1.物理层

1.1概述

内容：规定激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性
作用：该层为上层协议提供了一个传输数据的可靠的物理媒体。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输
关键设备：中继器 和 集线器

1.2性能指标

1.2.1码元

定义：用一个固定时长的信号波形，代表不同离散数值的基本波形，该时长（码元宽度）内的信号称为K进制码元。
例子：4进制码元->码元的离散状态有4个->4种高低不同的信号波形：00，01，10，11

1.2.2速率

定义：单位时间内传输的数据量，可以用码元传输速率和信息传输速率表示
码元传输速率：单位时间内传输的码元数量，单位为波特（baud）
信息传输速率：即比特率，单位时间内传输的比特数，单位为比特/秒（b/s）
关系：若一个码元携带n bit的信息，那么M Baud = M × n bit/s

1.2.3带宽

单位：比特每秒（bps）

1.3调制

1.3.1基带调制（编码）

将数字信号转换为另一种形式的数字信号。
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1.3.2带通调制（调制）

使用载波进行调制，把基带信号的频率搬移到较高频段，并转换为模拟信号（为了便于在模拟信道上传输）。调制后的信号称为带通信号。
数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而且在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应调制解调器的调制和解调过程。
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1.4相关设备

1.4.1中继器

背景：信号在线路传播的过程中，会在各种因素的作用下逐渐衰弱，失真，从而导致接受错误。
作用：再生数字信号。

中继器的两端都是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段必须是同一个协议，两个网段的速率要相同，物理层是傻瓜层，只关注数据的传输，假如两端传输速率不一致，那么接受方会来不及接收全部信息，导致数据丢失。同时也因此物理层不会关注传输的数据是否出错，是否适于本网段。
中继器的两端可以连接相同或不同的媒体。
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1.4.2集线器

作用：再生信号，即多口中继器。不具备定向传送功能，是一个共享式设备。
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1.4.3传输介质

传输媒体并不属于物理层，而是在物理层以下。
①双绞线
双绞线是古老且最常用的传输介质，由两根采用一定规则并排绞合（减少相邻导线的电磁干扰）的，相互绝缘的铜导线组成。
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②同轴电缆
由导体铜质芯线、绝缘层、网状编制屏蔽层以及塑料外层构成。
抗干扰特性高于双绞线，且传输距离更远，价格更高
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2.数据链路层

2.1概述

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内容：定义了在单个链路上如何传输数据，负责通过链路，将一个结点的数据报发送到另一个相连结点上
相关定义：帧——链路层的协议数据单元，封装网络层数据报
数据链路——网络种两个结点之间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成了数据链路
链路——网络中两个结点的物理通道，传输介质包含双绞线，光纤，微波等。
作用：将来自网络层的数据可靠地传输到相邻结点的目标机网络层。只要体现在将物理层提供可能出错的物理连接改造成逻辑上无差错的数据链路。
①为网络层提供服务，无确认无连接服务，有确认无连接服务，有确认面向连接服务
②链路管理，负责连接的建立、维持、释放。
③组帧
④流量控制
⑤差错控制（位错/帧错）

2.2帧

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封装成帧：在网络层发来的IP数据包的前后添加一个字段，用来表示帧的开始与结束，同时附加上许多控制信息，如差错控制
帧同步：接收方能从接收到的二进制流中区分帧的开始与结束。

2.2.1组帧的四种方式

①字符计数法
在帧首部标明该帧的字符数。
缺点：假设某个计数字段出错，那么该帧后方的所有帧都出错
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②字符填充法
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背景：假设数据部分某个字节与EOT相等，那么就会出现错误
解决方法：
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③零比特填充法
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④违规编码法
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2.3差错控制

差错类型：
位错——比特位出错，0变1，1变0
帧错——①丢失；②重复；③失序

2.3.1检错编码

①奇偶校验码
在数据前面或后面添加一位奇偶校验位，检错能力为50%
奇校验码：1的个数为奇数时 校验位为0
偶校验码：1的个数为奇数时 校验位为1
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②CRC循环冗余码
假设CRC生成多项式为G(X) = X4+X3+X0，假设发送的数据为10110011
发送过程：
生成多项式为11001，长为5，那么数据后面补充4个0
对数据进行模2除法（异或），余数即为冗余码FCS，因此下列要发送的数据为101100110100
接收过程：
对接收到的数据除以G(X)，余数为0，证明此帧正确，接收，否则丢弃。

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2.3.2纠错编码

海明码：发现双比特错，纠正单比特错
海明不等式：2r ≥ k + r + 1 (r为冗余信息位，k为信息位）
eg：
假设要发送的数据 D = 101101，数据位K=6，那么r=4，D的海明码长度为10
P1，P2，P3，P4为校验位，分别放在20,21,22,23位上
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P1 = D1^D2^D4^D5 （二进制位*1）
P2 = D1^D3^D4^D6 （二进制位1）
P3 = D2^D3^D4 （二进制位1）
P4 = D5^D6（二进制位1*）
注：*为通配符
因此D的海明码为0010011101
假设第五位从0变为1
D1^D2^D4^D5^P1 = 1
D1^D3^D4^D6^P2 = 0
D2^D3^D4^p3 = 1
D5^D6^P4 = 0
因此二进制序列为0101，恰好对应5

