计算机网络之细嚼慢咽版

1.1概述1

计算机网络的组成

• 从组成部分看：一个完整的计算机网络主要由硬件、软件、协议三大部分组成，缺一不可。
  硬件主要指：主机、通信链路、交换设备和通信设备等；
  软件主要指：用户使用的各种软件；
  协议指：网络传输数据时需遵循的规范。
• 从工作方式看：可分为边缘部分和核心部分。
  边缘部分由所有连接到因特网上供用户使用的主机；
  核心部分由大量的网络和连接网络的路由器。
• 从功能组成看：计算机网络由通信子网和资源子网组成。
  通信子网由各种传输介质、通信设备和响应的网络协议组成；
  资源子网是由实现资源共享功能的设备及其软件的集合，向网络用户提供服务。

计算机网络的功能

• 数据通信：网络最基本和最重要的功能，用来实现信息的传输。

• 资源共享：使计算机网络分工协作，互通有无。

• 分布式处理：将某个复杂任务分配给网络中的其他计算机系统。

• 提高可靠性：计算机网络中各台计算机可以通过网络互为替代机。

• 负载均衡：将工作均衡地分配给计算机网络中的各台计算机。

计算机网络的分类

• 按分布范围分类：
  广域网：几十千米-几千千米
  城域网：几个街区-整座城市
  局域网：几十米-几千米
  个人局域网：直径10m

• 按传输技术分类：
  广播式网络：所有计算机共享一个公共通信信道
  点对点网络：每条物理线路连接一对计算机

• 按拓扑结构分类：（2017）⭐
  总线形网络
  星形网络：6个主机，5个链路
  环形网络
  网状形网络

• 星形拓扑
  星形拓扑是由中央节点和通过点到点通信链路接到中央节点的各个站点组成。
  星形拓扑结构具有以下优点：
  （1）控制简单，易于维护。
  （2）故障诊断和隔离容易。
  （3）方便服务。
  星形拓扑结构的缺点：
  （1）电缆长度和安装工作量可观。
  （2）中央节点的负担较重，形成瓶颈。
  （3）各站点的分布处理能力较低。

• 总线拓扑
  总线拓扑结构采用一个信道作为传输媒体，所有站点都通过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上，该公共传输媒体即称为总线。
  总线拓扑结构的优点：
  （1）总线结构所需要的电缆数量少。
  （2）总线结构简单，又是无源工作，有较高的可靠性。
  （3）易于扩充，增加或减少用户比较方便。
  总线拓扑的缺点：
  （1）总线的传输距离有限，通信范围受到限制。
  （2）故障诊断和隔离较困难。
  （3）分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时功能

• 环形拓扑
  环形拓扑网络由站点和连接站的链路组成一个闭合环。
  环形拓扑的优点：
  （1）电缆长度短。
  （2）增加或减少工作站时，仅需简单的连接操作。
  （3）可使用光纤。
  环形拓扑的缺点：
  （1）节点的故障会引起全网故障。
  （2）故障检测困难。
  （3）环形拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传达室递的方式，在负
  载很轻时，信道利用率相对来说就比较低。

• 树形拓扑
  树形拓扑从总线拓扑演变而来，形状像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以
  下带分支，每个分支还可再带子分支。
  树形拓扑的优点：
  （1）易于扩展。
  （2）故障隔离较容易。
  树形拓扑的缺点：各个节点对根的依赖性太大。

• 网状拓扑
  网状拓扑结构又称作无规则结构，结点之间的联结是任意的，没有规律。
  优点：系统可靠性高，比较容易扩展，
  缺点：结构复杂，成本高。每一结点都与多点进行连结，因此必须采用路由
  算法和流量控制方法。目前广域网基本上采用网状拓扑结构。

• 按交换技术分类：
  电路交换网络：在发送、接受双方建立一条专用的通路用于数据交换
  报文交换网络：将数据加上地址等信息，进行转发，每个报文自行选择路线
  分组交换网络：将数据分成较小的数据块，类似报文交换，只是将报文分成更小的多个分组

• 按传输介质分类：
  有线网络
  无线网络

计算机网络的性能指标

• 时延
  发送时延：从发送分组的第一个比特算起，到该分组最后一个比特发送完毕所需的时间
  传播时延：一个比特从链路一端到另一端所需的时间
  处理时延：分析地址部分、进行差错检验等花费的时间
  排队时延：进入路由器后等待处理的时间

