計算機網絡（3）

課程筆記，筆記主要來源于《計算機網絡（第7版）》，侵刪

第三章物理鏈路層

第三章知識點腦圖

簡述/引言：
信道是鏈路的一個抽象，并非實際的描述。
數據鏈路層有兩種類型：

  1. 點對點信道（一對一的通信方式，最常用的點對點協議PPP）

  2. 廣播信道（一對多的通信方式）


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3.1使用點對點信道的數據鏈路層

數據鏈路和幀

鏈路：一個結點到相鄰接待您的一段物理線路（有限或無線），中間沒有其他的交換結點。
數據鏈路：實現協議的硬件和軟件 + 鏈路 = 數據鏈路
網絡適配器：一般都包括了數據鏈路層和物理層這兩層的功能
*規(guī)程：早期的數據通信協議
幀：點對點信道的數據鏈路層的協議數據單元
IP數據報：網路層協議數據單元（數據報、分組、包）


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三個基本問題

三個基本問題：封裝成幀、透明傳輸、差錯檢測

  • 封裝成幀
    在一段數據的前后分別添加首部和尾部就構成了幀
    首部和尾部的一個重要作用就是進行幀定界
    每一種鏈路層協議都規(guī)定了幀的數據部分長度上限（最大傳送單元MTU）
    SOH在幀最前面代表幀的首部開始，EOT在尾部最后面表示幀的結束


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  • 透明傳輸
    不管輸入什么字符都可以放在幀中傳輸過去，因此這樣的傳輸就是透明傳輸
    采用字節(jié)填充（字符填充）的方法，在數據中出現SOH/EOT的前面插入轉義字符ESC


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  • 差錯檢測
    比特差錯：比特在傳輸的過程可能產生的差錯（*誤碼率BER（Bit Error Rate））
    奇校驗：判斷“1”的個數是否為奇數
    循環(huán)冗余校驗（CRC）：參考博客 https://blog.csdn.net/qq_44574333/article/details/108947034

基本思想：
數據發(fā)送方、接受方約定一個除數
發(fā)送幀的數據 = 源數據 + 校驗碼
檢驗時，用數據除以約定的除數，為0則無錯，否則出錯

構造：
由專門的生成多項式確定除數P(n+1位)，源數據M后添n個0作為被除數M0
M0 模2除(二進制加法，不進位) P = n位余數R
M +(連接) R = CRC碼

校驗：
CRC碼 模2除 約定的除數P = 余數
余數為0 則無錯，否則 出錯舍棄

檢錯、糾錯：
實際一般用來檢錯
能檢測所有奇數個錯誤、所有雙比特錯誤、所有小于等于校驗位長度的連續(xù)錯誤
K個信息位，R個校驗位，若生成多項式選擇得當，且2^{R}\geq K+R+1，則CRC碼可糾1位錯（對于確定的多項式，出錯位與余數相對應（001代表后面第一位出錯））

3.2點對點協議PPP

PPP協議的特點

目前點對點鏈路中，使用最廣泛的數據鏈路層協議就是PPP協議
PPP協議：用戶計算機和ISP進行通信時所使用的數據鏈路層協議
PPP協議應滿足的需求（主要部分）：

  1. 簡單
  2. 封裝成幀
  3. 透明性
  4. 多種網絡層協議
  5. 差錯檢測

PPP協議的三個組成部分：

  1. 一個將IP數據報封裝到串行鏈路的方法
  2. 鏈路控制協議LCP（靠近物理層）
  3. 網絡控制協議NCP（靠近網絡層）

PPP協議的幀格式

首部和尾部分別為四個字段和兩個字段
首部：

  • F（Flag）：標志字段，表示幀開始
  • *A：地址字段，規(guī)定為0xFF
  • *C：控制字段，規(guī)定為0x03

  • 協議：
    0x0021（信息字段是IP數據報）
    0xC021（信息字段是PPP鏈路控制協議LCP的數據）
    0x8021（信息字段是網絡層的控制數據）


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3.3使用廣播信道的數據鏈路層

局域網的數據鏈路層

局域網的主要特點：網絡為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數目均有限
*局域網具有的優(yōu)點：

  1. 具有廣播功能，一個站點可很方便的訪問全網
  2. 各設備的位置可靈活調整和改變
  3. 提高了系統(tǒng)的可靠性

局域網按網絡拓撲進行分類有：星形網、環(huán)線網、總線網（現使用最多）


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共享信道的方法：

  • 靜態(tài)劃分信道：頻分復用、時分復用、波分復用、碼分復用等
  • 動態(tài)媒體接入控制（多點接入）：又包括隨機接入和受控接入

以太網的兩個標準：DIX Ethernet V2 和 IEEE的802.3標準
802.3標準把局域網的數據鏈路層拆成兩個子層：邏輯鏈路控制LLC子層（偏網絡層）、媒體接入控制MAC子層（偏物理層）

適配器（網絡接口卡/網卡）的作用：連接計算機與外界局域網


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CSMA/CD協議

早期的以太網是多個計算機連接在一條總線上的
總線的特點：廣播通信方式，實現一對一通信

為了通信的簡便，以太網采取了兩種措施：

  • 采用較靈活的無連接工作方式
    不必先建立連接可直接發(fā)送數據
    數據幀不編號，不要求對方發(fā)回確認
    以太網提供的服務是盡最大努力的交付（不可靠交付）
    目的站收到差錯幀就丟棄，而是否重傳由高層決定
    同一時間只能允許一臺計算機發(fā)送數據（由CSMA/CD協議協調總線上各計算機的工作）
  • 發(fā)送的數據采用曼徹斯特編碼

