物理層

電路交換和分組交換的區(qū)別

• 電路交換：在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前，兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間必須先建立一條專用（雙方獨(dú)占）的物理通信路徑，該路徑可能經(jīng)過(guò)許多中間節(jié)點(diǎn)。該線路在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸期間一直被獨(dú)占，直到通信結(jié)束后才被釋放。
  數(shù)據(jù)直接傳送，延遲??；線路獨(dú)占，使用效率低，不便于進(jìn)行差錯(cuò)控制
• 報(bào)文交換：將用戶數(shù)據(jù)加上源地址、目的地址、校驗(yàn)碼等輔助信息，然后封裝成報(bào)文。整個(gè)報(bào)文先傳送到相鄰結(jié)點(diǎn)，全部存儲(chǔ)下來(lái)后查找轉(zhuǎn)發(fā)表，轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)結(jié)點(diǎn)。
  較為充分利用線路容量，提供多目標(biāo)服務(wù)，一個(gè)報(bào)文可以發(fā)往多個(gè)目的地址；存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)引起轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，對(duì)報(bào)文大小沒限制，要求網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)有較大的緩存空間
• 分組交換也采用了存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)方式，但解決了報(bào)文交換中大報(bào)文傳輸?shù)膯?wèn)題，它將大的數(shù)據(jù)塊劃分成合理的小數(shù)據(jù)塊，再加上一些必要的控制信息（如源地址、目的地址、編號(hào)）構(gòu)成分組Packet進(jìn)行傳輸。
  分組的大小固定，緩沖易于管理，減少了出錯(cuò)幾率和重發(fā)數(shù)據(jù)量；需要傳輸額外的信息量

分組交換的方式：

• 數(shù)據(jù)報(bào)（無(wú)連接）：當(dāng)端系統(tǒng)要發(fā)送一個(gè)報(bào)文時(shí)，在端系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的高層協(xié)議先把報(bào)文拆分成若干個(gè)帶序號(hào)的數(shù)據(jù)單元，并在網(wǎng)絡(luò)層加上地址等控制信息后形成數(shù)據(jù)報(bào)分組。中間結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)分組一段很短的時(shí)間，找到最佳路由后，盡快轉(zhuǎn)發(fā)每個(gè)分組。不同的分組可以走不同的路徑，也可以按不同的順序到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)
• 虛電路（面向連接）：虛電路試圖將數(shù)據(jù)報(bào)方式和電路交換方式結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮兩種方式的優(yōu)點(diǎn)。在分組發(fā)送前，要求在發(fā)送方和接收方建立一條邏輯上的虛電路，并且連接一旦建立，虛電路所對(duì)應(yīng)的物理路徑就固定了。與電路交換類似，整個(gè)通信過(guò)程分為三個(gè)階段：虛電路建立、數(shù)據(jù)傳輸、虛電路釋放

數(shù)據(jù)鏈路層

主要是加強(qiáng)物理層傳輸比特流的功能，將物理層提供的可能出錯(cuò)的物理連接改造成為邏輯上無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路，使之對(duì)網(wǎng)絡(luò)層表現(xiàn)為一條無(wú)差錯(cuò)的鏈路。

• 流量控制：實(shí)際上就是限制發(fā)送方的數(shù)據(jù)流量，使其發(fā)送速率不致超過(guò)接收方的接受能力。
  流量控制并不是數(shù)據(jù)鏈路層所特有的功能，許多高層協(xié)議中也提供此功能，只不過(guò)控制的對(duì)象不同。數(shù)據(jù)鏈路層控制的是相鄰兩結(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)鏈路上的流量，而傳輸層控制的則是從源端到目的端之間的流量。
  常見的方式有停止-等待協(xié)議和滑動(dòng)窗口協(xié)議

  • 停止-等待協(xié)議
    發(fā)送方每發(fā)送一幀，都要等待接收方的應(yīng)答信號(hào)，之后才發(fā)送下一幀；接收方每接收一幀，都要反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，表示可接收下一幀，如果接收方不反饋應(yīng)答信號(hào)，則發(fā)送方必須一直等待，因而傳輸效率很低。
  • 滑動(dòng)窗口協(xié)議
    發(fā)送方維持一組連續(xù)的允許發(fā)送的幀的序號(hào)，稱為發(fā)送窗口；接收方也維持一組連續(xù)的允許接收的幀的序號(hào)，稱為接收窗口。發(fā)送窗口用來(lái)對(duì)發(fā)送方進(jìn)行流量控制，發(fā)送窗口大小WT代表在沒有收到對(duì)方確認(rèn)情況下發(fā)送方最多還可以發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。同時(shí)，接收方的接收窗口可以控制接收哪些數(shù)據(jù)幀不可以接收哪些數(shù)據(jù)幀，落在接收窗口之外的數(shù)據(jù)幀一律丟棄。

