計算機網絡筆記3-數據鏈路層

目錄

• 功能概述
  • 基本概念
  • 功能概述
• 幀
  • 封裝成幀
  • 透明傳輸
  • 組幀的四種方法
    • 字符計數法
    • 字符填充法
    • 零比特填充法
    • 違規編碼法
• 差錯控制
  • 差錯
  • 檢錯編碼
    • 奇偶校驗碼
    • CRC循環冗余碼
  • 糾錯編碼
    • 海明碼
• 流量控制與可靠傳輸機制
  • 流量控制
  • 流量控制的方法
    • 停止-等待協議
    • 后退N幀協議(GBN)
    • 選擇重傳協議(SR)
• 訪問控制
  • 傳輸數據使用的兩種鏈路
  • 介質訪問控制
    • 信道划分介質訪問控制
    • 隨機訪問MAC協議
    • 輪詢訪問MAC協議/輪流協議/輪轉訪問MAC協議
    • 靜態划分信道
      • 頻分多路復用FDM
      • 時分多路復用TDM
      • 波分多路復用WDM
      • 碼分多路復用CDM
    • 動態分配信道
      • 輪詢協議
      • 令牌傳遞協議
      • AlOHA協議
      • CSMA協議
      • CSMA/CD協議
      • CSMA/CA協議
• 局域網
  • 拓撲結構
  • 傳輸介質
  • 介質訪問控制方法
  • 局域網分類
  • MAC子層和LLC子層
  • 以太網
    • 10BASE-T以太網
    • 適配器和MAC地址
    • 以太網MAC幀
    • 高速以太網
  • 無線局域網
    • IEEE 802.11
    • 分類
      • 有固定基礎設施無線局域網
      • 無固定基礎設施無線局域網的自組織網絡
• 廣域網
  • 廣域網
  • PPP協議
  • HDLC協議*
  • PPP協議&HDLC協議
• 鏈路層設備
  • 網橋&交換機
    • 網橋
    • 多接口網橋--以太網交換機
  • 沖突域和廣播域

功能概述

基本概念

結點:主機丶路由器

鏈路:網絡兩個結點之間的物理通道,鏈路的傳輸介質主要有雙絞線丶光纖和微波.分為有線鏈路丶無線鏈路.

數據鏈路:網絡中兩個結點之間的邏輯通道,把實現控制數據傳輸協議的硬件和軟件加到鏈路上就構成了數據鏈路.

幀:鏈路層的協議數據單元,封裝網絡層數據報.

數據鏈路層負責通過一條鏈路從一個結點向另一個物理鏈路直接相連的相鄰結點傳送數據報.

功能概述

數據鏈路層在物理層提供服務的基礎上向網絡層提供服務,其最基本的服務是講源自網絡層來的數據可靠地傳輸到相鄰節點的目標機網絡層.其主要作用是加強物理層傳輸原始比特流的功能,講物理層提供的可能出錯的物理連接改造成為邏輯上無差錯的數據鏈路,使之對網絡層表現為一條無差錯的鏈路.

• 功能一:為網絡層提供服務.無確認無連接服務,有確認無連接服務,有確認面向連接服務.(有連接一定有確認)
• 功能二:鏈路管理,即連接的建立丶維持丶釋放(用於面向連接的服務)
• 功能三:組幀
• 功能四:流量控制
• 功能五:差錯控制(幀錯/位錯)

幀

封裝成幀

在一段數據的前后部分添加首部和尾部,這樣就構成了一個幀.在接收端在收到物理層上交的比特流后,就能根據首部和尾部的標記,從收到的比特流中識別幀的開始和結束.

首部和尾部包含許多的控制信息,他們的一個重要作用:幀定界(確定幀的界限)

幀同步:接收方應當能從接收到的二進制比特流中區分出幀的起始和終止.

透明傳輸

指無論所傳數據是什么樣的比特組合,都應當能夠在鏈路上傳送.因此,鏈路層就"看不見"有什么妨礙數據傳輸的東西.

當所傳數據中的比特組合恰巧與某一控制信息完全一樣,就必須采取適當的措施,是收方不會將這樣的數據誤認為某種控制信息.這樣才能保證數據鏈路層的傳輸時透明的.

組幀的四種方法

字符計數法

幀首部使用一個計數字段(第一個字節,八位)來標明幀內字符數.

痛點:雞蛋裝在一個籃子里

字符填充法

①.當傳送的幀是由文本文件組成(ASCII碼)時,不管從鍵盤上輸入什么字符都可以放在幀里傳過去,即透明傳輸

②.當傳送的幀是由非ASCII碼的文本文件組成時(二進制代碼的程序或圖像等)就要采用字符填充方法實現透明傳輸.