总时延 = 排队时延 + 处理时延 + 传输时延 + 发送时延

• 往返时延：从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认，总共经历的时间

• 吞吐量：单位时间通过某个网络（或接口）的数据量

• 速率：连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，也称数据率或比特率。通常，把最高数据率称为带宽

• 时延带宽积：指发送端第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出来多少个比特。时延带宽积 = 传播时延 * 信道带宽

1.2 结构

• 分层结构
  基本原则：
  1.每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度各层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
  2.各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，可以采用最合适的技术来实现
  3.保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
  4.整个分层结构应能促使标准化工作

两主机通信时，同一层逻辑上有一条直接信道，表现为不经过下层就把信息传送到对方

• 协议、接口与服务
  协议：协议即规则的集合，由语法、语义和同步三部分组成。语法规定了传输数据的格式；语义规定了所要完成的功能；同步规定了执行各种操作的时序关系等
  接口：相邻两层交换信息的连接点
  服务：下层为紧邻的上层提供的功能调用
  注意：协议和服务在概念上是不一样的，只有本层协议的实现才能保证向上层提供服务
  计算机网络的服务可分为三种：
  1.面向连接服务 VS 无连接服务
  面向连接服务中，通信前双方必须先建立连接，分配资源，再进行数据传送，传输结束释放连接
  无连接服务中，通过双方不需要先建立连接，需要发送数据时直接发送，通常被称为“尽最大努力交付”
  2.可靠服务 VS 不可靠服务
  可靠服务：网络具有纠错、检错机制，保证数据正确可靠
  不可靠服务：网络的正确性、可靠性由应用或用户来保障
  3.有应答服务 VS 无应答服务
  有应答服务：接收方在收到数据后向发送方给出相应的应答
  无应答服务：接收方在收到数据后不自动给出相应的应答

ISO/OSI模型

• 物理层：物理层的传输单位是比特，任务是透明的传输比特流，功能是在物理媒体上为数据端设备透明地传输原始比特流。

• 数据链路层：数据链路层的传输单位是帧，任务是将网络层传来的IP数据报组装成帧。数据链路层的功能可以概括为成帧、差错控制、流量控制和传输管理等。

• 网络层：传输单位：数据报；主要任务：把网络层的分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机通供通信服务。

• 传输层：也称运输层，传输单位：报文段（TCP）或用户数据报（UCP），负责主机中两个进程之间的通信。

• 会话层：允许不同主机上的各个进程之间进行会话。会话层利用传输层提供的端到端的服务，为表示层实体或用户进程建立连接并在连接上有序地传输数据，这就是会话，也称为建立同步。

• 表示层：表示层主要处理在两个通信系统中交换信息的表示方式，数据压缩、加密和解密 也是表示层可提供的数据表示变换功能。

• 应用层：是用户与网络的界面。

TCP/IP模型

OSI模型 VS TCP/IP模型

• OSI模型定义了三个主要概念：服务、协议和接口 ；TCP/IP在这个三个概念上没有明确区分

• OSI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信；TCP/IP在网际层仅有一种无连接的通信模式，但在传输层支持无连接和面向连接两种模式。

物理层

2.1通信基础

数据：传输信息的实体
信号：数据的电气或电磁表现
码元：指用一个固定时长的信号波形表示一位K进制数字，代表不同离散数值的基本波形
信源：产生和发送数据的源头
信道：信号传输媒介
信宿：接受数据的终点

单工通道 VS 半双工通道 VS 全双工通道

单工通道：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。例如，无线电广播、电视广播
半双工通道：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收信息，此时需要两条信道
全双工通道：通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速率

奈奎斯特定理

• 规定：在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W波特，其中W是理想低通信道的带宽，V表示每个码元离散电平的数目
  公式：理想低通信道下的极限数据传输速率 = 2Wlog2V（单位为b/s)

• 结论：在任何信道中，码元传输速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使得接收端不可能完全正确识别码元。
  信道的频宽越宽（即通过的信号高频分量越多），就可用更高的速率进行码元的有效传输。
  奈奎斯特准则给出了码元传输速率的限制，但并未对信息传输速率给出限制，即未对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制。

