计算机网络 物理层+链路层

第1章 概述

计算机网络的定义

• 计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

计算机网络的特点

• 连通性(Connectivity)

  • 使上网用户之间都可以交换信息（数据，以及各种音频视频） ，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。

• 共享(Sharing)

  • 指资源共享。
  • 资源共享的含义是多方面的。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。

互联网定义

• 互联网，特指 Internet，它起源于美国，是由数量极大的各种计算机网络互连起来而形成的一个互连网络。它采用 TCP/IP 协议族作为通信规则，是一个覆盖全球、实现全球范围内连通性和资源共享的计算机网络。

internet和Internet的区别

• internet（互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。
• Internet（互联网或因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美国的 ARPANET。 | Internet | internet | | —- | —- | | 网络的网络 | 网络的网络 | | 特指遵循 TCP/IP 标准、利用路由器将各种计算机网络互连起来而形成的、一个覆盖全球的、特定的互连网 | 泛指由多个不同类型计算机网络互连而成的网络 | | 使用 TCP/IP | 除 TCP/IP 外，还可以使用其他协议 | | 是一个专用名词 | 是一个通用名词 |

互联网基础

互联网基础结构发展的三个阶段

• 第一阶段：从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。

• 第二阶段：建成了三级结构的互联网。

• 第三阶段：逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网。

  • ISP: Internet Service Provider

    例如电信，移动，联通

成为互联网正式标准要经过的阶段

• 建议标准 (Proposed Standard) ——从这个阶段开始就成为 RFC 文档。
• 互联网标准 (Internet Standard) ——达到正式标准后，每个标准就分配到一个编号 STD xxxx。 一个标准可以和多个 RFC 文档关联。

互联网的组成

• 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。
• 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

互联网的边缘部分

• 处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机。这些主机又称为端系统 (end system)。

端系统之间通信

• ”主机A和主机B进行通信“ 实际上是指运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信

• 客户-服务器方式（C/S方式）Client/Server

  • 客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方

  • 双方都要使用网络核心部分所提供的服务

  • 服务软件特点

    • 专门用来提供某种服务的程序，可以处理多个远程或本地客户的请求
    • 系统启动后自动调用并一直不断运行，被动地等待客户的通信请求，服务器程序不需要知道客户程序的地址
    • 需要强大的硬件和高级的操作系统支持

      客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可发送和接收数据。

  • 客户软件特点

    • 被用户调用后，在打算通信时主动向远地服务器发起通信
    • 因此客户程序必须知道服务器程序的地址
    • 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统

• 对等方式（P2P方式）Peer-to-Peer

  • 两个主机在通信同时不区分服务请求方和提供方
  • 进行平等的、对等连接通信

  • 特点

    • 每一个主机既是客户又是服务器

互联网的核心部分

• 核心部分起特殊作用的是路由器(router)

  • 是实现分组交换(packet switching)的关键构建，其任务是转发收到的分组。

• 交换的含义

  • 转接
  • 从通信资源的分配角度看，交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源

• 三种交换技术

  1. 电路交换
     电路交换必定是面向连接的。
     三个阶段：

     • 建立连接：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用
     • 通信：主叫和被叫双方能互相通电话

     • 释放连接：释放刚才占用的所有通信资源

     • 计算机数据具有突发性时，传送计算机数据时，通信线路的利用率很低

1. 分组交换
   主要特点：

   • 采用存储转发技术

   • 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段

   • 在每个数据段前面添加上首部构成分组(packet)

   • 分组交换网以分组作为数据传输单元，依次把各分组发送到接收端
   • 接收端收到分组后剥去首部并还原成报文
   • 最后在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文

分组交换的传输单元：

  - 每一个分组的首部都有**地址**等控制信息
  - 分组交换网中的结点交换机根据分组首部的**地址信息**把分组**转发**到下一个结点交换机
  - 每个分组在互联网中**独立地选择传输路径**
  - 用这样**存储转发**的方式，最后分组就能到达最终目的地

路由器

  - 在路由器的输入和输出端口之间没有直接连线
  - 处理分组过程：
     1. 把收到的分组**放入缓存（暂时存储）**
     2. **查找转发表**，找出到某个目的地址应该从哪个端口转发
     3. 把分组送到适当的端口**转发**出去
  - 路由器和主机的不同
     - **主机**是为用户进行**信息处理**的，并向网络发送分组，从网络接收分组
     - **路由器**对分组进行**存储转发**，最后把分组交付目的主机
  - 分组交换的优点

分组交换的问题

  - 分组在各结点存储转发时需要**排队**，这就会造成一定的**时延**。
  - 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的**开销**。

1. 报文交换
   报文

   • 是网络中交换与传输的数据单位，即站点一次性要发送的数据块

   • 包含了将要发送的完整的数据信息，其长短不一致

   • 无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传送过程采用存储转发方式

     三种交换的比较

• 若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。
• 报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。
• 由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。

  网络的分类

1. 按照网络的作用范围分类

   • 广域网 WAN (Wide Area Network)：作用范围通常为几十到几千公里。
   • 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)：作用距离约为 5~50 公里。
   • 局域网 LAN (Local Area Network) ：局限在较小的范围（如 1 公里左右）。
   • 个人区域网 PAN (Personal Area Network) ：范围很小，大约在 10 米左右。

2. 按网络的使用者进行分类

   • 公用网 (public network)
     按规定交纳费用的人都可以使用的网络。因此也可称为公众网。

   • 专用网 (private network)
     为特殊业务工作的需要而建造的网络。

3. 用来把用户接入到互联网的网络

   • 接入网 AN (Access Network)，它又称为本地接入网或居民接入网，用于将用户接入互联网。
   • 接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分。
   • 接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一种网络。
   • 从覆盖的范围看，很多接入网还是属于局域网。
   • 从作用上看，接入网只是起到让用户能够与互联网连接的“桥梁”作用。