過程:

首先下面是幀的原始數據(其中幀數據中有一些控制信息)

發送端需要把無關的控制信息通過轉義字符把其轉義掉(如圖中的ESC)

接收端收到數據后需把轉義字符給刪掉即可得到原始的數據

零比特填充法

(5 "1" 1 "0")

操作:

1.在發送端,掃描整個信息字段,只要連續5個1,就立即填入1個0。

2.在接收端收到一個幀時,先找到標志字段確定邊界,再用硬件對比特流進行掃描。發現連續5個1時,就把后面的0刪除。

保證了透明傳輸:在傳送掉的比特流中可以傳送任意比特組合,而不會引起對幀邊界的判斷錯誤。

違規編碼法

如上圖的曼切斯特編碼中,"高-低"表示1,"低-高"表示0

則可以用"高-高","低-低"來定界幀的起始和終止。

由於字節計數法中Count字段的脆弱性(其值若有差錯將導致災難性后果)以及字符填充實現上的復雜性和不兼容性,目前較普通使用的的幀同步法是比特填充法和違規編碼法。

差錯控制

差錯

傳輸中的差錯都是由於噪聲引起的。

全局性:1.由於線路本身電氣特性所產生的隨機噪聲(熱噪聲),是信道固有的,隨機存在的。

解決辦法:提高信噪比來減少或避免干擾。

局部性:2.外界特定的短暫原因所造成的沖擊噪聲,是產生差錯的主要原因。

解決辦法:通常利用編碼技術來解決。

差錯主要分為:

• 位錯:比特位出錯,1變為0,0變為1。
• 幀錯:丟失,重復,失序

檢錯編碼

奇偶校驗碼

(n-1位信息元 1位校驗元)

奇校驗碼:"1"的個數為奇數

偶校驗碼:"1"的個數為偶數

特點:

只能檢查出奇數個比特錯誤,檢錯能力為50%。

CRC循環冗余碼

發送端: 最終發送的數據=要發送的數據+幀檢驗序列FCS(冗余碼)

計算冗余碼:

(1).加0 假設生成多項式G(x)的階的r,則加r個0 注:多項式N位,階N-1位

(2).模2除法 數據加0后除以多項式,余數為冗余碼/FCS/CRC檢驗碼的比特序列

接收端檢錯過程:

把收到的每一幀都除以同樣的除數,然后檢查得到的余數R。

1.余數為0,判定這個幀沒有差錯,接受。

2.余數不為0,判斷這個幀有差錯(無法確定到位),丟棄。

FCS的生成以及接收端CRC檢驗都是由硬件實現,處理很迅速,

因此不會厭惡數據的傳輸。

糾錯編碼

海明碼

具體體看計組筆記2那里

流量控制與可靠傳輸機制

流量控制

較高的發送速度和較低的接收能力的不匹配,會造成傳輸出錯,因此流量控制也是數據鏈路層的一項重要工作。

數據鏈路層的流量控制是點對點的,而傳輸層的流量控制是端到端的。

數據鏈路層流量控制手段:接收方收不下就不回復確認。

傳輸層流量控制手段:接收端給發送端一個窗口公告。

流量控制的方法

停止-等待協議

（發送窗口與接收窗口均等於1）

除了比特出差錯,底層信道還會出現丟包問題;實現流量控制。

丟包:物理線路故障、設備故障、病毒攻擊、路由信息錯誤等原因,會導致數據包的丟失

"停止-等待"就是每發送完一個分組就停止發送,等待對方確認,在收到確認后再發送下一個分組。

停等協議--無差錯情況:

每發送一個數據幀就停止並等待,因此用1bit來編號就夠。

停等協議--有差錯情況:

1. 數據幀丟失或檢測到幀出錯

   超時計時器:每次發送一個幀就啟動一個計時器。(超時計時器設置的的重傳時間應當比幀傳輸的平均RTT更長一些。)

   

   • 發送完一個幀后必須保留它的副本。
   • 數據幀和確認幀必須編號。

2. ACK丟失:

   

3. ACK遲到

   

性能分析:

信道利用率:發送方在一個發送周期內,有效地發送數據需要的時間占整個發送周期的比率。

\[信道利用率=(L/C)/T \]

L:T內發送L比特數據 C:發送方數據傳輸率 T:發送周期(從開始發送數據,到收到第一個確認幀為止)

信道吞吐率:

\[信道吞吐率=信道利用率*發送方的發送速率 \]

停止-等待協議的信道利用率太低。

后退N幀協議(GBN)