  停止等待：發(fā)送方每發(fā)送一幀都要等待接收方的應(yīng)答信號(hào)才發(fā)送下一幀。相當(dāng)于發(fā)送窗口大小=1，接收窗口大小=1
  后退N幀：發(fā)送方一次可發(fā)送N幀，接收方按序接收，重傳從最后一個(gè)確認(rèn)開始。相當(dāng)于發(fā)送窗口大小>1，接收窗口大小=1
  選擇重傳：發(fā)送方一次可發(fā)送N幀，接收方可以不按序接收，僅重傳沒有確認(rèn)的幀。相當(dāng)于發(fā)送窗口大小>1，接收窗口大小>1

• 差錯(cuò)控制：使發(fā)送方確定接收方是否正確收到了由它發(fā)送的數(shù)據(jù)的方法
  通常利用編碼技術(shù)進(jìn)行差錯(cuò)控制，可分為檢錯(cuò)編碼和糾錯(cuò)編碼

  • 檢錯(cuò)編碼
    奇偶校驗(yàn)碼：由n-1位信息元和1為校驗(yàn)元組成，使碼長(zhǎng)為n的碼字中‘1’的個(gè)數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)
    循環(huán)冗余碼：給定一個(gè)m bit的幀，給定生成多項(xiàng)式G(x)的階為r，在幀的低位補(bǔ)r個(gè)0，將(m+r)位的幀模2除，得到的余數(shù)即為冗余碼(r位)，將原始幀+冗余碼構(gòu)成(m+r)位數(shù)據(jù)發(fā)送出去
  • 糾錯(cuò)編碼：海明碼

• 介質(zhì)訪問(wèn)控制(Medium Access Control, MAC)
  主要任務(wù)是為使用介質(zhì)的每個(gè)結(jié)點(diǎn)隔離來(lái)自同一信道上其他結(jié)點(diǎn)所傳送的信號(hào)，以協(xié)調(diào)活動(dòng)結(jié)點(diǎn)的傳輸。
  用來(lái)決定廣播信道中信道分配的協(xié)議屬于數(shù)據(jù)鏈路層的一個(gè)子層，稱為介質(zhì)訪問(wèn)控制子層。
  介質(zhì)訪問(wèn)控制方法有：

  • 信道劃分
    將使用介質(zhì)的每個(gè)設(shè)備與來(lái)自同一通信信道上的其它設(shè)備的通信隔離開來(lái)，把時(shí)域和頻域資源合理地分配給網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備。
    多路復(fù)用技術(shù)把多個(gè)信號(hào)組合在一條物理信道上進(jìn)行傳輸，使多個(gè)計(jì)算機(jī)或終端設(shè)備共享信道資源，提高信道的利用率。
    頻分復(fù)用共享時(shí)間，但不共享空間；時(shí)分復(fù)用共享空間，但不共享時(shí)間
  • 隨機(jī)訪問(wèn)
    所有用戶都可以根據(jù)自己的意愿隨機(jī)地發(fā)送信息，占用信道的全部速率，發(fā)生沖突碰撞時(shí)，每個(gè)用戶需按照一定的規(guī)則反復(fù)重傳它的幀，直到該幀無(wú)碰撞地通過(guò)。
    核心思想是勝利者通過(guò)爭(zhēng)用獲得信道，從而獲得信息的發(fā)送權(quán)。
    • ALOHA協(xié)議
      純ALOHA協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)后，在一段時(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)，則認(rèn)為傳輸過(guò)程中發(fā)生了沖突，發(fā)送站點(diǎn)隨機(jī)等待一段時(shí)間后重發(fā)，直到發(fā)送成功。
      時(shí)隙ALOHA協(xié)議將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)隙slot，規(guī)定只能在每個(gè)時(shí)隙開始時(shí)才能發(fā)送一個(gè)幀，減少了數(shù)據(jù)發(fā)生沖突的可能性。
    • CSMA協(xié)議(Carrier Sense Multiple Access)
      ALOHA協(xié)議每個(gè)站點(diǎn)隨心所欲地發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)生碰撞的概率很大。載波偵聽多路訪問(wèn)協(xié)議每個(gè)站點(diǎn)在發(fā)送前先偵聽一下公用的信道，信道空閑再發(fā)送。
    • CSMA/CD(with Collision Detection)
      工作流程：先聽后發(fā)，邊發(fā)邊聽，沖突停發(fā)，隨機(jī)重發(fā)。
      重發(fā)時(shí)間采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法，該算法可使重傳需要推遲的時(shí)間隨重傳次數(shù)增大而增大，因而減小發(fā)生碰撞的幾率。
    • CSMA/CA(with Collision Avoidance)
      CSMA/CD用于有線局域網(wǎng)，CSMA/CA用于無(wú)線局域網(wǎng)
      CSMA/CA的基本思想是在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)先廣播告知其它結(jié)點(diǎn)，讓其它結(jié)點(diǎn)在某段時(shí)間內(nèi)不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以免出現(xiàn)碰撞。
  • 輪詢?cè)L問(wèn)
    用戶不能隨機(jī)發(fā)送信息，而是通過(guò)一個(gè)集中控制的監(jiān)控站，以循環(huán)的方式輪詢每個(gè)結(jié)點(diǎn)，再?zèng)Q定信道的分配。當(dāng)某結(jié)點(diǎn)使用信道時(shí)，其他結(jié)點(diǎn)都不能使用信道。典型的就是令牌傳遞協(xié)議，它主要使用在令牌環(huán)局域網(wǎng)中