2.4数据链路的流量控制

数据链路层的流量控制是点对点的，传输层的流量控制是端对端的
数据层流量控制：接收方收不下时不回复确认
传输层流量控制：接收端给发送端一个窗口公告

信号利用率：(L/C) /T
L为数据长度，C为发送方传输速率，T为发送周期，即从发送数据到收到确认帧的时间
信道吞吐率=信道利用率 × 发送方的发送速率

2.4.1停止-等待协议

无差错情况（正常情况）：
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有差错情况（异常情况）：
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可通过流水线技术提高信道利用率，即连续发送N个帧，接收方再回复N个确认，然后发送方才接着传输后面的数据。
流水线技术需要额外的开销：①需要增加确认序号的长度；②发送方需要缓存多个分组。
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2.4.2回退N帧协议（GBN）

未命名文件 (11).jpg
更正：上图发送窗口宽度W应为1<=W<= 2L-1，L为ACK编号长度，发送窗口过大会导致接收方无法区别新帧和旧帧
发送方需要响应的事情：
①来自上层的调用
上层要发送数据时，发送方会先检查发送窗口是否已满。如果未满就产生一个帧并发送，否则将缓存这些数据或返回给上层，等待窗口有空位再发送。
②收到ACK
GBN采用累积确认，当收到ACK n时，表明接收方已经收到了n号帧及以前的所有数据。
③超时事件
出现时延过长或ACK丢失时，发送方需要重传所有已发送但未被确认的帧。

接收方：
①正确按序接收时，向发送方返回一个ACK，并将数据交付给上层
②其余情况都丢弃帧，并为最近按序接受的帧重新发送ACK。接收方不会缓存任何失序帧，只需维护一个信息expectedseqnum（下一个按序接收的帧序号）

性能分析：提高了信道利用率（连续发送数据），降低了传送效率（重传已经正确传送的数据帧，累积确认导致了批量重传）
例子：
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2.4.3选择重传协议（SR）

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①对数据帧逐一确认，收一个确认一个
②只重传出错帧
③接收方有缓存
④WT MAX = WR MAX = 2N-1

2.5介质访问控制

内容：采用一定的措施，使得两对结点之间的通信不会发生相互干扰的情况。
网络接口层 - 图26

2.5.1静态划分信道

①频分多路复用FDM
定义：指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种多路复用技术。
优点：充分利用信道，系统效率高；技术成熟，实现比较简单。
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②时分多路复用TDM
定义：一种数字或者模拟（较罕见）的多路复用技术（并发）。
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改进版——统计时分复用STDM
一种根据用户实际需要动态分配线路资源的时分复用方法。只有当用户有数据要传输时才给他分配线路资源，当用户暂停发送数据时，不给他分配线路资源，线路的传输能力可以被其他用户使用。
改进背景：假如上图所示的BCD没有信号发生，那么信道的实际利用率便只有1/4
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③波分多路复用
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④码分多路复用

2.5.2动态分配信道

基于多路复用划分资源：
网络负载重时——共享信道效率高且公平
网络负载轻时——共享信道效率低，单个结点未能利用全部带宽
随机访问MAC协议：
网络负载重时——容易产生冲突导致额外开销
网络负载轻时——共享信道效率高，单个结点可独占全部带宽

轮询访问介质访问控制
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随机访问介质访问控制
①ALOHA协议
1.纯ALOHA协议：不监听信道，不按时间槽发送。想法就发，冲突时等待随机时间后重发。
冲突检测：发生冲突时，接收方就会检测出差错，然后不予以确认，发送方在一定时间内收不到确认信息，就判断发生了冲突。
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2.时隙ALOHA协议：把时间分片，所有用户都只在时间片开始时刻发送数据，冲突时等待若干时间片后再发送
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两者对比：前者与后者相比，吞吐量更低，效率更低。

②CSMA协议：
CS：载波监听，每一个站再发送数据前都要检测总线上是否有其他计算机再发送数据。
MA：多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上,即总线型网络
协议思想：发送帧之前，监听信道。
发生冲突：等待随机时间后再监听。

  1. 1-坚持CSMA
    定义：监听信道，空闲时直接传输，忙则一直监听，直到空闲马上传输
    优点：空闲时立即传输，避免了媒体利用率的损失。
    缺点：有两个或以上的结点在等待总线时，冲突不可避免

2.非坚持CSMA
定义：监听信道，空闲时直接传输，忙则等待随机时长后再监听
优点：冲突可能性更小。
缺点：媒体利用可能更低。

3.p-坚持CSMA
定义：信道空闲时，以p概率直接传输，1-p概率等到下个时间槽再发生，忙则等待随机时长后再监听。
优点：减少了冲突，同时减少了媒体空闲时间。

③CSMA/CD协议
CD：碰撞检测，发送期间监听判断是否发生冲突。（边发边听）
先听后发仍会冲突的原因：电磁波在总线上是以有限的速率传播的
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2.6相关设备

网桥与交换机（相当于多个接口的网桥），与物理层设备有一个很大的区别在于链路层设备可以隔离冲突域。
冲突域：某一个时刻中，一个冲突域中只能有一个设备在传输数据。
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网桥可以根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。
当网桥收到一根帧时，并不会向所有接口都转发这个帧，而是先检查该帧的目的MAC地址，然后查询转发表再决定转发它的接口（转发），或者把它丢弃（过滤）。
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网桥分类
①透明网桥：一种即插即用的自学习设备，以太网上的站点并不知道发送的帧会经过多少个网桥。
②源路由网桥：在发送帧时，把详细的最佳路由信息（时间最短 or 路由最少）放在帧首部。最佳路由信息的获得方法——源站以广播方式向目的站发送一个发现帧。

交换机分类
直通式交换机：查询地址后（6B）立即转发。延迟小，可靠性低，无法支持不同速率端口之间的交换。
存储转发式交换机：将帧放入高速缓存并检错，正确时转发，错误时丢弃。可靠性高，支持不同速率端口之间的交换；延迟大
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