香农定理

• 带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差
• 公式：信道的极限数据传输速率 = Wlog2（1 + S/N）（单位为b/s)
• 结论：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高
  对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的，只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法来实现无差错的传输
  香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少

编码与调制

编码：数据变换为数字信号的过程
常见的几种编码
反向非归零编码：遇0反向，遇1不变
曼彻斯特编码：由高到低为1，由低到高为0
差分曼彻斯特编码：由高到低为1，由低到高为0；遇0变，遇1不变

调制：数据变换为模拟信号的过程
几种常见的调制：

ASK幅移键控：通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0
FSK频移键控：频率
PSK相移键控：相位

模拟数据编码为数字信号：主要包括三个步骤，即 采样、量化和编码。

• 采样定理：将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为f，那么采样频率f采样必须大于等于最大频率f的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息
• 量化：把采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值并取整数，这样就把连续的电平幅值转换为了离散的数字量
• 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

交换

电路交换

两个结点之间必须先建立一条专用的物理通信路径，知道通信结束后才被释放
分为三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放
优点：通信时延小，由于通信线路为通信双方用户专用，因此传输数据的时延非常小，当传输的数据量较大时，这一优点非常明显。
有序传输，双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题；没有冲突，不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的问题；适用范围广，电路交换即适用于传输模拟信号，又适用于传输数字信号；实时性强，通信双方之间的物理通路一旦建立，双方就可以随时通信；控制简单，电路交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单。
缺点：建立连接时间长；线路独占，使用焦虑低；灵活性差；难以规格化。

报文交换

数据交换的单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息。报文交换在交换结点采用的是存储转发的传输方式
优点：无需建立连接，报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不需要建立连接时延，用户可以随时发送报文；动态分配线路，当发送方把报文交给交换设备时，交换设备先存储整个报文，然后选择条合适的空闲线路，将报文发送出去；提高线路可靠性，如果某条传输路径发生故障，那么可重新选择另一条路径传输数据；提高线路利用率，通信双方不是固定占有一条通信新路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道。
缺点：数据进入交换结点后经历存储、转发这一过程，因此会引起转发时延；报文交换对报文的大小没有限制，这就要求网络结点需要有较大的缓存空间。

分组交换

同报文交换一样，分组交换也采用存储转发方式，但限制了每次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块。
优点：简化了存储管理；减少了出错概率和重发数据量。因为分组较短，其出错率必然减小，即使出错重发的数据量也大大减少。
缺点：需要传输额外的信息量，每个小数据块都要加上源地址、目的地址和分组编号等信息。从而构成分组，一定程度上降低了通信效率；当分组交换采样数据报服务时，肯能会出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作。
分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，还可以进一步分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式。

数据报

在网络层加上地址等控制信息后形成的数据报分组，在中间结点存储分组很短一段时间，找到最佳的路由后，尽快转发每个分组。不同的分组可以走不同的路径，也可以按不同的顺序到达目的结点。
特点：不需要建立连接；不保证可靠性；需要排队等候处理；对故障的适应能力强；不独占某条链路。

虚电路

虚电路方式试图将数据报方式与电路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果
在分组发送之前，要求在发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路，并且连接一旦建立，就固定了虚电路所对应的物理路径。与电路交换类似，整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放
特点：建立和拆除需要时间开销；提供了可靠的通信功能；虚电路易遭到破坏；分组首部只包含 虚电路标识符。

2.2传输介质

物理层设备
中继器
将信号整形并放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆后而产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求，进而扩大网络传输的距离。
其原理是信号再生（而非简单地将衰减的信号放大）
集线器
集线器（Hub）实际上是一个多端口的中继器；如果同时有两个或多个端口输入，那么输出时会发生冲突，致使这些数据都无效。

数据链路层

3.1功能

无确认的无连接服务

源机器发送数据帧时不需要先建立链路连接，目的机器收到数据帧时不需要发回确认。对丢失的帧，数据链路层不负责重发，而交给上层处理。

有确认的无连接服务

源机器发送数据帧时不需要先建立链路连接，但目的机器收到数据帧时必须发回确认。源机器在所规定的时间内未收到确定信号时，就重传丢失的帧，以提高传输的可靠性。

有确认的面向连接服务

帧传输过程分为三个阶段：建立数据链路、传输帧、释放数据链路。目的机器对收到的每一帧都要给出确认，源机器收到确认后才能发送下一帧，因而该服务的可靠性最高。
连接就一定要确认，即不存在无确认的面向连接的服务。