计算机网络的性能指标⭐

1. 速率

   • 比特（bit）是计算机中数据量的单位
   • 速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，它也称为数据率 (data rate) 或比特率 (bit rate)。
   • 速率的单位是 bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s等。例如4 x 10^10 bit/s 的数据率就记为 40 Gbit/s。
   • 速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。

2. 带宽

   • “带宽”(bandwidth) 本来是指信号具有的频带宽度，其单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。

   • 在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力。表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。单位是 bit/s，即 “比特每秒”。

     在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

1. 吞吐量

   • 吞吐量 (throughput) 表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。
   • 吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。
   • 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

2. 时延

   • 时延 (delay 或 latency) 是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。

   • 有时也称为延迟或迟延。

   • 网络中的时延由以下几个不同的部分组成：

     1. 发送时延

        • 也称为传输时延
        • 发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间
        • 也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间
        • 发送时延 = %7D%7B%E5%8F%91%E9%80%81%E9%80%9F%E7%8E%87(bit%2Fs)%7D#card=math&code=%5Cfrac%7B%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%B8%A7%E9%95%BF%E5%BA%A6%28bit%29%7D%7B%E5%8F%91%E9%80%81%E9%80%9F%E7%8E%87%28bit%2Fs%29%7D)

     2. 传播时延

        • 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间
        • 发送时延与传播时延有本质上的不同
        • 信号发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念
        • 传播时延 =

• 对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。

• 提高链路带宽减小了数据的发送时延。

以下说法是错误的： “在高速链路（或高带宽链路）上，比特会传送得更快些”。

  3. 

处理时延

     - 主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间。
  4. 

排队时延

     - 分组在路由器输入输出队列中**排队等待处理**所经历的时延。
     - 排队时延的长短往往取决于**网络中当时的通信量**。

• 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

1. 时延带宽积

   • 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。
   • 时延带宽积 = 传播时延 x 带宽

     只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到了充分利用。

2. 往返时间RTT

   • 往返时间 RTT (round-trip time) 表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。
   • 在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。
   • 当使用卫星通信时，往返时间 RTT 相对较长，是很重要的一个性能指标。

3. 利用率

   • 信道利用率

     • 信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。
     • 完全空闲的信道的利用率是零。

   • 网络利用率

     • 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。
     • 信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

   • 时延和利用率的关系

     • 根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

     • 若令 表示网络空闲时的时延， 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 和 之间的关系：

       • 
       • 其中：U 是网络的利用率，数值在 0 到 1 之间。

         计算机网络的非性能特征

• 费用
• 质量
• 标准化
• 可靠性
• 可扩展性和可升级性
• 易于管理和维护

计算机网络体系结构

OSI参考模型

• 开放系统互连基本参考模型 OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，简称为 OSI。

只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。

• 市场化失败的原因

  • OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力；
  • OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；
  • OSI 标准的制定周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场；
  • OSI 的层次划分也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。
• 非国际标准 TCP/IP 却获得了最广泛的应用。TCP/IP 常被称为事实上的 (de facto) 国际标准。

协议和划分层次

• 数据交换必须遵守事先约定好的规则。

• 规则明确规定了所交换数据的格式以及同步问题。

• 网络协议 (network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

• 协议的三个组成要素

  • 语法：数据和控制信息的结构或格式
  • 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
  • 同步：事件实现顺序的详细说明

• 协议的两种形式

  • 文字描述—便于阅读和理解
  • 程序代码—计算机能够理解
  • 必须都能对信息交换过程做出精确解释

• 分层的好处和缺点

  • 好处

    • 各层独立
    • 灵活性好
    • 结构可分割
    • 易于实现和维护
    • 能促进标准化工作

  • 缺点

    • 降低效率
    • 有些功能在不同层次中出现，产生额外开销

• 各层完成的主要功能

  • 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠。
  • 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快。
  • 分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。
  • 复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。
  • 连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。

• 计算机网络的体系结构

  • 计算机网络的体系结构 (architecture) 是计算机网络的各层及其协议的集合。
  • 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。
  • 实现 (implementation) 是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。
  • 体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

五层协议的体系结构

• OIS七层协议体系结构概念清晰，理论完整，但复杂不实用

• TCP/IP是四层：

  • 应用层
  • 运输层
  • 网际层
  • 网络接口层
• 但是最下面的网络接口层没有具体内容
• 五层协议体系结构，综合OSI和TCP/IP的优点

• PDU(Protocol Data Unit)：协议数据单元

  • 对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元PDU
• 任何两个同样的层次把数据（即数据单元加单元控制信息）通过水平虚线直接传递给对方，这就是所谓的对等层(peer layers)之间的通信

实体、协议、服务和服务访问点

• 实体(entity)表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
• 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合
• 在协议控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务
• 要实现本层协议，还需要使用下层提供的服务
• 协议是水平的，即协议是控制对等实体之间通信的规则
• 服务是垂直的，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的

• 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。
• 服务访问点SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口。
• OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元 SDU (Service Data Unit)。
• SDU 可以与 PDU 不一样，例如，可以是多个 SDU 合成为一个 PDU，也可以是一个 SDU 划分为几个 PDU。

TCP/IP的体系结构

• 实际上，现在的互联网使用的 TCP/IP 体系结构有时已经发生了演变，即某些应用程序可以直接使用 IP 层，或甚至直接使用最下面的网络接口层。

第2章 物理层

物理层基本概念

• 物理层只考虑在连接计算机的传输媒体上传输比特流，不是指具体的传输媒体
• 物理层的作用：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段差异
• 物理层协议也叫做物理层规程（procedure）

• 物理层主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性

  • 机械特性：接口所用接线器的形状尺寸，引线数目
  • 电气特性：接口电缆的各条线出现的电压范围
  • 功能特性：某条线出现的某一电平的电压的意义
  • 过程特性：对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

数据通信的基础知识

数据通信系统模型

• 包括三大部分

  • 源系统（或发送端、发送方）
  • 传输系统（或传输网络）
  • 目的系统（或接收端、接收方）

• 常用术语

  • 数据data：运送消息的实体
  • 信号signal：数据的电气或电磁的表现
  • 模拟信号analogous signal：代表消息的参数的取值是连续的
  • 数字信号digital signal：代表消息的参数的取值是离散的
  • 码元code：代表不同离散数值的基本波形

