基本概念
- 差错是由于噪声引起的
- 热噪声：信道固有，随机差错。解决办法：提高信噪比来降低干扰。
- 冲击噪声：外界电磁干扰产生，突发差错。解决办法：利用编码技术解决。
- 结点：主机、路由器
- 链路：物理通道。【有线、无线】
- 数据链路：逻辑通道。【实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上】
- 帧：协议数据单元，封装网络层数据报
功能概述 P63-64
- 为网络层提供服务
- 无确认无连接 实时通信，误码率低——以太网
- 有确认无连接 误码率高——无线通信
- 有确认有连接 通信要求高长河
- 链路管理
- 连接的建立、维持、释放【用于面向连接服务】
- 组帧
- 流量控制
- 差错控制（帧错/位错）
封装成帧&透明传输
封装成帧：在IP数据报的前后添加首部和尾部，首部和尾部中有许多控制信息，起到帧定界作用。
透明传输： 不管是所传数据是什么样的比特组合，都应当在链路上传送。
帧同步：接收方能从二进制比特流中区分中帧的起始和终止。
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
组帧 P66
字节计数法
帧首部使用一个计数字段表明帧内字符数。【计数字段本身占一个字符】
字符填充法
使用控制字符SOH表示帧的开始，EOT(end of transmission)表示帧的结束。
- 传送帧由文本文件组成（ASCII码），为透明传输
传送帧为非ASCII码时，采用字符填充方法完成透明传输。
- **填充转义字符（ESC）**，用于区分与结束符相同的数据字节。【ESC/(ESC|SOH|EOT)】
零比特填充法
判断依据： 以 0 111111(6个1) 0 标志开始和结束。
解决与数据重复方法： 5 “1” 1 “0”发送端，扫描5个1，后面填充1个0
- 接收端，确定边界后，扫描5个1，删除一个0.
违规编码法
将编码中不会采用的编码，作为帧的开始和结束标志。
例如：曼彻斯特编码中，“高-高”，”低-低”等。
差错控制
- 位错：比特位出错，0->1，1->0
- 帧错：丢失，重复，失序
检错编码
奇偶校验码
n-1个信息元，添加1为校验元“1”。
若采用只能检查出奇数个比特错误，检错能力50%。
【奇数个比特位错误：有奇数个0变成1或1变成0的情况】…CRC循环冗余码
编码部分：
检错部分
- 把收到的帧除以同样的生成多项式，余数为0则帧无差错。
- 考试认为：凡是接收端数据链路层 接收的帧，都认为在传输过程中没有差错。有差错的都被丢弃了。
纠错编码
海明距离(码距)：两个码字之间取值不同的比特数。[001->000 : 1位海明距离]；
一个编码集中，任意两个合法编码(码字)的海明距离最小值[000,001,111：min(三者海明距离) = 1]
检测N为错误，码距至少为N+1；纠正N位错，码距至少为2N+1
海明码
- 确定校验码位数r
数据m位，冗余码/校验码r位，满足： 2r >= m + r + 1 （2r为校验码取值，右边为m+r种出错可能，以及一种正确可能）
- 确定校验码分布
校验码Pi在海明码的 2i-1的位置上
- 求出校验码的值
P3负责：1，P2负责1，P3负责1
且通常采用偶校验
例如：
- 检错与纠错
- 检错
-
- S1 = 1,3,5,7取值异或；S2 = 2,3,6,7取值异或；S3 = 4,5,6,7取值异或
若S3S2S1 = 000，则无差错
纠错
纠错方法一：画图，集合取交集，边缘为校验码取值
【图中：由于1号与4号校验码错误，故其交集5,7中存在错误；但2号不存在错误，排除7，错误位数为5】纠错方法2：
对应检错方法2，S3S2S1≠0时，即错误位数。
比如为001，说明错误位数为1
流量控制与可靠传输
链路层的流量控制是点到点，传输层的流量控制是端到端。
链路层的流量控制手段：接收方收不下就不回复确认。
传输层流量控制：接收端给发送端一个窗口公告。
流量控制
停止—等待
理解为：发送窗口和接收窗口均为1的特殊滑动窗口协议。
- 无差错情况
- 有差错情况【确认以及超时重传机制 保证 可靠传输】
- 数据帧丢失或者帧出错
利用一个超时计时器，超时计时器的重传时间略长于平均RTT。
数据帧与确认帧必须编号，对应检测是否有帧出错。
- ACK丢失
利用超时计时器，发送方再发一次，接收方丢弃重复，再回复一个确认帧。
- ACK迟到
对于来晚的确认帧，直接丢弃
信道利用率
（L/C）/T【L:T时间内发送L比特数据；C：发送方的数据传输率；T：从开始发送，到收到第一个确认帧为止】
信道吞吐率 = 信道利用率 * 发送方的发送速率
80% = (L/4) / [30*2+L/4]
后退N帧协议（GBN）
发送方
- 响应上层调用：发送窗口未满则组帧发送；已满缓存
