电缆）进行联网，网络传输速率高（10Mb/s~10Gb/s）。
3. 通信延迟时间短，误码率低（时间短传输过程衰减的就少），可靠性高。（强调**数据传输**）
4. 各站点是平等关系，共享传输信道。（**多点接入**）
5. 多采用分布式控制、广播式通信，能进行广播和组播。
决定要素：
**网络拓扑**
**传输介质**
有线局域网：双绞线、同轴电缆、光纤
无线局域网：电磁波
**介质访问控制方法**
- CSMA/CD：常用于总线型网络，也用于树型网络
- 令牌总线：常用于总线型网络，也用于树型网络
把总线或树型的工作站按照一定的顺序（如接口地址）排列成一个逻辑环，只有持有令牌的才能控制总线，才能发送信息。
- 令牌环：用于环形局域网，如令牌环网
分类：
- 以太网：最广泛的局域网。符合IEEE802.3系列标准规范或DIX Ethernet V2标准。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：逻辑拓扑是环型，物理拓扑是星型。采用IEEE802.5
- FDDI网：逻辑上是环形拓扑结构，物理上是双环拓扑。使用光纤。IEEE802.8。
- ATM网：较新型的单元交换技术，使用53B（字节）固定长度单元进行交换。
- 无线局域网（wlan）：采用**IEEE802.11标准**。
### IEEE802标准
IEEE 802 LAN/MAN 标准委员会（1980.2月成立）定义了局域网标准。
IEEE802标准描述的数据链路层分为：
1. 逻辑链路控制子层（LLC）：服务网络层
2. 介质访问控制子层（MAC）：服务物理层
### 以太网
只能实现无差错接受，不实现可靠传输
无连接：发送方、接收方之间没有”握手过程“
不可靠：
- 不对发送方的帧进行编号
- 接收方不向发送方发送ACK确认
- 差错帧直接丢弃，差错纠错由高层（传输层）负责
### 10BASE-T 以太网
- 10：传输速率是10Mb/s
- **base**：基带信号传输
- **T**：双绞线。采用无屏蔽双绞线（UTP），每段双绞线最长100m（集线器到PC）。
- 如果后面是**F**：光纤。
物理上：星型拓扑
逻辑上：总线型拓扑
编码：曼彻斯特编码
介质访问控制：CSMA/CD
### 适配器&MAC地址
通信适配器、网络适配器NIC
MAC地址：48位（bit）二进制地址。前24bit代表厂家（IEEE规定），后24bit厂家自己制定。常用6个16进制表示：02-60-8c-e4-b1-21
查询MAC地址的网站：https://regauth.standards.ieee.org/standards-ra-web/pub/view.html
### 无线局域网
分类：
- 有固定基础设施无线局域网
wifi的名字就是服务集标识符
- 无固定基础设施无线局域网的自组织网络
## 广域网WAN
几千公里国际的大网络，如因特网。
通信子网主要使用**分组交换**技术，强调**资源共享**的目的。
范围大。负责层次：物理层、链路层、网络层
点对点的传输
同距离之下，广域网的速率快。但是因为距离远，所以一般来说，局域网速率快。
### PPP协议
只支持全双工链路。面向字节
是目前使用最广泛的协议数据据链路层协议，拨号上网一般都是PPP。
#### PPP协议满足要求
1. 简单
对于链路层的帧。不需要纠错、序号、流量控制。
2. 封装成帧
在帧头和帧尾加上帧定界符。
3. 透明传输
不管数据部分有什么样的数据，就算有帧定界符，也完整的传输。
- 异步线路（传输中是逐个字节、字符进行传输的）：使用字节填充
- 同步线路（一位一位的比特发送）：使用比特填充
4. 多种网络层协议
封装数据报可以采用多种协议，IP协议、IPX协议都可以。
5. 多种类型链路
- 串行（一次只发送一个bit），并行（一次发送多个bit）
- 同步，异步
- 电，光
- 交换（动态），非交换（静态）
6. 差错检测
CRC循环冗余检测，错误就丢弃。
7. 检测连接状态
检测链路是否正常工作。
8. **最大传送单元**
数据部分最大长度**MTU**，默认不超过1500字节（B）。如果高层协议发送的分组过长超过MTU，PPP就丢弃这个帧，并返回差错。MTU是数据链路层的帧可以载荷的数据部分的最大长度，不是帧的总长度。
9. 网路层地址协商
知道通信双方的网络层地址，通过协议知道双方的IP地址。
10. 数据压缩协商
在发送数据的时候对数据进行压缩。
#### 无需满足的要求
1. 纠错。只需要检错。
2. 流量控制。交给上层控制。
3. 编序号。
4. 不支持多点线路，只支持点对点链路通信。
#### 三个组成（功能）
1. 一个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**：建议并维护数据链路连接。实现身份验证。
3. 网络控制协议**NCP**：PPP协议支持多种网络层协议，每个不同的网络层协议都要一个相对应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。（现有LCP建立连接才有NCP实现上网的功能）
帧格式
当数据部分出现帧定界符、转义字符就在前面再加上转义字符。
### HDLC协议
只支持全双工链路，面向比特