信道相关概念

• 信道

  • 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体

  • 单工通信

    • 只有一个方向的通信

  • 半双工通信

    • 通信双方都可以发送消息，但不能同时发送

  • 全双工通信

    • 通信双方可以同时发送和接收信息

  • 基带信号

    • 来自信源的信号，在数字信道上传输

      像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号

  • 调制

    • 基带信号包含许多低频成分，甚至有直流成分，许多信道不能传输这种低频分量或直流分量
    • 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号，这种过程称为编码(coding)

    • 带通调制：使用载波(carrier)进行调制，把基带信号频率搬移到较高频段，并转换为模拟信号，这样就更好地在模拟信道中传输

      • 带通信号/模拟信号：经过载波调制后的信号，在模拟信道上传输

• 常用编码方式

  • 不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。
  • 归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。
  • 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。
  • 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1。

• 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。
• 从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），但是曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力
  • 基本的带通调制方法

1. 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号变化
2. 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号变化
3. 调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号变化

• 正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
  例如

  • 可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。总共有 16 种组合，即 16 个码元。
  • 由于 4 bit 编码共有 16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。数据传输率可提高 4 倍。

    不是码元越多越好。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难，出错率增加。

信道的极限容量

• 码元的传输速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真越严重

• 限制码元在信道上的传输速率的因素

  • 信道能够通过的频率范围

    • 信号中的许多高频分量往往不能通过信道，奈氏准则计算码元的传输速率的上限值

    • 码元传输速率过高会出现码间串扰问题，使接收端无法识别码元

      信道频带越宽，能通过的信号高频分量越多，就可以用更高的速率传输码元而不出现码间串扰

• 信噪比

  • 信号的平均功率和噪声的平均功率之比
  • 记为S/N，并用分贝作为度量单位
  • 信噪比%3D10log%7B10%7D(S%2FN)(dB)#card=math&code=%28dB%29%3D10log%7B10%7D%28S%2FN%29%28dB%29)
    • 香农公式

• 计算信道的极限信息传输速率C

• $C = W log_2(1+S/N) (bit/s) $

  • W为信号的宽带（以Hz为单位）
  • S为信道内所传信号的平均功率
  • N为信道内的高斯噪声功率
    • 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高

• 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。

• 若信道带宽W或信噪比S/N没有上限，则信道的极限信息传输速率C也没有上限

• 对于频带宽度确定，信噪比不能提高，码元传输速率达到上限

  • 提高信息传输速率的方法是：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

物理层下的传输媒体

• 传输媒体也称为传输介质或传输媒介，是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
• 在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
• 非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。

导引型传输媒体

• 双绞线

  • 最常用
  • 模拟信号和数字信号
  • 通信距离几到十几公里
  • 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
  • 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)

• 同轴电缆

  • 有很好的抗干扰特性
  • 用于传输较高速率的数据
  • 带宽决定于电缆的质量
  • 50 Ω 同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用
  • 75 Ω 同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用

• 光纤

  • 光纤通信的传输媒体
  • 可见光频率高，光纤传输带宽远远大于其他传输媒体

  • 优点

    • 通信容量大
    • 传输损耗小，中继距离长
    • 抗雷电和电磁干扰性能好
    • 无传音干扰，保密性好
    • 体积小，重量轻

  • 多模光纤

    • 存在多条不同角度入射光线的光纤

  • 单模光纤

    • 光线直径减小到只有一个光的波长，光会向前传播，不会产生多次反射

非导引型传输媒体

• 自由空间
• 无限传输使用的频段很广
• 短波（高频）通信主要是靠电离层的反射，但是短波信道的通信质量较差，传输速率低。
• 微波在空间主要是直线传播

• 传统微波通信方式

  • 地面微波接力通信
  • 卫星通信

信道复用技术

频分复用、时分复用和统计时分复用

• 复用 (multiplexing)
• 允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率

• 频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)

  • 将带宽分为多份（这里的带宽使频率带宽，以Hz为单位）

  • 所有用户在同样的时间占用不同的带宽（指频率带宽而不是数据的发送速率）资源
    

• 时分复用TDM (Time Division Multiplexing)

  • 将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）

  • 每一个用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙

  • 每一个用户占用时隙都是周期性地出现（其周期是TDM帧的长度）

  • TDM信号也称为等时 (isochronous)信号

  • 时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

  • 使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。
    

• 统计时分复用 STDM (Statistic TDM)

  • STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙
  • 因此统计时分复用可以提高线路的利用率

波分复用

• 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)

  • 光的频分复用
  • 使用一根光纤来同时传输多个光载波信号

码分复用

• 码分复用 CDM (Code Division Multiplexing)

  • 码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)是码分复用的一种方式

• 码片序列(chip sequence)

  • 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。

  • 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。

    • 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
    • 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。

      例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。

发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
发送比特 0 时，就发送序列 11100100。

S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

• 码片序列实现了扩频

  • 假定S站要发送信息的数据率为 b bit/s。由于每一个比特要转换成 m 个比特的码片，因此 S 站实际上发送的数据率提高到 mb bit/s，同时 S 站所占用的频带宽度也提高到原来数值的 m 倍。
  • 这种通信方式是扩频(spread spectrum)通信中的一种

  • 扩频通信通常有两大类

    • 一种是直接序列扩频DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)，如上面讲的使用码片序列就是这一类。
    • 另一种是跳频扩频FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。

• CDMA特点

  • 每个站的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交
  • 在使用系统中使用伪随机码序列

• 码片序列的正交关系

  • 向量S表示站S的码片向量，T表示其他任何站的码片向量

  • 两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积(inner product)等于0

    • 

  • 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1

    • %5E2%3D1#card=math&code=S%5Ccdot%20S%5Cequiv%5Cfrac1m%5Csum%5Climits%5E%7Bm%7D%7Bi%3D1%7DS_iS_i%3D%5Csum%5Climits%5E%7Bm%7D%7Bi%3D1%7DSi%5E2%3D%5Csum%5Climits%5E%7Bm%7D%7Bi%3D1%7D%28%5Cpm1%29%5E2%3D1)
  • 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1