后退N幀協議的滑動窗口

• 發送窗口(\(\ge 1\)):發送方維持一組連續的允許發送的幀的序號。

• 接口窗口(1):接收方維持一組連續的運行接收幀的序號。

滑動窗口長度:若采用n個比特對幀編號,那么發送窗口的尺寸\(W_T\)應滿足:\(1\le W_T \le 2^n-1\)。因為發送窗口尺寸過大,就會使得接收方無法區別新幀和舊幀。

GBN發送方必須相應的三件事:

1. 上層的調用

   上層要發送數據時,發送方先檢查發送窗口是否已滿,如果未滿,則產生一個幀並將其發送;如果窗口已滿,發送方只需將數據返回給上層,暗示上層窗口。上層等一會再發送。(實際實現中,發送方可以緩存這些數據,窗口不滿時再發送幀)。

2. 收到了一個ACK

   GBN協議中,對n號幀的確認采用累積確認的方式,標明接收方已經收到n號幀和它之前的全部幀。

3. 超時事件

   協議的名字為后退N幀/回退N幀,來源於出現丟失和時延過長時發送方的行為。就像停等協議中一樣,定時器將再次用於恢復數據幀或確認幀的丟失。如果出現超時,發送方重傳所有已發送但未確認的幀。

GBN接收方要做的事:

• 如果正確收到n號幀,並且按序,那些接收方為n幀發送一個ACK,並將該幀的數據部分交付給上層。
• 其余情況都丟失幀,並為最近按序接收的幀重新發送ACK。接收方無需緩存任何失序幀,只需要維護一個信息:expectedseqnum(下一個按序接收的幀序號)。

GBN協議重點總結：

1. 累積確認（偶爾捎帶確認）
2. 接收方只按順序接收幀。不按序無情丟棄
3. 確認序列號最大的，按序到達的幀
4. 發送窗口最大為\(2^n-1\)，接收窗口大小為1

GBN協議性能分析:

優點:因連續發送數據幀而提高了信道利用率。

缺點:再重傳時必須把原來已經正確傳送的數據幀重傳,使傳送效率降低。

選擇重傳協議(SR)

選擇重傳協議的滑動窗口

發送窗口最好等於接收窗口。(大了會溢出,小了沒意義)

\(W_{Tmax}=W_{Rmax}=2^{(n-1)}\)

SR發送方必須響應的三件事

1. 上層的調用

   從上層收到數據后,SR發送方檢查下一個可用於該幀的序號,如果序號位於發送窗口內,則發送數據幀;否則就像GBN一樣,要么將數據緩存,要么返回給上層之后再傳輸。

2. 收到了一個ACK

   如果收到ACK,加入該幀序號在窗口內,則SR發送方將那個被確認的幀標記為已接收。如果該幀序號是窗口的下界(最左邊第一個窗口對應的序號),則窗口向前移動到具有最小序號的未確認幀處。如果窗口移動了並且有序號在窗口內的未發送幀,則發送這些幀。

3. 超時事件

   每個幀都有自己的定時器,一個超時事件發生后只重傳一個幀。

SR接收方要做的事

來者不拒(窗口內的幀):

SR接收方將確認一個正確接收的幀而不管其是否按序。失序的幀將被緩存,並返回給發送方一個該幀的確認幀(收誰確認誰),直到所有幀(即序號更小的幀)皆被收到為止,這時才可以將一批幀按序交付給上層,然后向前移動滑動窗口。

如果收到了窗口序號外( 小於窗口下界)的幀,就返回一個ACK。

其他情況,就忽略該幀。

SR協議重點總結

1. 對數據幀逐一確認，收一個確認一個
2. 只重傳出錯幀
3. 接收方有緩存
4. \(W_{Tmax}=W_{Rmax}=2^{(n-1)}\)

訪問控制

傳輸數據使用的兩種鏈路

• 點對點鏈路:兩個相鄰節點通過一個鏈路相連,沒有第三者。

  應用:PPP協議,常用於廣域網。

• 廣播式鏈路:所有主機共享通信介質。

  應用:早期的總線以太網、無線局域網,常用於局域網。

  典型拓撲結構:總線型、星型(邏輯總線型)