3.2组帧

字符计数法

指在帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数，目的结点的数据链路层收到字节计数值时，就知道后面跟随的字节数，从而可以确定帧结束的位置。

字符填充的首尾定界符法

使用特定字符来定界一帧的开始或结束，在特殊字符前面填充一个转义字符（ESC）来加以区分。

注：EOT、ESC为特殊字符

零比特填充的首尾标志法

即使用01111110（6个1）来标志一帧的开始和结束。发送方的数据链路层在信息位中遇到5个连续的‘1’时，将自动在其后插入一个‘0’；而接收方做该过程的逆操作，即每收到5个连续‘1’时，自动删除后面紧跟的‘0’。

违规编码法

如，曼彻斯特编码方法将数据比特‘1’编码成‘高-低’电平对，将数据比特‘0’编码成‘低-高’电平对，而‘高-高’电平对和‘低-低’电平对在数据比特中是违规的。

3.3差错控制

检错编码

奇偶校验码

如果是奇校验码，那么在附加一个校验元后，码长为n的码字中‘1’的个数为奇数。
如果是偶校验码，那么在附加一个校验元后，码长为n的码字中‘1’的个数为偶数。

循环冗余码

任何一个由二进制数位串组成的代码都可以与一个只含有0和1两个系数的多项式建立一一对应关系。

纠错编码（海明码）

设n为有效信息的位数，k为校验位的位数，则信息位n和校验位k应满足n + k <= 2^k - 1
规定校验位怕，在海明位号为2^?的位置上，其余位为信息位。

流量控制与可靠传输机制

滑动窗口机制

停止-等待流量控制基本原理

发送方每发送一帧，都要等待接收方的应答信号，之后才能发送下一帧；接收方每接收一帧，都要反馈一个应答信号，表示可接收下一帧，如果接收方不反馈应答信号，那么发送方必须一直等待。

多帧滑动窗口与后退N帧协议（GBN）

当接收方检测出失序的信息帧后，要求发送方重发最后一个正确接收的信息帧之后的所有未被确认的帧。

多帧滑动窗口与选择重传协议（SR）

只传失序的信息帧
接收窗口Wr + 发送窗口Wt <= 2^n

3.4介质访问控制

信道划分介质访问控制

频分多路复用（FDM）

将多路基带信号调制到不同频率载波上，再叠加形成一个复合信号的多路复用技术。

时分多路复用（TDM）

将一条物理信道按时间分成若干时间片，轮流地分配给多个信号使用。每个时间片由复用的一个信号占用，而不像FDM那样，同一时间同时发送多路信号。

波分多路复用（WDM）

分多路复用即光的频分多路复用，它在一根光纤中传输多种不同波长（频率）的光信号，由于波长（频率）不同，各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。

码分多路复用（CDM）

采用不同的编码来区分各路原始信号。

随机访问介质访问控制

ALOHA协议

纯ALOHA协议：网络中的任何一个站点需要发送数据时，可以不进行任何检测就发送数据，在一段时间内未确认，那么该站点就认为传输过程中发生了冲突。发送站点需要等待一段时间后再发送数据，直到发送成功。

• 时隙ALOHA协议：规定只能每个时隙开始时才能发送一个帧。从而避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率。

CSMA协议

一个结点要发送数据时，首先帧听信道
1-坚持 VS 非坚持 VS p-坚持

CSMA/CD协议

载波侦听多路访问/碰撞检测
“先听后发，边听边发，冲突停发，随即重发”
1、适配器从网络层获得一个分组，封装成以太网帧，放入适配器的缓存，准备发送。
2、如果适配器侦听到信道空闲，那么它开始发送该帧。如果适配器侦听到信道忙，那么它持续侦听直至信道上没有信号能量，然后开始发送帧。
3、在发送过程中，适配器持续检测信道。若一直未检测到碰撞，则顺利地把这个帧发送完毕。若检测到碰撞，则中止数据的发送，并发送一个拥塞信号，以让所有用户都知道。
4、在中止发送后，适配器就执行指数退避算法，等待一段随机时间后返回到步骤2。