数字传输系统

• 与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显优势
• 目前，长途干线大都采用时分复用PCM的数字传输方式
• 脉码调制PCM最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路电话

• 旧的数字传输系统存在的缺点

  • 速率标准不统一
  • 不是同步传输

同步光纤网

• SONET(Synchronous Optical Network)

  • 各级时钟都来自一个非常精确的主时钟

  • SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构

    • 对电信号称为第1级同步传送信号STS-1，51.84Mbps
    • 对光信号称为第1级光载波OC-1

同步数字系列

• SDH(Synchronous Digital Hierarchy)

• 和SONET的不同点

  • SDH的基本速率为155.52Mbps，称为第1级同步传递模块STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率

SONET/SDH标准的意义

• 使不同的数字传输体制在STM-1等级上获得了同一
• 第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准
• 称为工人的新一代理想的传输网体制
• SDH标准也适合于微博和卫星传输的技术体制

宽带接入技术

• 用户要连接到互联网，必须先连接到某个ISP

ADSL技术

• 非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技术

• 用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务

• 把0-4kHz低段频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用

• DSL是数字用户线 (Digital Subscriber Line) 的缩写

• DSL分类

  • ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线
  • HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线
  • SDSL (Single-line DSL)：1 对线的数字用户线
  • VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线
  • DSL (Digital Subscriber Line) ：数字用户线
  • RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率）

• ADSL传输距离

  • 取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）
  • ADSL 所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关

• ADSL特点

  • 上行和下行宽带做成不对成的

    • 上行指用户到ISP，下行指从ISP到用户
  • 在用户线的两端各安装一个ADSL调制解调器

  • 我国目前采用的方案是离散多音调DMT(Discrete Multi-Tone)调制技术

    • 多音调就是多载波或多子信道的意思

• DMT技术

  • 采用频分复用的方法
  • 相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据

• ADSL的数据率

  • 采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率
  • ADSL不能保证固定的数据率

• 第二代ADSL

  • 通过提高调制效率得到了更高的数据率
  • 采用无缝速率自适应技术SRA(Seamless Rate Adaptation)，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率
  • 改善了线路质量评测和故障定位功能

光纤同轴混合网（HFC网）

• HFC (Hybrid Fiber Coax) 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网
• 除了可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务
• 现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输
• HFC 网对 CATV 网进行了改造，具有双向传输功能，扩展了传输频带

• 主干线路采用光纤

  • 将原CATV网中的同轴电缆主干部分该换为光纤，并使用模拟光线技术
  • 采用光的振幅调制AM，比使用数字光纤更为经济
  • 模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即在光分配节点ODN(Optical Distribution Node)
  • 在光纤结点光信号被转换为电信号
  • 光纤结点以下就是同轴电缆

• 每个家庭需要一个用户接口盒UIB(User Interface Box)，提供三种连接

  1. 使用同轴电缆连接到机顶盒，再连接到用户的电视机
  2. 使用双绞线连接到用户的电话机

  3. 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机

     • 电缆调制解调器(Cable Modem)是为HFC网而使用的调制解调器
     • 传输速率高
     • 只安装在用户端

FTTx技术

• 是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式

• FTTx代表Fiber to The …

  • 光纤到户 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭，可能是居民接入网最后的解决方法。
  • 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
  • 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构绞线作为传输媒体。

第3章 数据链路层

• 计算机网络体系结构

• 网络中的主机、路由器等都必须实现数据链路层
• 局域网中的主机、交换机等都必须实现数据链路层
• 不同的链路层可能采用不同的数据链路层协议

• 数据链路层使用的信道

  • 点对点信道

    • 这种信道使用一对一的点对点通信方式

  • 广播信道

    • 使用一对多的广播通信方式
    • 必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送

使用点对点信道的数据链路层

数据链路和帧

• 链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点

  • 一条链路只是一条通路的一个组成部分

• 数据链路(data link)除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输

• 把实现通信协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路

  • 现在使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件
  • 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层的功能
  • 早期的数据通信协议叫做通信规程（procedure）
• 数据链路层传送的是帧
  

三个基本问题

• 封装成帧
• 透明传输
• 差错控制

封装成帧 framing

• 就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后构成了帧

• 首部和尾部的作用就是帧定界
  

• 用控制字符进行帧定界的方法举例

  • 当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符
  • 控制字符 SOH (Start Of Header) 放在一帧的最前面，表示帧的首部开始
  • 控制字符 EOT (End Of Transmission) 表示帧的结束

透明传输

• 如果数据中某个子节的代码恰好和SOH或者EOT一样，数据链路层就会错误定位帧边界

• 解决方法

  • 子节填充 byte stuffing
  • 字符填充 character stuffing

• 发送端的数据链路层在数据中出现控制字符SOH或者EOT的前面插入一个转义字符ESC（其十六进制编码是1B）

• 接收端的数据链路层在把数据传入网络层之前删除转义字符

• 如果转义字符也出现在数据中，那么应该在转义字符前插入一个转入字符，当接收端收到连续两个转义字符时，删除前面的一个

• 透明

  • 指某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样

    “在数据链路层透明传送数据”表示无论发送什么样的比特组合的数据，这些数据都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层。

差错检测

• 比特差错，比如1变0，0变1

• 在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比例称为误码率BER(bit error rate)

  • 误码率和信噪比有关
  • 在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术

• 循环冗余检验的原理

  • 在发送端，先把数据划分成每组k个比特，在每组后面添加供差错检验用的n位冗余码。

• 冗余码的计算

  • 先在M后面添加n个0
  • 得到的（k+n）位的数除以事先选定好的长度为（n+1）位的除数P，得出商是Q而余数是R，余数R比除数P少1位，即R是n位
  • 将余数R作为冗余码拼接在数据M后面，一起发送出去