CSMA/CD協議（載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測）：

  • 多點接入
    總線型網絡（許多計算機以多點接入的方式連接到一根總線上）
  • 載波監(jiān)聽
    不管在發(fā)送前還是發(fā)送中，每個站都不停地檢測信道
  • 碰撞檢測（沖突檢測）
    邊發(fā)送邊監(jiān)聽，判斷其他站是否也在發(fā)送數據
    若發(fā)生碰撞，停止發(fā)送數據，等一段隨機時間再發(fā)送

CSMA/CD協議特性：

  • 一個站不可能同時進行發(fā)送和接收（但必須邊發(fā)送邊監(jiān)聽信道），因此以太網只能進行雙向交替通信（半雙工通信）

  • 存在發(fā)送的不確定性，發(fā)送數據后的一小段時間內存在碰撞的可能性
    （整個以太網的平均通信量遠小于以太網的最高數據率）


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關于碰撞：

  • 爭用期（碰撞窗口）：以太網的端到端往返時間2\tau（過了爭用期而未檢測到碰撞才能確定這次發(fā)送未發(fā)生碰撞）
  • 512比特時間（等同于爭用期）：規(guī)定長度小于64字節(jié)的幀都是由于沖突而異常終止的無效幀，應舍棄。（64字節(jié)是2\tau時間內能傳送的數據大小，若實際數據過小要填充）
  • 強化碰撞：人為加干擾，讓所有用戶都知道已經發(fā)生了碰撞
  • 截斷二進制指數退避算法
    用來確定碰撞后重傳的時機T
    T=r\times 2\tau
    其中隨機選取r\in \left \{ 0,1,...,(2^{k}-1) \right \} 而k = \left\{\begin{matrix} n,n\leq 10 \\ 10,n> 10 \end{matrix}\right. ,n為重傳次數

使用集線器的星型拓撲

集線器：在星型拓撲網絡的中心增加的一種可靠性非常高的設備
集線器的特點：

  • 使用集線器的以太網邏輯上仍是總線網，使用的還是CSMA/CD協議
  • 集線器很像一個多接口的轉發(fā)器
  • 集線器工作在物理層，每個接口僅轉發(fā)比特，不進行碰撞檢測

以太網的信道利用率

令a = \frac{\tau }{T_{0}}，\tau為單程端到端時延，T_{0}為幀的發(fā)送時間
則a越小，以太網的信道利用率就越高
極限信道率S_{max} = \frac {T_{0}}{T_{0} +\tau } = \frac {1}{1 + a}
只有當參數a遠小于1才能得到盡可能的信道利用率

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以太網的MAC層

MAC地址：48位（IEEE 802標準），是局域網中的硬件地址/物理地址，是每個站的“名字”或標識符（固化在適配器的ROM中的地址，一般不可更改）
IP地址：32位，代表了一臺計算機，是終端地址（可更改）

MAC幀之間傳送要有一定的時間間隔
適配器對接收到的MAC幀的處理：先檢查MAC幀中的目的地址，若是本站的則收下再進行其它處理，否則直接丟棄
接收到的MAC幀有三種：

  1. 單播幀（一對一）
  2. 廣播幀（一對全體）
  3. 多播幀（一對多）

MAC幀的格式
兩種MAC幀格式標準：DIX Ethernet V2標準（以太網V2標準）、IEEE的802.3標準
MAC幀的類型字段用來標志上一層用的什么協議，以便把接收到的MAC幀的數據上交給上一層的這個協議
IEEE 802.3標準規(guī)定的無效MAC幀：

  • 幀的長度不是整數個字節(jié)
  • 用收到的幀檢驗序列FCS查出有差錯

  • 收到的幀的MAC客戶數據字段的長度不在46~ 1500字節(jié)之間（即MAC幀長度在64~ 1518之間）。


    以太網V2的MAC幀格式

3.4擴展的以太網

在物理層擴展以太網

（原理不變，擴大距離）

使用光纖和一對光纖調節(jié)器


主機使用光纖和一對光纖調制調解器連接到集線器

使用多個集線器
好處：

  • 能夠進行跨碰撞域的通信
  • 擴大了以太網的地理范圍

缺點：

  • 總吞吐量不會疊加

  • 若不同的碰撞域數據率不同，則不能用集線器將他們互連


    用多個集線器連成更大的以太網

在數據鏈路層擴展以太網

最初使用網橋
網橋的傳輸不會改變MAC幀的源地址
網橋的作用：對MAC幀的目的地址進行轉發(fā)和過濾

  • 轉發(fā)：收到MAC目的地址->查找地址表->轉發(fā)到對應接口
  • 過濾：查找地址表失敗則丟棄

網橋的優(yōu)點：

  • 可過濾
  • 能擴大局域網范圍
  • 可匹配不同速率的局域網

網橋的缺點：

  • 增加時延
  • 會引發(fā)廣播風暴

后改用以太網交換機
以太網交換機 / 交換式集線器：工作在數據鏈路層，實質上就是一個多接口的網橋
以太網交換機特點：是一種透明網橋（一種即插即用設備），其內部的幀交換表（地址表）是通過自學習算法自動轉建立起來的


以太網交換機中的交換表

虛擬局域網

以太網交換機可實現虛擬局域網（VLAN）
虛擬局域網：由一些局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組


三個虛擬局域網VLAN1，VLAN2和VLAN3的構成
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