高级数据链路控制协议，不属于TCP协议族，是由ISO根据IBM公司的SDLC协议扩展开而发展的。但是实际上使用并不是很多。
可以实现透明传输，使用0比特插入法
# 三、设备：交换机
以太网交换机实质上就是一个多端口的**网桥**，通常都有十几个或更多的端口。
1. **交换机自学习**：
- **转发表**里面没有目标端口，那么就**广播（所有的线都发一遍）**。
- 哪个机器发送了数据，就在转发表记录这个机器与发送数据使用的端口进行对应。
2. **碰撞域**：以太网交换机的每个端口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且，每一个端口和连接到端口的主机构成了一个**碰撞域**：
- **n个端口就有n个碰撞域**。
- 交换机有隔离冲突域的能力。
3. **繁忙时缓存**：以太网交换机的端口还有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
如果连接在以太网交换机上的两台主机，同时向另一台主机发送帧，那么当这台主机的端口繁忙时，发送帧的这两台主机的端口会把收到的帧暂存一下，以后再发送出去。
4. **并行性**：以太网交换机还具有并行性，即能同时连通多对端口，使多对主机能同时通信。
例如带宽有10Mbit/s：
- 对于传统的**共享式以太网**，若共有10个用户，则每个用户占有的平均带宽只有**1Mbit/s**，即1/10。
- 若使用**以太网交换机**来连接这些主机，由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，所有大家都是**10Mbit/s**。
[toc]
交换机
帧：数据链路层的协议**数据单元**，封装网络层数据报。
链路（link）：网络中两个结点之间的物理通道。传输介质有双绞线、光纤、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的协议的硬件、软件加到链路上构成数据链路。而现在最常用的方法是使用**网络适配器**（既有硬件也有软件）来实现协议。就是：**网卡作用：物理link-->逻辑link**
链路层不用做到可靠传输，因为还有IP层，所以链路层的帧，不需要纠错、序号、流量控制
# 一、功能
## 为网络层提供服务
| 类 型 | 含义 | 例 子 |
| --------------------------- | ------------------------------------------------------------ | ---------------------------- |
| 无确认无连接服务 | 源主机在发送数据时不用与目的主机建立连接。目的主机收到也不需要返回确认。帧丢失了数据链路层也不需重发，直接交给上一层处理。 | 误码率低的通信信道，实时通信 |
| 有确认无连接服务 | 源主机在发送数据时不用与目的主机建立连接。目的主机收到**需要**返回确认，若源主机在规定时间内没有收到确认信号，则把没有收到确认的帧重新发送。 | 误码率高的通信信道，无线通信 |
| 有确认面向连接的服务 | 源主机在发送数据时**需要**与目的主机建立连接。目的主机收到**需要**返回确认。 | |
## 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: 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。
MTU（最大数据单元）：帧的数据部分长度上限。
**透明传输**（不管内容，直接传）
为了防止错误的找到帧的边界，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。
### 字符计数法
帧首部使用一个计数字段（第一个字节，8位）来标明帧内字符数。
这种方法缺点过于明显，一步错步步错，所以不常用。
### 字符填充法
使用SOH、EOT（控制字符名称）作为帧的开头、结束。
1. 当传送的帧都是由文本文件组成时（由键盘输入，都是ascii码），无论输入什么字符都可以实现**透明传输**）
2. 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者图像），就需要用字符填充方法（在发送端填充**转义字符**ESC（0x7D），在接收端去掉）实现透明传输。字符填充法流程：
实际：
1. 出现0x7**E**时，转换成2字节序列0x7D, 0x5**E**
2. 出现0x7**D**（ESC）时，转换成2字节序列0x7D, 0x5**D**
### 零比特填充法HDLC
首部和尾部的标识符一样，当传输内容中出现和标识符一样的内容时，操作：
### 违规编码法
用编码中不会用到的编码方式作为开始结束。以曼彻斯特编码为例：
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**比特填充法**和**违规编码法**。
## 2.差错检测
简单来说，传输中的差错是由噪声引起的。
- 随机噪声：线路本身的电气特性造成，信道固有的。所以我们提高**信噪比**来避免干扰。
- 冲击噪声：外界特定的短暂的原因造成，也是产生差错的**主要原因**。
差错分类
- 位错：比特位出错，1变成0，0变成1.