• 局域網(wǎng)(LAN)
  在一個(gè)較小的地理范圍內(nèi)將各種計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等通過(guò)雙絞線、同軸電纜等連接介質(zhì)互相連接起來(lái)，組成資源和信息共享的計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
  三種特殊的局域網(wǎng)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)：
  以太網(wǎng)——邏輯拓?fù)錇榭偩€型結(jié)構(gòu)
  令牌環(huán)——邏輯拓?fù)錇榄h(huán)形結(jié)構(gòu)
  FDDI(光纖分布數(shù)字接口)——邏輯拓?fù)錇榄h(huán)形結(jié)構(gòu)
  以太網(wǎng)中所有計(jì)算機(jī)共享一條總線，信息以廣播方式發(fā)送，為了保證數(shù)據(jù)通信的方便性和可靠性，以太網(wǎng)簡(jiǎn)化了通信流程并且使用CSMA/CD方式對(duì)總線進(jìn)行訪問(wèn)控制。

• 廣域網(wǎng)
  廣域網(wǎng)通常指覆蓋范圍很廣（遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一個(gè)城市的范圍）的長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)。廣域網(wǎng)是因特網(wǎng)的核心部分，任務(wù)是通過(guò)長(zhǎng)距離運(yùn)送主機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)。
  廣域網(wǎng)由一些結(jié)點(diǎn)交換機(jī)以及連接這些交換機(jī)的鏈路組成。（注意：結(jié)點(diǎn)交換機(jī)在單個(gè)網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)分組，而路由器在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的互聯(lián)網(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)分組）
  局域網(wǎng)的OSI層次為兩層（物理層和數(shù)據(jù)鏈路層），廣域網(wǎng)的OSI層次為三層（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層）
  目前最常用的兩種廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層控制協(xié)議：
  PPP協(xié)議（Point-to-Point Protocol）：使用串行線路通信的面向字節(jié)的協(xié)議，應(yīng)用在直接連接兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的鏈路之上。設(shè)計(jì)目的是用來(lái)通過(guò)撥號(hào)或?qū)＞€方式建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接發(fā)送數(shù)據(jù)，使其成為各種主機(jī)、網(wǎng)橋和路由器之間簡(jiǎn)單連接的一種共同的解決方案
  HDLC協(xié)議（High-level Data Link Control）是面向比特的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。不依賴于任何一種字符編碼集，全雙工通信，所有幀采用CRC檢驗(yàn)，對(duì)信息幀進(jìn)行編號(hào)，傳輸可靠性高

• 數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備
  網(wǎng)橋：兩個(gè)或多個(gè)以太網(wǎng)通過(guò)網(wǎng)橋連接起來(lái)之后，就稱為一個(gè)覆蓋范圍更大的以太網(wǎng)，而原來(lái)的每個(gè)以太網(wǎng)就可稱為一個(gè)網(wǎng)段，各網(wǎng)段相互獨(dú)立。網(wǎng)橋工作在鏈路層的MAC子層。
  局域網(wǎng)交換機(jī)：網(wǎng)橋的限制是在任意時(shí)刻只能執(zhí)行一個(gè)幀的轉(zhuǎn)發(fā)操作，于是出現(xiàn)了局域網(wǎng)交換機(jī)，它是一個(gè)多端口的網(wǎng)橋。它的原理是檢測(cè)從以太端口來(lái)的數(shù)據(jù)幀的源和目的地的MAC地址，然后與系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)查找表進(jìn)行查找，若數(shù)據(jù)幀的MAC地址不在查找表中，則將該地址加入查找表，并將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給相應(yīng)的端口。