• 接收端进行CRC检验

  • 若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，接受
  • 若余数≠0，则判定这个帧由差错，丢弃

计算举例

k = 6, M = 101001

设n=3, P = 1101

被除数 2*M = 101001000

运算结果 商Q = 110101，余数R=001

所以发送的数据是 2*M + R = 101001001

• 帧检验序列FCS（Frame Check Sequence）

  • 在数据后面添加的冗余码称为帧检验序列

  • CRC和FCS的区别

    • CRC是一种检错方法，FCS是指冗余码
    • FCS可以用CRC的方法得出，但CRC不是获得FCS的唯一方法

• 注意点

  • 仅用CRC只能做到无差错接受或者说无比特差错

    • 凡是接受的帧，都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错
    • 凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错
  • 单纯使用CRC差错检测技术不能实现无差错传输或可靠传输

点对点协议PPP

PPP协议特点

• 点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)
• 用户到ISP的链路使用PPP协议

• PPP协议需要满足的需求

  • 简单 — 首要

  • 封装成帧

    • 必须规定特殊的字符作为帧定界符

  • 透明性

    • 必须保证数据传输的透明性

  • 多种网络层协议

    • 能够在同一条物理链路上支持多种网络层协议

  • 多种类型链路

    • 能够在多种类型的链路上运行

  • 差错检测

    • 能够对接收端接收到的帧进行检测，并立刻丢弃有差错的帧

  • 检测连接状态

    • 能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态

  • 最大传送单元

    • 必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元 MTU 的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性

  • 网络层地址协商

    • 必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址

  • 数据压缩协商

    • 必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法

• PPP协议不需要的

  • 纠错
  • 流量控制
  • 序号
  • 多点线路
  • 半双工或单工链路

• PPP协议的组成

  • 将IP数据报封装到串行链路的方法
  • 链路控制协议LCP(Link Control Protocol)
  • 网络控制协议NCP(Network Control Protocol)

PPP协议的帧格式

• PPP帧首部4个字段，尾部2个字段
• 标志字段 F = 0x7E
• 地址字段 A 只置 0xFF，实际上并不起作用
• 控制字段C通常设置为 0x03
• PPP是面向字节的，所有PPP帧的长度都是整数子节

• 透明传输问题

  • 异步传输时，使用一种特殊的字符填充法

    • 将信息字段中出现的每一个0x7E转变成2字节序列（0x7D，0x5E）
    • 将信息字段中出现的每一个0x7D转变成2子节序列（0x7D，0x5D）
    • 将信息组的那种出现的ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符）的前面，加入一个0x7D字节，同时改变该字符的编码。

• 同步传输时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和HDLC做法一样）

  • SONET/SDH链路，同步传输，PPP协议采用零比特填充来实现透明传输
  • 发送端，只要有5个连续的1，就立即填入1个0
  • 接收端，每当发现5个连续的1，就把这5个连续的1后面的1个0删除
    • PPP协议不提供使用序号和确认的可靠传输的原因

• 数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的PPP协议较为合理

• 因特网环境下，PPP信息字段放入的数据的IP数据报，数据链路层的可靠传输并不能保证网络层的传输也是可靠的
• 帧检验序列FCS字段可保证无差错接受

PPP协议的工作状态

• 用户拨号接入ISP，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立物理连接
• PC机向路由器发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧）
• 这些分组及其相应选择一些PPP参数，进行网络层配置
• NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机
• 通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址
• LCP释放数据链路层连接，最后释放物理层的连接
• PPP协议已不是纯粹的数据链路层的协议，它还包含了物理层和网络层的内容

使用广播信道的数据链路层

局域网的数据链路层

• 局域网的主要特点

  • 网络为一个单位所拥有
  • 地理范围和站点数目有限

• 局域网优点

  • 具有广播功能，一个站点可访问全网。局域网的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源
  • 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变
  • 提高了系统的可靠性、可用性和残存性

• 局域网的拓扑结构

  • 星型
  • 环型
  • 总线型

• 共享信道的问题

  • 一对多的广播通信方式
  • 多个设备在共享的广播信道发送数据，会造成彼此干扰，导致发送失败

• 媒体共享技术

  • 静态划分信道

    • 频分复用
    • 时分复用
    • 波分复用
    • 码分复用

  • 动态媒体接入控制

    • 随机接入
    • 受控接入，例如多点线路探询或轮询

• 以太网的两个标准

  • DIX Ethernet V2，以太网严格意义上指符合该标准的局域网
  • IEEE 802.3，两者区别很小，可以将802.3局域网简称为以太网

• 局域网的数据链路层拆成两个子层

  • 逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)子层

    • 存放与传输媒体无关的内容
    • 不管采用何种协议的局域网，对于LLC子层来说都是透明的
    • 现在作用不大，现在很多适配器没有LLC协议

  • 媒体接入控制MAC(Medium Access Control)子层

    • 存放与传输媒体有关的内容

• 适配器的作用

  • 又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡(Network Interface Card)，或网卡
  • 进行串行/并行转换
  • 对数据进行缓存
  • 在计算机的操作系统安装设备驱动程序
  • 实现以太网协议

CSMD/CD协议

• 最初以太网是将许多计算机连接到一根总线

  • 易于实现广播通信

    • 当时简单可靠，因为总线上没有源器件

  • 一对一通信

    • 接收站的硬件地址写入帧首部中的目的地址字段中
    • 仅当数据帧中的目的地址与适配器的硬件地址一致，才能接收数据帧

  • 缺点

    • 若多台计算机同时发送，产生碰撞，发送失败

• 为通信简便，以太网采取的两个重要措施

  • 无连接的工作方式

    • 不必先建立连接就可以直接发送数据
    • 对发送的数据不编号，也不要求对方发回确认
    • 理由是局域网信道质量好，因信道质量产生差错的概率很小
    • 以太网的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付
    • 差错的纠正由高层来决定
    • 如果高层发现丢失数据进行重传，但以太网不知道是重传的帧，是当作新的数据帧发送
    • 采用CSMD/CD来避免发送产生的碰撞
  • 使用曼彻斯特编码