- 帧错[#1]-[#2]-[#3]（下面3种都是出现**传输差错**，但不是**比特差错**）
- 丢失：数据中某一帧丢掉了[#1]-[#3]
- 重复：某一帧重发发送了一次[#1]-[#2]-[#2]-[#3]
- 失序：接收端收到的顺序变了[#1]-[#3]-[#2]
误码率BER（Bit Error Rate）：传输错误的的比特占传输比特总数的比率。
bit错,差错控制
- **检错**编码：只是发现有错误。
- 奇偶校验码
- **循环冗余码CRC**
- **纠错**编码：不仅能发现错误，还能知道是哪一个地方发生错误。
- 海明码
在数据传输中检测差错的3种技术：
### 奇偶校验
**前面**加校验元1/0。
假设，要发送的信息 D 有 d 个比特。
在偶校验方案中，发送方只需包含一个附加的比特，选择附加比特的值，使得这 d+1 个比特（初始信息加上一个校验比特）中 **1 的总数是偶数**。
接收方的操作也很简单。接收方只需要数一数接收的 d+1 比特中 1 的个数。
如果发现了奇数个值为 1 的比特，接收方知道了至少出现了一个比特差错。更确切的说法是，出现了奇数个差错比特。但是如果出现了偶数个比特差错，显然这种方法无法检测这种错误。
二维单比特奇偶校验方案中，D 中的 d 个比特被划分为 i 行 j 列。对每行和每列计算奇偶值。产生的 i+j+1 奇偶比特构成了链路层帧的差错检测比特。这种方法可以检测和纠正 1 比特的错误。
>如发了一串数10101101
>
>- 采用奇校验，奇数个1，前面补0，（偶数个1，前面补1）010101101，
>- 采用偶校验，奇数个1，前面补1，（偶数个1，前面补0）
>
>判断发送是否正确，数数1的个数
### 校验和
在 TCP 和 UDP 协议中，对所有字段(包括首部和数据字段)都计算校验和。
IP 协议只对头部计算校验和。
### 循环冗余检测CRC
在数据发送之前，按照某种关系附加上一定的冗余码，构成一个符合某一个规则的码字之后再发送。当发送的数据发生变化时，冗余码也发生变化，使其不再遵守规则。接收端通过检验是否符合规则判断是否出错。
CRC 编码也称为**多项式编码**，因为该编码将要发送的比特串看作是系数为 0 和 1 的一个 多项式，对比特串的操作被解释为多项式运算。
如，发送端：
| 要传的数据 | | 生成多项式 | | 冗余码/帧检验序列FCS |
| ---------- | ---- | ---------- | ---------- | -------------------- |
| 5 | % | 2 | = 2 ...... | 1 |
5%2=2...1
最终发送的数据是，**要发送的数据**+**真检测序列FCS**。这里就是5+1=6
接收端：
6%2=3...0（余数是0，判定无错，就接受）
**计算冗余码FCS步骤**：
1. 在要传的数据后加0。
2. 模2除法。
3. 最终发送的数据：要发送的数据+FCS。
- 如果余数为0，判定这个帧没有差错。（接受）
- 如果余数不为0，判定这个帧有差错。（丢弃）
FCS的生成以及接收端CRC检验都是由**硬件实现**的，处理很迅速，不会产生延迟数据。
**只使用CRC**：凡是接收端数据链路层接受的帧均无差错。能够实现无比特差错的传输，但不是可靠传输（因为错误的帧丢弃了，接收端并没有收到）。
**可靠传输**：数据链路层发什么，接收端就接收什么。
### 海明码
可以发现**双**比特错，但是只能纠正**单**比特错。
工作原理：动一发而牵全身
工作流程：
1. 确认校验码位数R
2. 确定校验码和数据的位置
3. 求出校验码的值
4. 检错并纠错
海明不等式：
$$
2^r \ge k+r+1
$$
r：冗余信息位（校验码位数）
k：信息位（原始数据的位数）
> 例子：数据D=101101
> ∴ 数据位数k=6
> ∵ 海明不等式
> ∴ 满足不等式的最小r=4
> ∴ D的海明码应该有6+4=10位
> 其中原数据6位，效验码4位
校验码是插入原数据之中的，而且，只能放在**2的几次方的位置**
设4位效验码依次是p1, p2, p3, p4，则它们放在
| 位数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| -------------- | -------- | ------ | -------- | ------ | -------- | ---- | -------- | ------ | -------- | ---- |
| 位数的二进制 | 000**1** | 0010 | 001**1** | 0100 | 010**1** | 0110 | 011**1** | 1000 | 100**1** | 1010 |