- 收到ACK：GBN中，采用累积确认的方式，表明接收方已经收到了n号帧以及之前的全部帧
- 超时：出现超时，重传所有已发送但未被确认的帧。
接收方
- 按序收到n号帧，发送一个ACKn，并且将该帧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。 0 1 2 4 5【丢弃45，发送2】
滑动窗口长度
采用n个比特对帧编号，发送窗口的尺寸WT： 1=<WT<=2n-1 , 发送窗口尺寸过大，接收方会无法区别新帧和旧帧。
性能分析
- 连续发送帧提高利用率
- 重传时，必须把正确的数据帧重传
选择重传协议（SR）
【思想：设置单个确认，加大接收窗口，设置接收缓存，缓存乱序到达的帧。】
发送方
- 响应上层调用：发送窗口未满则组帧发送；已满缓存
- 收到ACK：将对应帧标记为接收。如果该帧为窗口下界，则窗口移动到最小序号未确认帧处。
- 超时：一个超时后只重传对应的一个帧
接收方
- 窗口内：来者不拒。失序的帧将会被缓存，并返回确认。直到能够向前移动滑动窗口，才向上层交付一批帧。
- 窗口外：小于窗口下界时，返回一个ACK，其余忽略
滑动窗口长度
- 满足：WR + WT <= 2n
- 发送窗口最好等于接收窗口
采用n个比特对帧编号，发送窗口的尺寸WT：WT<=2n-1 , 发送窗口尺寸过大，接收方会无法区别新帧和旧帧。
- 缓冲区数目等于窗口大小
【易混考点比较】数据传输率VS平均数据传输率
- 数据传输率：每秒发送的数据量（物理层）
- 平均数据传输率：
**发送周期发送的数据量 / 发送周期**（数据链路层）
【易混考点比较】信道利用率VS平均数据传输率
- 最大信道利用率：（L/C）/T
- 最大平均速度传输速率
- 制约数据传输速率因素：①信道带宽②协议所限制的发送窗口大小
- MIN{带宽，平均数据传输率}
【2012】两台主机之间的数据链路层采用了后退N帧协议（GBN）传输数据，数据的传输速率为16kbps，单向传播时延为270ms,数据帧的长度范围是128~512字节，接收方总是以数据帧等长的帧进行确认（即确认帧长度与发送的帧一样大）。为使信道利用率最高，帧序列的比特数至少是
- 满足信道利用率100%的情况为：窗口中的帧能够在一个发送周期内持续被发送的最小个数
- 发送周期：发送方开始发第一帧 —> 发送方第一个确认帧全部接收
窗口大小 = [(L/C)+T] 2 C / L [红色部分为：发送周期；+蓝色：数据长度；\绿色：窗口大小]
可知，窗口大小与帧长度成反比，因此此处选择128字节进行计算
可靠传输
介质访问控制（Medium Access Control）
两种链路
- 点对点：两个相邻结点通过一个链路相连。应用：PPP协议，常用于广域网
- 广播式：所有主机共享通信介质。应用：早期总线以太网、无线局域网，常用于局域网。
拓扑结构：总线型，星型（逻辑总线型）
信道划分介质访问控制
概念：把使用介质的每个设备与来自同一信道的其他设备通信隔离开，把时域和频域合理分配。
频分多路复用（FDM）
-
时分多路复用（TDM）
将时间划分成一段段登场的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用用户在每一个TDM帧占用固定序号的时隙。TDM帧是在物理层传送比特流所划分的一个帧。
- 改进：统计时分复用（STDM）
- 通过一个集中器收集各个用户数据，由集中器按需动态分配时隙。
- STDM帧时隙数 ＜ 集中器上的用户数
- 缓存中 凑够一个STDM帧，即可发送
- 介质的位速率：线路传输速率；单个信号的位速率：每个用户的最高速率
TDM用户共享带宽，单个信号的位速率小于介质的位速率。STDM是每个用户的最高速率可以达到线路传输速率。
波分多路复用（WDM）
光的频分多路复用
码分多路复用（CDM）
- 码分复用既共享了空间，又共享了时间
- CDM常用码分多址（CDMA）方式：将每个比特时间划分成m个短的时间槽。即发送信号用向量表示，A,B同时向C发送信号，要求两个向量互相正交。
【考点】
- 发送1时发送芯片序列，发送0时发送芯片序列反码。
- 比特1:00011011(A向C发 比特2:00101110（B向C发【解题过程】
第三步时，C站已知A与B两个站点的芯片序列，只看算出来的值的正负，从而数据分离出比特是0或1
随机访问介质访问控制
ALOHA协议【不监听信道】
- 纯ALOHA协议：不监听信道，不按时间槽发送，随机重发。【想发就发】
- 检测冲突：在一段时间未收到确认即发生冲突。
- 解决冲突：超时后等待一随机时间重传。
- 时隙ALOHA协议：把时间分成若干个相同的时隙（Slot），只能在每个时隙开始时才能发送一个帧。
CSMA协议【监听信道】
载波监听多路访问控制（carrier sense multiple access）