当A在发送帧后至多经过时间2t（端到端传播时延的2倍）就能知道所发生的帧有没有发生碰撞（当t →0时）。因此把以太网端到端往返时间2t称为争用期（又称冲突窗口/碰撞窗口）。
为了确保发送站在发送数据的同时能检测到可能存在的碰撞，需要在发送完帧之前就能收到自己发送出去的数据，即帧的传输时延至少要两倍于信号在总线中的传播时延，所以CSMA/CD总线网中的所有数据帧都必须要大于一个最小帧长 最小帧长 = 总线传播时延 * 数据传输速率 * 2
以太网规定取51.2微秒us为争用期的长度
一旦发生了冲突，参与冲突的两个站点紧接着再次发生是没有意义的，如果它们这么做，那么将会导致无休止的冲突。CSMA/CD采用二进制指数退避算法来解决碰撞问题。
1.确定基本退避时间，一般取两倍的总线端到端传播时延2t（即争用期）
2.定义参数k，它等于重传次数，但k不超过10，即k = min[重传次数，10]。当重传次数不超过10 时，k等于重传次数；当重传次数大于10时，k就不再增大而一直等于10。
3.从离散的整数集合[0,1,...,2^k - 1]中随机取出一个数r,重传所需要退避的时间就是r倍的基本退避时间，即2rt。
4.当重传达16次仍不能成功时，说明网络太拥挤，认为此帧永远无法正确发出，抛弃此帧并向高层报告出错。

CSMA/CA协议

CSMA/CD协议已成功应用于使用有线连接的局域网，但在无线局域网环境下，却不能简单地搬用CSMA/CD协议，特别是碰撞检测部分。主要有两个原因：
1.接收信号的强度往往会远小于发送信号的强度，且在无限介质上信号强度的动态变化范围很大，因此若要实现碰撞检测，则硬件上的花费就会很大（不好检测）
2.在无线通信中，并非所有的站点都能够听见对方，即存在“隐蔽站”问题（检测不到）
算法归纳如下：
1.若站点最初有数据要发送（而不是发送不成功再进行重传），且检测到信道空闲，在等待一小段时间后，就发送整个数据帧
2.否则，站点执行CSMA/CA退避算法，选取一个随机回退值。一旦检测到信道忙，退避计时器就保持不变。只要信道空闲，退避计数器就进行倒计时。
3.当退避计时器减到0时（这是信道只可能是空闲的），站点就发送整个帧并等待确认。
4.发送站若收到确认，就知道已发送的帧被目的站正确接收。这时如果要发送第二帧；就要从步骤2开始
若发送站在规定时间内没有收到确认帧ACK（由重传计时器控制），就必须重传该帧，再次使用CSMA/CA协议争用该信道，直到收到确认，或经过若干次重传失败后放弃发送。

轮询访问介质访问控制

令牌传递协议

在轮询访问中，用户不能随机地发送信息，而要通过一个集中控制的监控站，以循环方式轮询每个结点，再决定信道的分配。当某结点使用信道时，其他结点都不能使用信道。
主要用在令牌环局域网。
在该协议中，一个令牌在各结点间以某个固定次序交换。
令牌是由一组特殊的比特组合而成的帧。
计算机都不需要发送数据时，令牌就在环形网上游荡，而需要发送数据的计算机只有在拿到该令牌后才能发送数据帧，因此不会发生冲突。
轮询介质访问控制非常适合负载很高的广播信道。

3.5局域网

局域网的基本结构和体系结构

局域网拓扑结构主要以下4大类：
①星型结构
②环形结构
③总线形结构
④星形和总线形结合的复合型结构
传输介质：双绞线（主流）、铜缆和光纤等。
介质访问控制方法：CSMA/CD、令牌总线和令牌环，其中前两种主要用于总线形局域网，令牌环主要用于环形局域网。