介質訪問控制

介質訪問控制的內容就是,采取一定的措施,使得兩對節點之間的通信不會發生互相干擾的情況。

信道划分介質訪問控制

信道划分介質訪問控制:將使用介質的每個設備與來自同一信道的其他設備的通信隔離開,把時域和頻域資源合理地分配給網絡上的設備。

多路復用技術:把多個信號組合在一條物理信道上進行傳輸,使得多個計算機或終端設備共享信道資源,提高信道利用率。

把一條廣播信道,邏輯上分成幾條用於兩個結點之間通信的互不干擾的字信道,實際就是把廣播信道轉變為點對點信道。

網絡負載重:共享信道效率高,且公平。

網絡負載輕:共享信道效率低。

隨機訪問MAC協議

沖突

用戶根據意願隨機發送信息,發送信息時可獨占信道帶寬。

網絡負載重:產生沖突開銷。

網絡負載輕:共享信道效率高,單個結點可利用信道全部帶寬。

輪詢訪問MAC協議/輪流協議/輪轉訪問MAC協議

既要不產生沖突,又要發送時占全部帶寬。

靜態划分信道

頻分多路復用FDM

用戶在分配到一定的頻道后,在通信過程中自始至終都占用整個頻帶。頻分復用的所有用戶在同樣的事件占用不同的帶寬(頻率帶寬)資源。

優點:充分利用傳輸介質帶寬,系統效率較高;由於技術比較成熟,實現也比較容易。

時分多路復用TDM

將時間划分為一段段等長的時分復用幀(TDM幀)。每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀占用固定序號的時隙,所有用戶輪流占用信道。

TDM幀是在物理層傳送的比特流所划分的幀,標志一個周期。

改進的時分復用--統計時分復用STDM

STDM幀是在物理層傳輸的。

每一個STDM幀中的時隙小於連接在集中器的用戶數。各用戶有了數據就隨時發往集中器的輸入緩存,然后集中器按順序依次掃描輸入緩存,把緩存中的輸入數據放入STDM幀中,一個STDM幀滿了就發出。STDM幀不是固定分配時隙,而是按需動態分配時隙。

波分多路復用WDM

波分多路復用就是光的頻分多路復用,在一根光纖中傳輸多種不同波長(頻率)的光信號,由於波長(頻率)不同,所以各路光信號互不干擾,最后再用波長分解復用器將各路波長分解出來。

碼分多路復用CDM

碼分多址(CDMA)是碼分復用的一種方式。

1個比特分為多個碼片/芯片(chip),每一個站點被指定一個唯一的m位的芯片序列。

發送1時站點發送芯片序列,發送0時發送芯片序列的反碼(通常把0寫成-1)

如何不打架:多個站點同時發送數據的時候,要求各個站點芯片序列相互正交。(規格化內積)

如何合並:合路數據在信道中被線性相加。

如何分離:合並的數據和源站規格化內積。

動態分配信道

輪詢協議

主節點輪流"邀請"從屬結點發送數據。

問題:1. 輪詢開銷 2.等待延遲 3.單點故障

令牌傳遞協議

令牌:一個特殊格式的MAC空指針,不含任何信息。控制信道的使用,確保同一時刻只有一個結點獨占信道。(令牌環網無碰撞)

每個結點都可以在一定的時間內(令牌持有時間)獲得發送數據的權力,並不是無限制地持有令牌。

問題: 1. 令牌開銷 2.等待延遲 3.單點故障

應用於令牌環網(物理星型拓撲,邏輯環形拓撲)

采用令牌傳送方式的網絡常用於負載較重、通信量較大的網絡中。

AlOHA協議

純ALOHA協議

純ALOHA協議思想:不監聽信道,不按時間槽發送,隨機重發。想發就發

如果發生沖突,接收方在就會檢測出差錯,然后不予確認,發送方在一定時間內收不到就判斷發生沖突。超時后等一隨機時間再重傳。

時隙ALOHA協議

時隙ALOHA協議思想:把時間分成若干個相同的時間片,所有用戶在時間片開始時刻同步接入網絡信道,若發生沖突,則必須等到下一個時間片開始時刻在發送。控制想發就發的隨意性。

關於ALOHA要知道的事

1. 純ALOHA比時隙ALOHA吞吐量更低,效率更低。
2. 純ALOHA想法就發,時隙ALOHA只有在時間片段開始時才能發。

CSMA協議

載波監聽多路訪問協議CSMA(carrier sense multiple access)