| 代码 | **p1** | **p2** | d1 | **p3** | d2 | d3 | d4 | **p4** | d5 | d6 |
| 实际值（内容） | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 原数据 | | | 0 | | 0 | 1 | 1 | | 0 | 1 |
一个校验码可以校验多位数据：
p1的二进制位1在末尾（在上图标黑），所以它可以效验1在末尾的数据。
求p1：p1的值要满足，**要校验的所有数据中第一位是1的数据值异或（不同为1）为0**：**p1⊕d1⊕d2⊕d4⊕d5=0**。
将代码对应的实际值代入，得到p1=0
同理，p2的1在第二位，p2⊕d1⊕d3⊕d4⊕d6=0，p2=0。
p3=0，p4=1。
所以，D=101101的海明码就是0010011101。
当接收方收到时候，就会重复上述异或过程，就会检查出那个比特出错了。
## 3.链路管理
连接的建立、维持、释放（用于面向连接服务）
| 链 路 | 介绍 | 应用 | 典型拓扑结构 |
| --------------- | ---------------------------------------------- | ---------------------------------- | -------------------------- |
| 点对点链路 | 两个相邻的节点通过一个链路进行相连，没有第三者 | PPP协议、广域网 | |
| 广播式链路 | 所有主机共享通信介质 | 早期总线以太网、无线局域网，对讲机 | 总线型、星型（逻辑总线型） |
### 介质访问控制
使得广播式的两个节点之间的通信不会受到其他的干扰
- 静态划分信道（信道划分介质访问控制）
- 频分多路复用FDM
- 时分多路复用TDM
- 统计时分复用STDM
- 波分多路复用WDM
- 码分多路复用CDM
- **码分多址CDMA**
- 动态划分信道
所有的用户都可以发送信息，发送信息时占用全部带宽
#### 轮询访问介质访问控制
令牌传递协议
令牌：一种特殊格式的MAC控制帧，不包含任何信息。控制信道使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道。
问题：
1. 令牌开销：令牌没有了就再产生一个。
2. 等待延迟：C想要发送数据，就需要等待AB都结束到自己才可以发送数据。
3. 单点故障：其中一台主机宕机了，那么这条路就断了，需要用替代机解决。
使用令牌环网无碰撞（物理星型拓扑，逻辑环形拓扑）
每一个结点都可以在一定的时间内获得发送数据报的权力，并不是无限制的持有令牌。
该方式常用于**负载较重**、**通信量较大**的网络中。
- **随机访问介质访问控制**（只有它会发生冲突）
#### ALOHA协议
纯ALOHA协议：不监听信道，不按时间槽发送，随机发送（**想发就发**）。
不冲突的概率 = p(1-p)^2(N-1) = 1/2e
时隙ALOHA协议：把时间分成若干个相同的时间片，所以有的用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，**须等到下一个时间片开始时刻再发送**。
不冲突的概率 = p(1-p)^(N-1) = 1/e
纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低，效率更低。
#### CSMA协议
载波监听多路访问协议：在发送帧之前，监听信道。信道空闲就发送完整的帧；信道忙就推迟发送。
1. 1-坚持CSMA：空闲信道直接传输，**忙就等到空闲再传输**。
优点：只要媒体空闲，站点马上发送，避免媒体利用率的浪费。
缺点：假如两个或以上站点有数据要发送，冲突就不可避免。
2. 非坚持CSMA：空闲信道直接传输，**忙就等待一个随机时间之后再进行监听**。
优点：采用随机的重发时延时间可以减少冲突的发生。
缺点：可能大家都在延迟等待，使得媒体处于空闲状态，利用率低。
3. p-坚持CSMA：空闲信道以p概率直接传输，1-p概率等待到下一个时间槽再传输，**忙就等到空闲再p概率**。
优点：可以像非坚持那样减少冲突，可以像1-坚持那样减少空间浪费。
#### ❗CSMA/CD协议
CD：碰撞检测（冲突检测，只能检测不能避免）：边发送边监听（半双工）总线式以太网
2τ（2涛）时间是一个来回（传输时延、争用期）
确定碰撞后的重传时机：**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2τ。
2. 确定参数k，但k不超过10，即k=min[重传次数，10]。
1. 当重传次数<10时，k=重传次数；
2. 当大于10时，k=10。