CS：载波监听——在发送数据之前检测总线上是否有其他计算机在发送主句
MA：多点接入【总线型】
- 1-坚持CSMA
空闲直接传输，忙则监听到空闲马上传输，有冲突等待一个随机长的时间再监听。
优点：空闲就发送，避免媒体利用率损失。
缺点：两个以上站点想同时发送数据，冲突无法避免。
- 非坚持CSMA
空闲直接传输，忙则等待一个随机时间再监听。
优点：减少冲突发生可能性
缺点：媒体处于空闲使媒体使用率降低
- P-坚持CSMA
空闲以概率p传输，1-p的概率等待下一个时间槽。忙则持续监听，冲突等到下一个时间槽开始再监听。
CSMA/CD协议【先听再说，边听边说】
载波监听多点接入碰撞检测（carrier sense multiple access with collision detection）
CD: “边发送边监听”，判断自己在发送数据时其他站点是否也在发送数据【半双工网络】
传播时延对载波监听的影响
【τ为单程端传播时延】
单端传播时延中，包含来回往返时间与其他消耗（线路里中继器数目等等）
由图可知：A检测碰撞的时间为：2τ-δ。
最迟检测碰撞时间为：2τ 【总线端到端往返传播时延，又称争用期/冲突窗口/碰撞窗口】
【确定重传时间】二进制退避算法
二进制退避算法，考虑了负载(↑，则冲突↑) 对冲突的影响。
【最小帧长问题】
- 目的：为了避免检测到碰撞以前帧已经发完，避免检测机制无用
- 最小帧长 = 总线传播时延 数据传输速率 2 = 2τ * 数据传输速率
- 以太网规定最短帧长为64B，长度小于64B的都是无效帧。
CSMA/CA协议（理解，非重）
CA：collision avoidance
通常运用于无线局域网：①无线介质信号强度变化范围大，无法做到全面的碰撞检测②隐蔽站
【隐蔽站指：当A和C都检测不到对方信号时，同时向中间的B发数据，就会导致冲突】
工作原理
- 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；信道忙则等待。 - 接收端收到RTS后，将响应CTS（clear to send）。
- 发送端收到CTS后，开始发送数据帧（同时预约信道：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（采用二进制指数
退避算法来确定随机的推迟时间）。
与CD的比较
- 传播介质不同：CD用于总线式以太网【有线】，CA用于无线局域网【无线】
- 载波检测方式不同
- CD检测冲突，CA避免冲突，出现冲突后都会进行有上限的重传。
轮询介质访问控制
【既不产生冲突，又能在发送时占用全部带宽】
【轮询协议：主节点轮流邀请子节点发送数据】
【重点：令牌传送协议】
- 令牌：一个特殊格式的MAC帧，控制信道的使用，确保同一时刻独占信道，令牌环网无碰撞。
- 问题：令牌开销，等待延迟，单点故障
- 应用于：令牌环网，常用于负载较重，通信量较大的网络。
局域网 P104
【使用广播信道】
- 特点：P104
- 决定局域网的三大要素：网络拓扑、传输介质、介质访问控制方式
- 拓扑结构
- 星型：通信最多只需两步，可靠性低，共享能力差，单点故障
- 总线：可靠性高，….（优
- 环、树：单点故障
- 以太网为逻辑上总线，物理上星型
- 传输介质
- 有线：双绞线（UTP：无屏蔽双绞线）、同轴电缆、光纤
- 无线：电磁波
- 介质访问控制方式
- CSMA/CD：总线型局域网
- 令牌总线：总线型局域网【把总线和树形网络中各个工作站按照一定顺序排列成逻辑环，只有令牌持有者才能控制总线】
- 令牌环： 环形局域网，如令牌环网
- 分类
- 以太网：IEEE802.3标准，逻辑拓扑总线，物理拓扑星型，使用CSMA/CD
- 令牌环网：逻辑环形，物理星型。IEEE802.5
- FDDI（Fiber Distributed Data Interface）光纤分布式数据接口。IEEE802.8
- ATM网
- 无线局域网(WLAN)：IEEE 802.11
以太网
基带总线局域网规范，使用CSMA/CD技术
以太网的两个标准：DIX Ethernet V2 || IEEE 802.3
功能：无差错接收，不实现可靠传输。提供无连接，不可靠服务。
以太网是一种广播式网络，每台计算机都花时间来处理所有广播信息，连在总线上的所有结点（包括发送结点）都能“收听”到发送结点发送的数据信号。
10BASE-T以太网
BASE前面的数字代表数据率，单位Mb/s。”BASE”指介质的信号为基带信号；后面的5或2表示每段电缆的最长长度为500m或200m(实际上185m)，T表示双绞线，F表示光纤。
- 传输基带信号的双绞线以太网，采用无屏蔽双绞线，传输速率是10Mb/s
- 物理上星型，逻辑上总线，每段双绞线最长为100m
- 曼彻斯特编码
-
适配器与MAC地址