CS:載波偵聽/監聽,每一個站在發送數據之前要檢測一下總線上是否有其他計算機在發送數據。

MA:多點接入,表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。

協議思想:發送幀之前,監聽信道。

監聽結果:信道空閑-->發送完整幀;信道忙-->挺遲發送

1-堅持CSMA

堅持指的是對於監聽信道忙之后的堅持。

1-堅持CSMA思想:如果一個主機要發送信息,那么它先監聽信道。

空閑則直接傳輸,不必等待。忙則一直監聽,直到空閑馬上傳輸。

如果有沖突(一段時間內未收到肯定回復),則等待一個隨機長的時間再監聽,重復上述過程。

優點:只有媒體空閑,站點就馬上發送,避免了媒體利用率的損失。

缺點:假如有兩個或兩個以上的站點有數據要發送,沖突就不可避免。

非堅持CSMA

非堅持指的是對於監聽信道忙之后就不繼續監聽。

非堅持CSMA思想:如果一個主機要發送信息,那么它想監聽信道。

空閑則直接傳輸,不必等待。忙則等待一個隨機的時間再進行監聽。

優點:采用隨機的重發延遲時間可以減少沖突發生的可能性。

缺點:可能存在大家都在延遲等待過程中,使得媒體仍可能處於空閑狀態,媒體使用率降低。

p-堅持CSMA

p-堅持指的是對於監聽信道空閑的處理。

p-堅持CSMA思想:如果一個主機要發生信息,那么它先監聽信道。

空閑則以p概率直接傳輸,不必等待;概率1-p等待到下一個時間槽再傳輸。

忙則持續監聽直到信道空閑再以p概率發送。

若沖突則等到下一個時間槽再監聽並重復上述過程。

優點:既能像非堅持算法那樣減少沖突,又能像1-堅持算法那樣減少媒體空閑時間的這種方案。

發生沖突后還是要堅持把數據幀發送完,造成了浪費。

CSMA/CD協議

載波監聽多路訪問協議/碰撞檢測 CSMA/CD(carrier sense multiple access with collision detection)

CS:載波偵聽/監聽,每一個站在發送數據之前以及發送數據時要檢測一下總線上是否有其他計算機在發送數據。

CD:碰撞檢測(沖突檢測),"邊發送邊監聽",適配器邊發送數據邊檢測信道上信號電壓的變化情況,以便判斷自己在發送數據時其他站是否也在發送數據。（半雙工網絡）

傳播時延對載波監聽的影響

單程端到端傳播時延:\(\tau\)

最多是兩倍的總線端到端的傳播時延(\(2\tau\))可以直到自己發送的數據沒和別人發送碰撞。(總線的端到端往返傳播時延/爭用期/沖突窗口/碰撞窗口)(通常取51.2微秒為爭用期時間)

只要經過\(2\tau\)時間還沒有檢測到碰撞,就能肯定這次發送不會發生碰撞。

確定重傳時間

截斷二進制指數規避算法:

1. 確認基本退避(推遲)時間為爭用期\(2\tau\)。
2. 定義參數k,它等於重傳次數,但k不超過10,即\(k=min[重傳次數,10]\)。當重傳次數不超過10時,k等於重傳次數;當重傳次數大於10,看就不在增大而一直等於10。
3. 從離散的整數集合\([0,1,\cdots,2^k-1]\)中隨機取一個數r,重傳所需要退避的時間就是r倍的基本退避時間,即\(2r\cdot \tau\)。
4. 當重傳達16次仍不能成過時,說明網絡太擁擠,認為此幀永遠無法正確發出,拋棄此幀並向高層報告出錯。

若連續多次發生沖突,就表明可能有較多的站參與爭用信道。使用此算法可使重傳需要推遲的平均時間隨重傳次數的增大而增大,因而減小發生碰撞的概率,有利於整個系統的穩定。

最小幀長問題

為了使可以在幀發送時可以檢測到沖突(即CSMA/CD協議有效)

幀的傳輸時延至少要兩倍於信號在總線中的傳播時延。

\[\frac{幀長(bit)}{數據傳輸速率} \ge 2\tau \]

\[最小幀長=總線傳播時延 \times 數據傳輸速率 \times 2(2\tau \times 數據傳輸速率) \]

以太網規定最短幀長為64B,凡是長度小於64B的都式由於沖突而異常終止的無效幀。

CSMA/CA協議

載波監聽多路訪問協議/碰撞避免 CSMA/CA(carrier sense multiple access with collision avoidance)

為什么會有CSMA/CA協議

• CSMA/CD無法做到\(360^{\circ}\)全面檢測碰撞。
• 隱蔽站:當A和C都檢測不到信號,認為信道空閑時,同時向終端B發送數據幀,就會導致沖突。

工作原理:

發送數據前,先檢測信道是否空閑。

空閑則發出RTS(request to send),RTS包括發射端的地址、接收端的地址、下一份數據將持續發送的時間等信息;信道忙則等待。

接收端收到RTS后,將響應CTS(clear to send)。

發送端收到CTS后,開始發送數據幀(同時預約信道:發送方告知其他站點自己要傳多久數據)。

接受端收到數據幀后,將用CRC來檢驗數據是否正確,正確則響應ACK幀。

發送方收到ACK就可以進行下一個數據幀的發送,若沒有則一直重傳至規定次數為止。(采用二進制指數退避算法來確定隨機的推遲時間)。

CSMA/CD與CSMA/CA

相同點:CSMA/CD與CSMA/CA機制都是屬於CSMA的思路,其核心是先聽再說。換言之,兩個再接入信道之前都須要進行監聽。當發現信道空閑后,才能進行接入。

不同點:

• 傳輸介質不同:CSMA/CD用於總線式以太網(有線),而CSMA/CA用於無線局域網(無線)。
• 載波檢測方式不同:因傳輸介質不同,CSMA/CD與CSMA/CA的檢測方式也不同。CSMA/CD通過電纜中電壓的變化來檢測,當數據發生碰撞時,電纜中的電壓就會隨着發生變化;而CSMA/CA采用能量檢測(ED)、載波檢測(CS)和能量載波混合檢測三種檢測信道空閑的方式。
• CSMA/CD檢測沖突,CSMA/CA避免沖突,二者出現沖突后都會進行有上限的重傳。

局域網

局域網(Local Area Network):簡稱LAN,是指在某一區域內由多台計算機互聯成的計算機組,使用廣播信道。

• 特點1:覆蓋的地理范圍較小,只在一個相對獨立的局部訪問內聯,如一座或集中的建築群內。
• 特點2:使用專門鋪設的傳輸介質(雙絞線、同軸電纜)進行聯網,數據傳輸速率高(10Mb/s~10Gb/s)。
• 特點3:通信延遲時間短,誤碼率低,可靠性較高。
• 特點4:各站為平等關系,共享傳輸信道。
• 特點5:多采用分布式控制和廣播式通信,能進行廣播和組播

決定局域網的主要要素為:網絡拓撲,傳輸介質和介質訪問控制。

拓撲結構

星型拓撲:中心節點是控制中心,任意兩個節點間的通信最多只需兩步,傳輸速度快,並且網絡構形簡單、建完容易、便於控制和管理。但這種網絡系統,網絡可靠性低,網絡共享能力差,有單點故障問題。

總線型拓撲:網絡可靠性高、網絡節點間響應速度快、共享資源能力強、設備投入量少、成本低、安裝使用方便,當某個工作站節點出現故障時,對整個網絡系統影響小。

環型拓撲:系統中通信設備和線路比較節省。有單點故障問題;由於環路是封閉的,所以不便於擴充,系統響應延時長,且信息傳輸效率相對較低。

樹型拓撲:易於拓展,易於隔離故障,也容易有單點故障。

傳輸介質

有線局域網:常用介質:雙絞線、同軸電纜、光纖

無線局域網:常用介質:電磁波

介質訪問控制方法

1. CSMA/CD: 常用於總線型局域網,也用於樹型網絡
2. 令牌總線:常用於總線型局域網,也用於樹型網絡
3. 令牌環:用於環型局域網,如令牌環網

局域網分類

• 以太網:以太網是應用最為廣泛的局域網,包括標准以太網(10Mbps)、快速以太網(100Mbs)、千兆以太網(1000Mbps)和10G以太網,它們都符合IEEE802.3標准規范。邏輯拓撲總線型,物理拓撲是星型或拓展星型。使用CSMA/CD。
• 令牌環網:物理上采用星形拓撲結構,邏輯上是環型拓撲結構。已是"明日黃花"。（IEEE802.5）
• FDDI網(Fiber Distributed Data Interface):物理上采用了雙環拓撲結構,邏輯上是環型拓撲結構。
• ATM網(Asynchronous Transfer Mode):較新型的單元交換技術,使用53字節固定長度的單元進行交換。
• 無線局域網(Wireless Loacl Area network;WLAN):采用IEEE 802.11標准。

MAC子層和LLC子層

IEEE 802標准所描述的局域網參考模式只對應OSI參考模型的數據鏈路層與物理層，它將數據鏈路層划分為邏輯鏈路層LLC子層和介質訪問控制MAC子層。

LLC負責識別網絡層協議,然后對它們進行封裝。LLC報頭告訴數據鏈路層一旦幀被接收到時,應當對數據報做何處理。為網絡層提供服務:無確認無連接、面向連接、帶確認無連接、高速傳送。