3. 从离散的整数集合[0, 1, ..., 2^k^-1]随机取出一个数r。重传所需的退避时间就是r倍的基本退避时间，即**2τ*r**。
4. 当重传达**16次**仍然不成功，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。
最小帧长度：帧的传输时延至少2倍于τ（信号在总线中的传播时延）。
$$
争用期2τ = 2*\frac{传输距离}{信号传播速率} \\[1em]
最小帧长 = 2τ*数据传输速率 \\
↓反过来\\
帧的传播时延=\frac {最小帧长}{数据传输速率} \ge 2τ \\[3em]
退避时间 = 2τ*随机数r
$$
以太网规定，最短帧长为**64B**，凡是小于64B的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧。
#### CSMA/CA协议
CA：碰撞避免（只能避免不能检测）：适用于无线局域网。
CSMA/CA允许发送方先对信道进行预约，引入了两种控制帧：（注意，预约信道并不是强制的，可以选择不预约）
- **RTS**帧包括源地址、目的地址、本次通信所需持续时间（用于虚拟载波侦听）。
- **CTS**帧包括本次通信所需时间（用于虚拟载波侦听）。
在发送数据之前，先检测信道是否空闲，切实发送之前还会再等一会，防止碰撞
- 空闲就发送**RTS**
1. 接收方收到RTS之后回复**CTS**
2. 发送方收到CTS之后，开始发送数据帧，同时**预约信道**（告知其他站点自己要发送多久数据）
3. 接收端收到数据帧之后，用CRC来检验数据是否正确，正确就回复**ACK**
4. 发送方收到ACK就进行下一个数据帧的发送/没有收到就使用**二进制退避算法**一直重传
| | CSMA/CD | CSMA/CA |
| ------------------------------------ | ------------------------------------------------------------ | ------------------------------------------------------------ |
| 相同 | 1. 都属于CSMA思路，核心是先监听信道，再发送数据 | 2. 冲突之后都会进行重传 |
| 传输介质不同 | 总线式以太网（有线） | 无线局域网（无线） |
| 载波检测方式不同（传输介质不同导致） | 通过电缆电压变化检测。数据发生碰撞时，电缆中的电压会随之发生变化。 | 结合能量检测（ED）、载波检测（CS）、能量载波混合检测三种检测信道是否空闲。 |
| | 检测冲突 | 避免冲突 |
## 4.流量控制
限制发送方（数据链路层和**传输层**都有）
| 层 | 类型 | 控制手段 |
| ---------- | ------ | -------------------------------------------- |
| 数据链路层 | 点到点 | 接收端收不下就不回复 |
| 传输层 | 端到端 | 接收端给发送端发送窗口公告（缓冲区还有多大） |
较高的发送速度、较低的接受能力不匹配，会造成传输出错。发送方发来的数据超出了接收方的缓冲空间，就接收不到了。
流量控制的方法：
### 停止-等待协议
解决底层信道出现的**丢包**问题，实现流量控制。这里讨论可靠通信原理，所以不考虑在哪一个层次上传输。
算是一种**窗口都是1**的特殊的滑动窗口协议。传输效率很低。
因为**超时计时器**（重传时间比平均时延长）的存在，所以要满足下面
- 发送完一个帧之后，保留它的副本，以便下一次发送。
- 数据帧、确认帧必须编号。
该协议使用在全双工通信方式，但是为了方便讨论，使用半双工（一来一回）：
- 无差错：每发送完一个帧之后停止发送，启动超时计时器并等待对方的确认帧，收到确认后再发送下一个帧。
- 数据帧丢失（**超时重传**）：当接收方有一个帧没有收到，计时器结束后，再次重复发送一次。
- ACK丢失
- ACK迟到
加上时延
T_D：数据帧的发送时延（比特数越长时延就越长）T_D=帧长度/数据传输速率C
T_A：确认帧的发送时延
RTT：往返时延
**信道利用率=(L/C)/T**
**信道吞吐率=信道利用率*C**
T：发送总周期
L：T时间内发送的数据L
C：发送方数据传输速率
没有说T_A，所以不用加上。2*30ms是RTT
### 滑动窗口协议
解决**流量控制**和**可靠传输**两个问题
发送窗口：发送维持一组连续的允许发送的特定的帧序号
接收窗口：接受维持一组连续的允许接收的帧序号
采用**n个比特**对帧编号，那么发送**窗口的尺寸W**应该满足：
$$
1 \le W \le 2^n-1
$$