    缺点：曼彻斯特编码所占的频带宽度比原始的基带信号增加一倍

• CSMA/CD：载波监听多点接入/碰撞检测

  • Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

• 多点接入表示许多计算器以多点接入的方式连接在总线上

• 载波监听是指每个站在发送数据之前要先检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有就暂时不发

  • 载波监听就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号

• 碰撞检测就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小

  • 所谓碰撞就是发生了冲突，碰撞检测也称为冲突检测
  • 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

A 需要单程传播时延的 2 倍的时间，才能检测到与 B 的发送产生了冲突

• 争用期

  • 最先发送数据帧的站，在发送数据帧至多2τ(端到端的往返时延)之后，就可以知道发送的数据是否遭受碰撞
  • 以太网的端到端往返时延 2τ 称为争用期，或碰撞窗口
  • 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞

• 二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type)

  • 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。

  1. 基本退避时间为争用期的时长2t

  2. 从整数集合 [0, 1, … , (2 - 1)] 中随机地取出一个数，记为 r，重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间

  3. 参数k按下面公式计算
     k = Min[重传次数, 10]

  4. 当k≤10时，参数k等于重传次数

  5. 当重传达16次，仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告

     例如，

第1次重传冲突时：

• k=1, r为{0,1}集合中任意一个数

第2次重传冲突时：

• k=2，r为{0，1，2，3}集合中任意一个数

• 10Mbit/s以太网争用期的长度

  • 取51.2μs作为争用期的长度
  • 对于10Mbit/s的以太网而言，在争用期内可以发送512bit，即64字节

    意味着以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

• 最短有效帧长

  • 如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内
  • 由于一检测到冲突就立即终止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节
  • 以太网规定最短有效帧长未64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧

• 覆盖范围

  • 在10Mbit/s以太网51.2μs的争用期内，信号能传输多远距离？
  • 以太网上最大的端到端单程时延必须小于争用期的一半（即25.6μs），相当于以太网的最大端到端长度约为5km

• CSMA/CD 协议的重要特性

  • 不能进行全双工通信，只能进行双向交替通信（半双工通信）
  • 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性
  • 发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率

使用集线器的星型拓扑

• 采用双绞线的以太网采用星形拓扑，在星形的中心增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器（hub）
• 传统以太网使用的同轴电缆，采用总线形拓扑结构

• 星形以太网10BASE-T

  • 10指速率为10Mbit/s；BASE指基带；T指双绞线
  • 使用无屏蔽双绞线，采用星形拓扑
  • 每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收
  • 两端使用RJ-45插头
  • 集线器使用了大规模集成电路芯片，所以可靠性提高
  • 10BASE-T的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m

• 其统治地位

  • 降低成本，提高可靠性，有很高的性价比

• 集线器特点

  • 使用电子器件来模拟实际电缆线的工作
  • 以太网逻辑上仍然是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线
  • 像一个多接口的转发器，工作在物理层
  • 采用专门的芯片，进行自适应串音回波抵消，减少了近端的串音

以太网的信道利用率

• 多个站在以太网上同时工作就可能会发生碰撞，发生碰撞时信道资源就被浪费了
• 当扣除碰撞所造成的信道损失后，以太网总的信道利用率并不能达到100%
• 假设τ是以太网单程端到端传播时延。则争用期长度为 2τ ，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。
• 设帧长为 L (bit)，数据发送速率为 C (bit/s)，则帧的发送时间为 T0 = L/C (s)。

• 成功发送一个帧需要占用信道的时间是T0+t，比这个帧的发送时间要多一个单程端到端的时延t
• 因为当一个站发送完最后一个比特后，这个比特还要在以太网上传播
• 在最极端的情况下，发送站在传输媒体的一段，而比特在媒体上传输到另一端所需的时间是t

参数a和利用率

• 要提高以太网的信道利用率，就必须减小t和T0之比

• 在以太网中定义了参数a，是以太网单程端到端时延t和帧的发送时间之比

  • 

  • a->0，表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因此信道利用率很高

a越大，表明争用期所占的比率增大，没发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使信道利用率降低

• 为提高利用率，以太网的参数a的值应该尽可能小

• 对以太网参数a的要求

  • 当数据率一定，以太网的连线的长度受到限制，否则t的数值会太大
  • 以太网的帧长不能太短，否则T0的值会太小，使a值太大

信道利用率的最大值Smax

• 理想化情况下，以太网的各站发送数据都不会产生碰撞，总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据

• 发送一帧占用线路的时间是T0+t，而帧本身的发送时间是T0

  • 所以，极限信道利用率
  • 

    只有当参数a远小于1才可能得到尽可能高的极限信道利用率

据统计，当以太网利用率达到30%的时候就已经处于重载，很多网络容量被碰撞消耗

以太网的MAC层

• 硬件地址/物理地址，MAC地址，严格地将应该是每一个站的名字或者标识符

48位的MAC地址

• MAC地址字段可采用6字节（48位）或2字节（16位）这两种中的一种
• 地址前3个字节，即高位24位，称为组织唯一标识符，由IEEE的注册管理机构RA向厂家分配
• 地址后3个字节，即低位24位，称为扩展唯一标识符，由厂家自行指派，必须保证生产出的适配器没有重复地址
• 一个地址块可以生成2个不同地址，称为MAC-48，通用名称是EUI-48
• 生产适配器时，6字节的MAC地址已被固化在适配器的ROM
• MAC地址实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48

单站地址，组地址，广播地址

• 地址字段的第一字节的最低位为I/G位（Individual/Group）
• 当I/G位=0时，地址字段表示一个单站地址

• 当I/G位=1时，表示组地址，用来进行多播

  • 此时，IEEE只分配地址字段前三个字节中的23位
• 当I/G位分别为0和1时，一个地址块可分别产生2个单个站地址和2个组地址
• 所有48位都为1时，为广播地址，只能作为目的地址使用