MAC子層的主要功能包括數據幀的封裝/卸裝,幀的尋址和識別,幀的接收與發送,鏈路的管理,幀的差錯控制等。MAC子層的存在屏蔽了不同鏈路種類的差異性。

以太網

以太網(Ethernet)指的時由Xerox公司創建並由Xerox、Intel和DEC公司聯合開發的基帶總線局域網規范,是當今現有局域網采用的最通用的通信的通信協議標准。以太網絡使用CSMA/CD技術。

以太網在局域網各種技術中占統治性低位:

1. 造價低廉(以太網卡不到100快);
2. 是應用最廣泛的局域網技術;
3. 比令牌環網、ATM網便宜,簡單;
4. 滿足網絡速率要求:10Mb/s~10Gb/s。

以太網提供無連接、不可靠的服務

無連接:發送方和接收方之間無"握手過程"。

不可靠:不對發送方的數據幀編號,接收方不向發送方進行確認,差錯幀直接丟棄,差錯糾正由高層負責。

以太網只實現無差錯接收,不實現可靠傳輸。

10BASE-T以太網

10BASE-T以太網是傳送基帶信號的雙絞線以太網,T表示采用雙絞線,現10BASE-T采用的是無屏蔽雙絞線(UTP),傳輸速率是10Mb/s。

**采用曼切斯特編碼。采用CSMA/CD介質訪問控制 **

物理上采用星型拓撲,邏輯上總線型,每段雙絞線最長為100m。

適配器和MAC地址

計算機與外界有局域網的連接是通過通信適配器的。

適配器上裝有處理器和存儲器(包括RAM和ROM)。

ROM上有計算機硬件地址MAC地址。

在局域網中,硬件地址又稱為物理地址,或MAC地址(實際上是標識符)

MAC地址:每一個適配器有一個全球唯一的48位二進制地址,前24位代表廠家(由IEEE規定),后24位廠家自己指定。常用6個十六進制數表示,如02-60-8c-e4-b1。

以太網MAC幀

最常用的MAC幀是以太網V2的格式。

與IEEE 802.3的區別:

1. 第三個字段是長度/類型
2. 當長度/類型字段值小於0x0600時,數據字段必須裝入LLC子層。

高速以太網

速率\(\ge100Mb/s\)的以太網稱為高速以太網。

1. 100BASE-T以太網

   在雙絞線上傳送100Mb/s基帶信號的星型拓撲以太網,仍使用IEEE802. 3的CSMA/CD協議。

   支持全雙工和半雙工,可在全雙工方式下工作而無沖突。

   保持最短幀長不變，但將一個網段的最大電纜長度減小到100m。幀間時間間隔從原來的9.6us改為了現在的0.96us。

2. 吉比特以太網

   在光纖或雙絞線上傳送1Gb/s信號。

   支持全雙工和半雙工,可在全雙工方式下工作而無沖突。

3. 10吉比特

   10吉比特以太網在光纖上傳送10Gb/s信號。

無線局域網

IEEE 802.11

IEEE 802.11是無線局域網通用的標准 ,它是由IEEE所定義的無線網絡通信標准。

802.11的MAC頭格式

分類

有固定基礎設施無線局域網

無固定基礎設施無線局域網的自組織網絡

廣域網

廣域網

廣域網(WAN,Wide Area Network),通常跨接很大的物理范圍,所覆蓋的范圍從幾十公里到幾千公里,它能連接多個城市或國際,或橫跨幾個洲並能提供遠距離通信,形成國際性的遠程網絡。

廣域網的通信子網主要使用分組交換技術。廣域網的通信子網可以利用公用分組交換網、衛星通信網和無線分組交換網,它將分布在不同地區的局域網或計算機系統互連起來,達到資源共享的目的。如因特網(Internet)是世界上范圍內最大的廣域網。

PPP協議

點對點協議(Point-to-Point Protocol)是目前使用最廣泛的數據鏈路層協議,用戶使用撥號電話接入因特網時一般都使用PPP協議。

只支持全雙工鏈路。

PPP協議應滿足的要求

• 簡單:對於鏈路層的幀,無需糾錯,無需序號,無3需流量控制。
• 封裝成幀:幀定界符
• 透明傳輸:與幀定界符一樣比特組合的數據應該如何處理:異步線路用字節填充,同步線路用比特填充。
• 多種網絡層協議：封裝的IP數據報可以采用多種協議
• 多種類型鏈路:串行/並行,同步/異步,電/光...
• 差錯檢測:CRC檢錯，錯就丟棄。
• 檢測連接狀態:鏈路是否正常工作。
• 最大傳送單元:數據部分最大長度MTU。
• 網絡層地址協商:知道通信雙方的網絡層地址。
• 數據壓縮協商