## 5.可靠传输机制
### 后退N帧协议(GBN)
重点：
- 积累确认
- 接收方只接收顺序帧，无序直接丢弃
- 确认序号最是大的、按序到达的帧
- 发送窗口大小
发送窗口大小>1，接受窗口大小=1
同时将发送窗口的帧全部发送，接收方挨个接收，接收一个后返回ACK，再滑动到下一个窗口。
GBN发送方必须响应的三件事：
1. 上层的调用
网络层要发送数据时，发送方先检查发送窗口是否满了，未满就发送，满了发送方就会把需要发送的数据返回给上层，暗示窗口已经满了。发送方缓存这些数据，等窗口不满时在发送。
2. 收到一个ACK
GBN协议之中，对n号帧使用**累计确认**的方式，表明接收方已经接收到了n号帧和他它前的所有帧 。所以，接收方不用对每一个帧都返回ACK，隔一会发送一个ACK就可以。
3. 超时事件
根据2，如果出现帧丢失或者超时，发送方会发送所有未被确认收到的帧。
接收方要做的事
1. 按序收到n号帧后，需要发送一个ACK给发送方，并且将帧的数据交付给上层。
2. 其余情况（比如无序）都**丢弃帧**，并为最近接受的帧重新发送ACK。接收方无需缓存任何失序帧，只需要维护一个信息expected seq num（下一个按序接收的帧序号）
缺点：一个帧出错，后面没有出错的帧也要重传，批量重传
### 选择重传协议(SR)
解决批量重传，设置单个确认，加大接受窗口，设置接收缓存，缓存乱序到达的帧。
发送窗口大小>1，接受窗口大小>1。发送窗口最好=接收窗口
$$
1 \le W \le 2^{n-1}
$$
SR发送方必须响应的三件事：
1. 上层的调用
网络层要发送数据时，发送方先检查发送窗口是否满了，未满就发送，满了发送方就会把需要发送的数据返回给上层，暗示窗口已经满了。发送方缓存这些数据，等窗口不满时在发送。
2. 收到一个ACK
如果收到一个ACK，加入该序号在窗口之内，发送方就会将那个确认的标记为已接受。
如果ACK帧是窗口的下界（最左边的窗口对应的），窗口确认并且向前移动序号到未确认的帧处。移动到未发送的帧则发送。
3. 超时事件
每一个帧都有自己的计时器，一个超时事件发生之后只重传一个帧。
接收方要做的事
1. 收到帧后（无论是否按照顺序），需要发送一个ACK给发送方。失序帧缓存，直到所有的帧皆被收到为止，这时将一批帧按序交付给上层，然后向前滑动窗口。
2. 收到窗口前面的帧，也会返回一个ACK。因为发送方之所以会重新发送，是因为上一个ACK没有收到，所以再发送一个便是。
3. 其余情丢弃帧
## 6.信道复用技术
复用：有三个单独的通道，使用三个信道，但在发送端使用复用器，接收方使用分用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点。
1. 频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）
1. 各路信号分别使用**不同的频率位置**，使得彼此不产生干扰。
2. 各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源。
2. 时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）
1. 每一路占用的**时隙周期性出现**。也称等时信号
2. 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。若每个时分复用的帧长度是不变的125μs，有1000个用户，则每一个用户分配到的时隙宽度就是0.125μs。
3. 波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）
1. 一根光纤中复用2路光载波信号。
2. 通信是由光来运载信号进行传输的方式。在光通信领域，人们习惯按波长而不是按频率来命名。因此，所谓的波分复用其本质上也是**光的频分复用**。
4. 密集波分复用技术（DWDM）
1. 一根光纤中复用几十路甚至更多路光载波信号。
5. 码分复用（CDM，Code Division Multiplexing）
1. 靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术，包括无线和有线接入。例如在多址蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳1个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。在移动通信环境的电波覆盖区内，建立用户之间的无线信道连接，是无线多址接入方式，属于多址接入技术。
2. 当码分复用信道为多个不同的地址的用户所共享时，就称码分多址（CDMA）