全球管理和本地管理

• 地址字段的第一字节的最低第2位规定为G/L位（Global/Local）
• 当G/L位=0时，是全球管理，保证在全球没有相同的地址
• 当G/L位=1时，是本地管理，用户可以任意分配网络上的地址

适配器检查MAC地址

• 适配器每次收到帧首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址

  1. 是发往本站的帧，收下
  2. 否则就丢弃

• 发往本站的帧

  • 单播 (unicast) 帧（一对一）
  • 广播 (broadcast) 帧（一对全体）
  • 多播 (multicast) 帧（一对多）

• 所有的适配器至少能够识别地波地址和广播地址

  • 有的适配器可用编程方法识别多播地址
• 只有目的地址才能使用广播地址和多播地址
• 以混杂方式 (promiscuous mode) 工作的以太网适配器只要“听到”有帧在以太网上传输就都接收下来

MAC帧的格式

• 一般有两种标准

  • DIX Ethernet V2标准
  • IEEE的802.3标准
• 最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式

• 类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的协议

• 数据字段的正式名称为MAC客户数据字段，最小长度64字节-18字节的首部尾部=数组字段的最小长度（46字节）

• 当数据字段的长度小于46字节时，应在数据字段的后面加入整数子节的填充字段，以保证以太网的MAC帧长不小于64字节

• 当传输媒体的误码率为1x10 的时候，MAC子层可使未检测到的差错小于1x10

• 为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节

• 在帧的前面插入（硬件生成）的8个字节中，第一个字段共7个字节，是前同步码，用来迅速实现MAC帧的比特同步。第二个字段1个字节是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧。

无效的MAC帧

• 数据字段的长度与长度字段的值不一致
• 帧的长度不是整数个字节
• 用收到的帧检验序列FCS查出有差错
• 数据字段的长度不在46-1500字节之间
• 有效的MAC帧长度为64-1518字节之间

对于检查出的无效MAC帧就简单丢弃，以太网不负责重传丢弃的帧

IEEE 802.3 MAC 帧格式

• 和V2 MAC帧格式相似

• 区别

  • MAC 帧的第三个字段是“长度 / 类型”

    • 当这个字段值大于 0x0600 时（相当于十进制的 1536），就表示“类型”
    • 当这个字段值小于 0x0600 时才表示“长度”
  • 当“长度/类型”字段值小于 0x0600 时，数据字段必须装入上面的逻辑链路控制 LLC 子层的 LLC 帧

帧间最小间隔

• 最小间隔为9.6μs，相当于96bit的发送时间
• 一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 μs才能再次发送数据
• 这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备

扩展的以太网

在物理层扩展以太网

• 使用光纤扩展

  • 主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器
  • 很容易使主机和几公里外的集线器相连接

• 使用集线器扩展

  • 将多个以太网段，连成更大的、多级星形结构的以太网

• 优点

  • 使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域通信
  • 扩大了以太网覆盖的地理范围

• 缺点

  • 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高
  • 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，就不能用集线器将他们互连起来
    • 碰撞域 Collision domain

• 又称冲突域，指网络中一个站点发出的帧会与其他站点发出的帧产生碰撞或冲突的那部分网络

• 碰撞域越大，发生碰撞的概率越高

在数据链路层扩展以太网

• 扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行

• 早期使用网桥，现在使用以太网交换机

• 网桥

  • 工作在数据链路层
  • 根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤

• 以太网交换机

  • 特点

    • 实质上是一个多接口的网桥
    • 每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般工作在全双工方式
    • 交换机具有并行性（能同时连同多对接口，使多对主机同时通信）
    • 相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞传输数据
    • 交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙时对帧进行缓存
    • 是一种即插即用设备，其内部的帧交换表（地址表）时通过自学习算法自动地逐渐建立起来的
    • 使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，转发速率比使用软件转发的网桥快很多
    • 性能远超普通的集线器，价格不贵

  • 优点

    • 用户独享宽带，增加总容量
    • 
    • 从共享总线以太网转换到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、适配器都不需要做改动
    • 一般都具有多种速率的接口，方便各种不同情况的用户

• 以太网交换机的交换方式

  • 存储转发方式

    • 把整个数据帧先缓存后再处理

  • 直通方式

    • 接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的MAC地址决定该帧的转发接口，来提高帧的转发速度
    • 缺点时不检查差错就直接转发帧，因此有可能转发了一些无效帧

      在某些情况下，仍需要采用基于软件的存储转发方式进行交换，例如，当需要进行线路速率匹配、协议转换或差错检测时。

• 以太网交换机的自学习功能，自动维护交换表
  
  
  
  
  

  • 交换机自学习和转发帧的步骤

• 交换机使用的生成树协议STP

  • 不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径都是无环路的树状结构

• 从总线以太网到星形以太网

  • 早期以太网采用无源的总线结构
  • 现在采用以太网交换机的星形结构成为以太网的首选拓扑
  • 总线以太网使用CSMA/CD协议，以半双工方式工作
  • 以太网交换机不使用共享总线，没有碰撞问题，因此不使用CSMA/CD协议，以全双工方式工作，但仍采用以太网的帧结构

局域网的问题

1. 扩展性
2. 安全性
3. 可管理性等

• 总线以太网和10Base-T的星形以太网

  • 所有计算机都处于一个碰撞域中和同一个广播域中

• 广播域

  • 指这样一部份网络，其中任何一台设备发出的广播通信都能被该部分网络中的所有其他设备所接收

• 采用以太网交换机的星形以太网

  • 每个接口都处于一个独立的碰撞域中，但所有计算机都处于一个广播域中

虚拟局域网

• 利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网VLAN

• 定义

  • 虚拟局域网VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求
  • 每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机是属于哪一个 VLAN

• 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网

• 由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合，使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源
  