PPP協議無需滿足的要求

糾錯,流量控制,序號,不支持多點線路。

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(同步串行/異步串行)的方法
2. 鏈路控制協議LCP:建立並維護數據鏈路連接。(身份驗證)
3. 網絡控制協議NCP:PPP可支持多種網絡層協議,每個不同的網絡有層協議都要一個相應的NCP來配置,為網絡層協議建立和配置邏輯連接。

PPP協議的狀態圖:

PPP協議的幀格式:

(面向字節)

HDLC協議*

高級數據鏈路控制(High-Level Data Link Control或簡稱HDLC),是一個在同步網上傳輸數據、面向比特的數據鏈路層協議,它是由國際標准化組織(ISO)根據IBM公司的SDLC(SynchrounousData Link Control)協議擴展開發而成的。

數據報文可透明傳輸,用於實現透明傳輸的"0比特插入法"易於硬件實現。

采用全雙工通信。

所有幀采用CRC檢驗,對信息幀進行順序編號,可防止漏收或重份,傳輸可靠性高。

HDLC的站

1. 主站的主要功能是發送命令(包括數據信息)幀、接收響應幀,並負責對整個鏈路的控制系統的初啟、流程的控制、差錯檢測或恢復等。
2. 從站的主要功能是接收由主站發來的命令幀,向主站發送響應幀,並且配合主站參與差錯恢復等鏈路控制。
3. 復合站的主要功能是既能發送,又能接收命令幀和響應幀,並且負責整個鏈路的控制。

三種數據操作方式:

1. 正常響應方式
2. 異步平衡方式
3. 異步響應方式

HDLC的幀格式:

1. 信息幀(I)第1位為0,用來傳輸數據信息,或使用捎帶技術對數據進行確認。
2. 監督幀(S)10,用來流量控制和差錯控制,執行對信息幀的確認、請求重發和請求暫停發送等功能。
3. 無編號幀(U)11,用於提供對鏈路的建立、拆除等多種控制功能。

PPP協議&HDLC協議

HDLC*、PPP只支持全雙工鏈路。

都可以實現實現透明傳輸。

都可以實現差錯檢測,到不糾正差錯。

PPP協議	面向字節	2B協議字段	無序號和確認機制	不可靠
HDLC協議	面向比特	沒有	有編號和確認機制	可靠

鏈路層設備

網橋&交換機

網橋

網橋根據MAC幀的目的地址對幀進行轉發和過濾。當網橋收到一個幀時,並不向所有接口轉發此幀,而是先檢查此幀的目的MAC地址,然后再確定將該幀轉發到哪一個接口,或者把它丟棄(即過濾)。

網段:一般指一個計算機網絡中使用同一物理層設備(傳輸介質,中繼器,集線器等)能夠直接通訊的那一部分。

網橋優點:

1. 過濾通信量,增大吞吐量。
2. 擴大了物理范圍。
3. 提高了可靠性。
4. 可互連不同物理層、不同MAC子層和不同速率的以太網。

網橋分類-透明網橋:

"透明"指以太網的站點並不知道所發送的幀將經過哪幾個網橋,是一種即插即用設備--自學習。

網橋分類-源路由網橋:

在發送幀時,把詳細的最佳路由信息(路由最少/時間最短)放在幀的首部中。

方法:源站以廣播方式向欲通信的目的站發送一個發現幀。

多接口網橋--以太網交換機

獨占傳輸媒體帶寬

兩種交換方式:

• 直通式交換機:查完目的地址(6B)就立刻轉發。

  延遲小,可靠性低,無法支持具有不同速率的端口的交換。

• 存儲轉發式交換機:將幀放入高速緩存,並檢查是否正確,正確則轉發,錯誤則丟棄。

  延遲大,可靠性高,可以支持具有不同速率的端口的交換。

沖突域和廣播域

沖突域:在同一個沖突域中的每一個節點都能收到所有被發送的幀。簡單來說就是同一時間內只能有一台設備發送信息的范圍。

廣播域:網絡中能接收任一設備發出的廣播幀的所有設備的集合。簡單的說如果站點發出一個廣播信號,所有能接收收到這個信號的設備范圍稱為一個廣播域。(相當於VLAN虛擬局域網)

	能否隔離沖突域	能否隔離廣播域
物理層設備[傻瓜] (中繼器、集線器)	×	×
鏈路層設備[路人] (網橋、交換機)	√	×
網絡層設備[大佬] (路由器)	√	√
虛擬局域網（VLAN）	√	√

參考:VLAN詳細可看:https://www.yuque.com/yunwuxin/computer-network/7b17be21-be92-4281-98c9-b7dda05ce4ef?language=en-us