Faii Note

type

status

date

slug

summary

点对点通信

基本概念

结点：主机，路由器

链路：物理通道

数据链路：逻辑通道

帧：链路层的协议数据单元，封装网络层的数据报

功能：将物理层可能出错的物理连接改造为逻辑上无差错的数据链路，差错控制；为网络层提供确认和连接服务；链路管理，流量控制，组合帧

基本问题

1:封装成帧-在一段数据的前后分别添加首部和尾部，构成一个帧

对于网络层内容封装成帧：

首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界（即确定帧的界限）帧的数据部分就是IP数据报，长度≤最大传送单元MTU（帧数据部分长度上限）

用控制字符作为帧定界符：SOH为首部，EOT为尾部

Start of Header；End of Transmission

2:透明传输

“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。

即在传送的比特组合恰好和控制信息一致时，也不会影响传输

方法：字节填充（字符填充）

转义字符ESC：在所有SOH EOT ESC之前填充一个ESC

3:差错检测

传输过程中可能出现比特差错

误码率BER：在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率

循环冗余校验CRC：

在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。CRC 运算在每组 M 后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码，然后构成一个帧发送出去。一共发送 (k + n) 位

添0，除P，接M

P为生成多项式

*差错检测实现无比特差错，但不代表无传输错误（可靠传输）

PPP协议

点对点协议 Point-to-Point Protocol

帧格式：

帧字段含义

首部

标志字段 F： 0x7E 。标识一个物理帧的起始和结束，连续两帧之间只有一个标志字段
地址字段 A：置为 0xFF，广播地址。实际上不起作用。
控制字段 C：通常置为 0x03。
协议字段

尾部

FCS对PPP数据传输正确性进行检测
F

填充

异步传输：字节填充：

7E → 7D 5E

7D → 7D 5D

03 → 7D 23（<20的数字都需要转义

同步传输：零比特填充：

出现0x7E：01111110

在5个连续1后填入0送出，解码时删除该0

广播信道

局域网数据链路层

LAN：在某一区域由多台计算机互连形成

局域网使用广播信道

网络拓扑：星形拓扑（中央为集线器），总线形拓扑，环形拓扑，树形拓扑

共享信道问题：若多个设备在共享的广播信道上同时发送数据，则会造成彼此干扰，导致发送失败。

以太网是应用广泛的局域网标准：IEEE 802.3

将数据链路层分为2个子层：LLC子层，MAC子层

逻辑链路控制LLC，负责识别网络层协议，提供确认连接服务

媒体接入控制MAC，负责数据帧的封装识别，与传输媒体有关

适配器：计算机通过适配器和局域网进行通信

CSMA/CD协议：载波侦听多路访问-冲突检测协议

总线以太网：所有计算机连接到一根总线上

一对一通信：将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硬件地址一致时，才能接收这个数据帧

总线缺点：当多个站点同时发送时会造成发送失败

CS：每个站在发送数据前/时都要检测总线是否有其他计算机

MA：多点接入，代表总线型网络

CD：冲突检测：边发送边监听

原因：电磁波速率有限

*传播时延影响载波监听

需要两倍传播时延，检测到发生碰撞时停发

争用期：以太网的端到端往返时延 2t（碰撞窗口）

只要经过一个争用期还没有发生碰撞，就一定不会发生碰撞

碰撞后重传的时机

采用截断二进制指数退避确定

发生碰撞的站停止发送数据后，要退避一个随机时间后再发送数据

基本退避时间 = 2t
从整数集合中随机取出一个数记为r，重传时延为r*2t
参数k=Min(重传次数，10) （若连续多次发生冲突，表明可能有较多的站参与争用信道）
当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告

最小帧长问题：

帧在发送完毕后才停发，没有停发和重发时机，因此定义最小帧长。帧的传输时延至少为2t，即检测为碰撞时至少未发完。

对于10Mbit/s的以太网，争用期长度为51.2us，最小帧长为64字节，长度小于64字节的都是无效帧（停发），同时以太网最大端到端单程时延小于t，即最大长度为5km

强化碰撞：发送人为干扰信号

注意，帧间最小间隔对于检测也生效

使用集线器的星形拓扑

…

以太网的信道利用率

发生碰撞时信道资源被浪费。成功发送一个帧需要占用信道的时间是 T0 + τ ，比帧的发送时间要多一个单程端到端时延 τ 。

在以太网中定义了参数 a = 以太网单程端到端时延 τ 与帧的发送时间 T0 之比，a趋向于0时一碰撞就可以检测，a越大争用期所占的比例增大

因此信道利用率最大值Smax=T0/(T0+τ )

以太网的MAC层

硬件地址又称物理地址，MAC地址

每个适配器都有唯一的48位二进制地址，3+3

适配器具有过滤功能，每收到一个MAC帧，要检查是不是发往本站的

以太网MAC帧格式：以太网V2

类型字段标志上一层使用的是什么协议

前同步码+帧开始界定码 → 前导码

以太网扩展

常见网络设备

中继器：信号放大器

集线器：提供多端口服务

网桥：不同局域网之间连接，在数据链路层连接两个LAN，根据MAC地址转发帧

交换机：数据链路层，分辨帧的源MAC和目的MAC，在任意两个端口间建立联系，使数据帧直达，使用硬件进行过滤，学习，转发

交换机中有MAC地址表，是高级网桥，可以连接独立的计算机

路由器：工作在网络层，理解IP地址，如果是其他网络的IP就进行转发，主要是为经过路由器的每个IP寻找一条最佳路径到目的

网关：在网络层实现网路互联，可用于广域网或局域网互连

物理层扩展

光纤扩展：使用调制解调器

集线器扩展：组合多个以太网

使不同冲突域的计算机可以跨域通信
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

数据链路层扩展

使用网桥&交换机

网桥可以过滤通信量，分割冲突域（不互相干扰）

交换机实际上是一个多接口网桥，工作在全双工方式。

交换机的每个接口都是一个碰撞域，接口有存储器，存储地址表（使用自学习算法建立）

自学习算法

见ppt

每次发送时写入自己的地址，再查找交换表，没有的话就向所有地址广播，入交换机后写入地址，同时表中有一个有效时间

在多个交换机互连的情况下，另一台交换机发来的信息也会写入该交换机接口的地址（EFGH都是5号接口）

自学习算法可能会生成回路，用STP生成树协议切段回路

*冲突域和广播域在网课有讲

虚拟局域网VLAN

以太网存在问题

广播风暴：一个以太网是一个广播域，交换机之间的冗余链路会造成重复的广播

安全问题：所有计算机在同一个广播域中

VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组在广播时只有在一个VLAN内的主机会接收到广播

划分VLAN的方法

基于交换机端口：将VLAN ID与端口对应（VLAN表）→ 不允许用户移动

基于计算机网卡：根据MAC地址划分VLAN，建立MAC地址+VLAN的转发表

基于协议类型：不同的类型对应不同的VLAN

基于IP子网：根据源IP地址字段确定

基于高层应用…

VLAN的以太网帧格式改变：在原地址后增加一个4字节的802.1Q标记，里面含有VLAN标识符