• 当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作站 B2 和 B3 将会收到其广播的信息。

• B1 发送数据时，VLAN1 和 VLAN3 中的工作站 A1，A2 和 C1 等都不会收到 B1 发出的广播信息。

• 虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因为传播过多的广播信息而引起性能恶化

• 虚拟局域网优点

  • 改善性能
  • 简化管理
  • 降低成本
  • 改善安全性

• 划分虚拟局域网方法

  • 基于交换机端口

    • 最简单，最常用
    • 在第一层划分虚拟局域网
    • 缺点：不允许用户移动

  • 基于计算机网卡的MAC地址

    • 属于第二层划分虚拟局域网
    • 允许用户移动
    • 缺点：需要输入和管理大量的MAC地址，如果用户MAC地址改变，就需要管理员重新配置VLAN | MAC 地址 | VLAN | | —- | —- | | 00-15-F5-CC-C8-14 | 10 | | C0-AB-D5-00-18-F4 | 10 | | C0-C5-18-DE-BC-E6 | 30 |

  • 基于协议类型

    • 根据以太网帧的第三个字段“类型”字段，来确定该类型的协议属于哪一个虚拟局域网
    • 属于第二层划分虚拟局域网的方法 | “类型” | VLAN | | —- | —- | | IP | 10 | | IPX | 30 | | …… | … |

  • 基于IP子网地址

    • 根据以太网帧的第三个字段“类型”字段和IP分组首部中的源 IP 地址字段确定该 IP 分组属于哪一个虚拟局域网
    • 属于在第三层划分虚拟局域网的方法 | IP 子网 | VLAN | | —- | —- | | 192.168.1.0/24 | 10 | | 192.168.2.0/24 | 30 | | …… | … |

  • 基于高层应用或服务

    • 更加灵活，但更加复杂 | 应用 | VLAN | | —- | —- | | FTP | 10 | | TELNET | 30 | | …… | … |

• 虚拟局域网使用的以太网帧格式标准

  • IEEE 批准了 802.3ac 标准，该标准定义了以太网的帧格式的扩展，以支持虚拟局域网
  • 虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为 VLAN 标记 (tag)，用来指明该帧属于哪一个虚拟局域网
  • 插入VLAN标记得出的帧称为 802.1Q 帧或带标记的以太网帧

高速以太网

100BASE-T以太网

• 速率达到或超过100Mbit/s的以太网称为高速以太网

• 100BASE-T 在双绞线上传送 100 Mbit/s 基带信号的星形拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的 CSMA/CD 协议

• 100BASE-T 以太网又称为快速以太网 (Fast Ethernet)

• 1995 年IEEE已把 100BASE-T 的快速以太网定为正式标准，其代号为 IEEE 802.3u

• 特点

  • 可在全双工方式下工作而无冲突发生，在全双工方式下工作时，不使用 CSMA/CD 协议
  • MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的
  • 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 米
  • 帧间时间间隔从原来的 9.6 μs 改为现在的 0.96 μs

• 三种物理层标准

  • 100BASE-TX

    • 使用 2 对 UTP 5 类线 或 屏蔽双绞线 STP。
    • 网段最大程度：100 米。

  • 100BASE-T4

    • 使用 4 对 UTP 3 类线 或 5 类线。
    • 网段最大程度：100 米。

  • 100BASE-FX

    • 使用 2 对光纤。
    • 网段最大程度：2000 米。

吉比特以太网

• 允许在 1 Gbit/s 下以全双工和半双工两种方式工作
• 使用 IEEE 802.3 协议规定的帧格式
• 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议，全双工方式不使用 CSMA/CD 协议
• 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容

吉比特以太网可用作现有网络的主干网，也可在高带宽（高速率）的应用场合中。

• 物理层

  • | 名称 | 媒体 | 网段最大长度 | 特点 | | —- | —- | —- | —- | | 1000BASE-SX | 光缆 | 550 m | 多模光纤（50 和 62.5 mm） | | 1000BASE-LX | 光缆 | 5000 m | 单模光纤（10 mm）多模光纤（50 和 62.5 mm） | | 1000BASE-CX | 铜缆 | 25 m | 使用 2 对屏蔽双绞线电缆 STP | | 1000BASE-T | 铜缆 | 100 m | 使用 4 对 UTP 5 类线 |

• 半双工方式工作的吉比特以太网

  • 吉比特以太网工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测

  • 为保持 64 字节最小帧长度，以及 100 米的网段的最大长度，吉比特以太网增加了两个功能

    • 载波延伸 (carrier extension)
    • 分组突发 (packet bursting)

• 载波延伸

  • 使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼容性），同时将争用时间增大为 512 字节
  • 凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC 帧的发送长度增大到 512 字节。
  • 接收端在收到以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付

• 分组突发

  • 当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用载波延伸方法进行填充，随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。

• 全双工方式工作的吉比特以太网

  • 当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发

10吉比特以太网和更快的以太网

• 特点

  • 与 10 Mbit/s、100 Mbit/s 和 1 Gbit/s 以太网的帧格式完全相同，保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级
  • 不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体
  • 只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议

• 端到端的以太网传输

  • 以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输

  • 好处

    • 技术成熟；
    • 互操作性很好；
    • 在广域网中使用以太网时价格便宜；
    • 采用统一的以太网帧格式，简化了操作和管理。

使用以太网进行宽带接入

• 特点

  • 可以提供双向的宽带通信。
  • 可以根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。
  • 可以实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率且降低了传输的成本。
  • 但是不支持用户身份鉴别。

• PPPoE

  • PPPoE (PPP over Ethernet) 的意思是“在以太网上运行 PPP”，它把 PPP 协议与以太网协议结合起来 —— 将 PPP 帧再封装到以太网中来传输
  • 现在的光纤宽带接入 FTTx 都要使用 PPPoE 的方式进行接入
  • 利用 ADSL 进行宽带上网时，从用户个人电脑到家中的 ADSL 调制解调器之间，也是使用 RJ-45 和 5 类线（即以太网使用的网线）进行连接的，并且也是使用 PPPoE 弹出的窗口进行拨号连接的