计算机和外界局域网的连接使用通信适配器（网络适配器，网卡
网卡实现物理层和数据链路层。
MAC地址：每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家（由IEEE规定），后24位厂家自己指定。
通常ARP协议查得
【MAC帧格式】(常用DIX Ethernet V2格式) 如下：
数据范围上限1500由MTU决定，下限46由CSMA/CD最小帧长决定（帧太短时，需要进行填充
- FCS（校验码）：4字节，采用32bit循环冗余码。
note：MAC帧不需要帧结束符，但MAC帧需要尾部。因为使用曼彻斯特编码以及各帧之间有间隙，因此当检测不到电压变化时，即说明已发明完成。
高速以太网
- 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。
- 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。
- 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
无线局域网
IEEE 802.11
MAC帧头格式
RA，TA：为实际收发数据中的两个基站地址。
【考点】根据实际场景，确定MAC帧格式，从而推出不同ADDR里面存储内容
有固定基础设施的无线局域网 P107
无固定基础设施的无线局域网 P108 【非重点】
广域网
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。
PPP协议
用户使用拨号电话接入因特网时，一般使用PPP协议。只支持全双工链路。
组成
- 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。
- 链路控制协议LCP[物理]：建立并维护数据链路连接。 身份验证
- 网络控制协议NCP[逻辑]：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。
【无链路 -> 物理链路 -> LCP链路 -> 已鉴别LCP链路 -> 已鉴别LCP链路和NCP链路】
帧格式？
【要明白每个字段的意思】
NOTE：
- PPP提供差错检测但不提供纠错，只保证无差错接收。不可靠传输，不使用序号以及确认
- 仅支持点对点，不支持多点线路
- PPP两端可以是不同的网络层协议
保证透明传输，加入出现帧定界符与信息字段重复：异步字节填充，同步比特填充。
HDLC协议
一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议
站
- 主站：负责链路操作控制
- 从站：响应主站命令
- 复合站
- 数据操作方式
- 正常响应
- 异步平衡：每个复合站都可以对另一站进行数据传输
- 异步响应：从站未经过主站允许也可传输
- 帧
- 信息帧
- 监督帧
- 无编号帧
二者比较
链路层设备
网桥
网桥根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，而是
先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或者是把它丢弃（即过滤）。
【网桥处理对象是帧，工作在链路层；中继器，放大器处理对象是信号，工作在物理层】
【网桥分割了冲突域，假设每个网段数据率都是10Mb/s，三个网段的最大吞吐量就是30Mb/s；而集线器和中继器让三个网段处于同一冲突域，最大吞吐量仍为10Mb/s】
透明网桥【自学习】
- 源LAN和目的LAN相同，丢弃该帧
- 源LAN和目的LAN不同，转发该帧
- 目的LAN未知，扩散该帧
源路由网桥
- 路由选择由发送数据帧的源站负责，网桥仅进行转发。
-
以太网交换机
独占传输媒体带宽。【假设每个端口到主机的带宽为10Mb/s，则N个端口的交换机总容量为N10Mb/s，若是半双工，再÷2】
【通常，交换机不能隔离广播域；但是当使用交换机实现虚拟局域网时，VLAN既可以隔离冲突域，又可以隔离广播域】
本质上，交换机就是一个多端口网桥。
*交换方式 直通式：只检查目的地址就转发【以太网帧中，目的地址为6B=48bit】
- 存储转发式：将帧放入高速缓存，先检查是否正确，正确才进行转发
冲突域和广播域
常识补充
- Hub为100Base-T集线器，线路传输速率为100Mb/s。
- 所有站发送完成后，必须等待一段很短时间才能监听下一帧，称为帧间间隔(IFS)。
- DIFS：最长，用于异步帧竞争访问的时延
- PIFS：中等
- SIFS：最短，优先级最高。
- 控制帧、确认帧采用SIFS；若载波监听到信道空闲，DIFS发送RTS预约信道。
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