### 码分多址（CDMA）
- CDMA是采用数字技术的分支----扩频通信技术发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术，它是在FDM和TDM的基础上发展起来的。
- FDM的特点是信道不独占，而时间资源共享，每一子信道使用的频带互不重叠；TDM的特点是独占时隙，而信道资源共享，每一个子信道使用的时隙不重叠；
- CDMA的特点是所有子信道在同一时间可以使用整个信道进行数据传输，它在信道与时间资源上均为共享，因此，信道的效率高，系统的容量大。
- CDMA的技术原理是基于**扩频技术**，即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码（PN）进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去；接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。
- 有很强的抗干扰能力，频谱类似于白噪音，不易被敌人察觉。
- CDMA码分多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，正受到越来越多的运营商和用户的青睐。
### 频分多址（FDMA）
- 让n个用户使用一个频带，或者让更多的用户轮流使用这n个频带。
- FDMA适合大量连续非突发性数据的接入，单纯采用FDMA作为多址接入方式已经很少见。目前中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网就是采用FDMA和TDMA两种方式的结合。
### 时分多址（TDMA）
- 让4个用户使用一个时隙，或者让更多的用户轮流使用这4个时隙。
- 适合支持多个突发性或低速率数据用户的接入。除中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网采用FDMA和TDMA两种方式的结合外，广电HFC网中的CM与CMTS的通信中也采用了时分多址的接入方式（基于DOCSIS1.0或1.1和Eruo DOCSIS1.0或1.1）。
# 二、域网
## 个人区域网PAN
## 城域网MAN
## 局域网LAN
local area network（LAN）也就是内网
定义：指在某一区域之内的多台计算机互联成的计算机组，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互联。（物理层、链路层）
2. 使用专门铺设的传输介质（双绞线、同轴电缆）进行联网，网络传输速率高（10Mb/s~10Gb/s）。
3. 通信延迟时间短，误码率低（时间短传输过程衰减的就少），可靠性高。（强调**数据传输**）
4. 各站点是平等关系，共享传输信道。（**多点接入**）
5. 多采用分布式控制、广播式通信，能进行广播和组播。
决定要素：
**网络拓扑**
**传输介质**
有线局域网：双绞线、同轴电缆、光纤
无线局域网：电磁波
**介质访问控制方法**
- CSMA/CD：常用于总线型网络，也用于树型网络
- 令牌总线：常用于总线型网络，也用于树型网络
把总线或树型的工作站按照一定的顺序（如接口地址）排列成一个逻辑环，只有持有令牌的才能控制总线，才能发送信息。
- 令牌环：用于环形局域网，如令牌环网
分类：
- 以太网：最广泛的局域网。符合IEEE802.3系列标准规范或DIX Ethernet V2标准。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：逻辑拓扑是环型，物理拓扑是星型。采用IEEE802.5
- FDDI网：逻辑上是环形拓扑结构，物理上是双环拓扑。使用光纤。IEEE802.8。
- ATM网：较新型的单元交换技术，使用53B（字节）固定长度单元进行交换。
- 无线局域网（wlan）：采用**IEEE802.11标准**。
### IEEE802标准
IEEE 802 LAN/MAN 标准委员会（1980.2月成立）定义了局域网标准。
IEEE802标准描述的数据链路层分为：
1. 逻辑链路控制子层（LLC）：服务网络层
2. 介质访问控制子层（MAC）：服务物理层
### 以太网
只能实现无差错接受，不实现可靠传输
无连接：发送方、接收方之间没有”握手过程“
不可靠：
- 不对发送方的帧进行编号
- 接收方不向发送方发送ACK确认
- 差错帧直接丢弃，差错纠错由高层（传输层）负责
### 10BASE-T 以太网
- 10：传输速率是10Mb/s
- **base**：基带信号传输
- **T**：双绞线。采用无屏蔽双绞线（UTP），每段双绞线最长100m（集线器到PC）。
- 如果后面是**F**：光纤。
物理上：星型拓扑
逻辑上：总线型拓扑
编码：曼彻斯特编码
介质访问控制：CSMA/CD
### 适配器&MAC地址
通信适配器、网络适配器NIC
MAC地址：48位（bit）二进制地址。前24bit代表厂家（IEEE规定），后24bit厂家自己制定。常用6个16进制表示：02-60-8c-e4-b1-21
查询MAC地址的网站：https://regauth.standards.ieee.org/standards-ra-web/pub/view.html
### 无线局域网
分类：
- 有固定基础设施无线局域网
wifi的名字就是服务集标识符
- 无固定基础设施无线局域网的自组织网络
## 广域网WAN
几千公里国际的大网络，如因特网。
通信子网主要使用**分组交换**技术，强调**资源共享**的目的。
范围大。负责层次：物理层、链路层、网络层
点对点的传输
同距离之下，广域网的速率快。但是因为距离远，所以一般来说，局域网速率快。
### PPP协议
只支持全双工链路。面向字节
是目前使用最广泛的协议数据据链路层协议，拨号上网一般都是PPP。
#### PPP协议满足要求
1. 简单
对于链路层的帧。不需要纠错、序号、流量控制。
2. 封装成帧
在帧头和帧尾加上帧定界符。
3. 透明传输
不管数据部分有什么样的数据，就算有帧定界符，也完整的传输。
- 异步线路（传输中是逐个字节、字符进行传输的）：使用字节填充
- 同步线路（一位一位的比特发送）：使用比特填充
4. 多种网络层协议
封装数据报可以采用多种协议，IP协议、IPX协议都可以。
5. 多种类型链路
- 串行（一次只发送一个bit），并行（一次发送多个bit）
- 同步，异步
- 电，光
- 交换（动态），非交换（静态）
6. 差错检测
CRC循环冗余检测，错误就丢弃。
7. 检测连接状态
检测链路是否正常工作。
8. **最大传送单元**
数据部分最大长度**MTU**，默认不超过1500字节（B）。如果高层协议发送的分组过长超过MTU，PPP就丢弃这个帧，并返回差错。MTU是数据链路层的帧可以载荷的数据部分的最大长度，不是帧的总长度。
9. 网路层地址协商
知道通信双方的网络层地址，通过协议知道双方的IP地址。
10. 数据压缩协商
在发送数据的时候对数据进行压缩。
#### 无需满足的要求
1. 纠错。只需要检错。
2. 流量控制。交给上层控制。
3. 编序号。
4. 不支持多点线路，只支持点对点链路通信。
#### 三个组成（功能）
1. 一个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**：建议并维护数据链路连接。实现身份验证。
3. 网络控制协议**NCP**：PPP协议支持多种网络层协议，每个不同的网络层协议都要一个相对应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。（现有LCP建立连接才有NCP实现上网的功能）
帧格式
当数据部分出现帧定界符、转义字符就在前面再加上转义字符。
### HDLC协议
只支持全双工链路，面向比特
高级数据链路控制协议，不属于TCP协议族，是由ISO根据IBM公司的SDLC协议扩展开而发展的。但是实际上使用并不是很多。
可以实现透明传输，使用0比特插入法
# 三、设备：交换机
以太网交换机实质上就是一个多端口的**网桥**，通常都有十几个或更多的端口。
1. **交换机自学习**：
- **转发表**里面没有目标端口，那么就**广播（所有的线都发一遍）**。
- 哪个机器发送了数据，就在转发表记录这个机器与发送数据使用的端口进行对应。
2. **碰撞域**：以太网交换机的每个端口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且，每一个端口和连接到端口的主机构成了一个**碰撞域**：
- **n个端口就有n个碰撞域**。
- 交换机有隔离冲突域的能力。
3. **繁忙时缓存**：以太网交换机的端口还有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
如果连接在以太网交换机上的两台主机，同时向另一台主机发送帧，那么当这台主机的端口繁忙时，发送帧的这两台主机的端口会把收到的帧暂存一下，以后再发送出去。
4. **并行性**：以太网交换机还具有并行性，即能同时连通多对端口，使多对主机能同时通信。
例如带宽有10Mbit/s：
- 对于传统的**共享式以太网**，若共有10个用户，则每个用户占有的平均带宽只有**1Mbit/s**，即1/10。
- 若使用**以太网交换机**来连接这些主机，由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，所有大家都是**10Mbit/s**。
点赞
回复
X