以太网与IEEE 802.3

以太网逻辑上采用总线形拓扑结构，以太网中的所有计算机共享同一条总线，信息以广播方式发送。为了保证数据通信的方便性和可靠性，以太网简化了通信流程并使用CSMA/CD方式对总线进行访问控制。
严格来说，以太网应当是指符合DIXEthermetV2标准的局域网，但DIXEthermetV2标准与IEEE802.3标准只有很小的差别，因此通常将802.3局域网简称以太网。
以太网采用两项措施以简化通信：
①采用无连接的工作方式，不对发送的数据帧编号，也不要求接收方发送确认，即以太网尽最大努力交付数据，提供的是不可靠服务，对于差错的纠正则由高层完成。
②发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号，每个码元的中间出现一次电压转换，接收端利用这种电压转换方便地把位同步信号提取出来。

网络接口板/网络适配器（Adapter）/网络接口卡（Network Interface Card，NIC）

计算机与外界局域网的连接是通过主机箱内插入的一块网络接口板实现的。
世界的每块网卡在出厂时都有一个唯一的代码，称为**介质访问控制（MAC）**地址，这个地址用于控制主机在网络上的数据通信。

以太网的MAC帧

地址：通常使用6字节（48比特）地址（MAC地址）。
数据：46~1500字节，包含高层的协议信息。由于CSMA/CD算法的限制，以太网帧必须满足最小长度要求64字节，数据较少时必须加以填充（0-46字节）

高速以太网

• 100BASE-T以太网
  支持全双工方式，有支持半双工方式，可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，在全双工方式下不使用CSMA/CD协议
• 吉比特以太网
  在半双工方式下使用CSMA/CD协议（全双工方式不需要使用CSMA/CD协议）
• 10吉比特以太网
  只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用CSMA/CD

3.6广域网

广域网通常是指覆盖范围很广（远超一个城市的范围）的长距离网络，局域网可以通过广域网与另一个相距很远的局域网通信。
广域网由一些结点交换机及连接这些交换机的链路组成。
局域网使用的协议主要在数据链路层（还有少量在物理层），而广域网使用的协议主要在网络层。
广域网的基本概念
广域网中的一个重要问题是路由选择和分组转发。PPP协议和HDLC协议是目前最常用的两种广域网数据链路层控制协议

PPP协议

组成部分：

• 链路控制协议（LCP）。一种扩展链路控制协议，用于建立、配置、测试和管理数据链路。
• 网络控制协议（NCP）。PPP协议允许同时采用多种网络层协议，每个不同的网络层协议要用一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。
• 一个将IP数据报封装到串行链路的方法。IP数据报在PPP帧中就是其信息部分，这个信息部分的长度受最大传送单元（MTU）的限制。

PPP是面向字节的，当信息字段出现和标志字段一致的比特组合时，采用字节填充法。

状态：
当线路处于静止状态时，不存在物理层连接
当线路检测到载波信号时，建立物理连接，线路变为建立状态
LCP开始选项商定，商定成功后就进入身份验证状态
双方身份验证通过后，进入网络状态
采用NCP配置网络层，配置成功后，进入打开状态，然后就可进行数据传输
当数据传输完成后，线路转为终止状态。载波停止后则回到静止状态。

广域网 VS 局域网

HDLC协议

HDLC有3种站类型：主站、从站和复合站

• 主站：负责控制链路的操作，主站发出的帧称为命令帧。
• 从站受控于主站，按主站的命令进行操作，发出的帧称为响应帧。
• 既具有主站的功能，又具有从站的功能，这类站称为复合站，它可以发出命令帧和响应帧。

数据操作方式

• 正常响应方式
  这是一种非平衡结构操作方式，即主站向从站传输数据，从站响应传输，但从站只有收到主站的许可后，才可进行响应。
• 异步平衡方式
  这是一种平衡结构操作方式。在这种方式中，每个复合站都可以进行对另一站的数据传输。
• 异步响应方式
  这是一种非平衡结构操作方式。在这种方式中，从站即使未收到主站的允许，也可进行传输。

PPP协议 VS HDLC协议

PPP协议	HDLC协议
面向字节	面向比特
不使用序号和确认机制，只保证无差错接收（通过硬件进行CRC检验），端到端差错检测有高层协议负责	使用编号和确认机制，能够提供可靠传输

3.7设备

网桥

两个或多个以太网通过网桥连接后，就成为一个覆盖范围更大的以太网，而原来的每个以太网就称为一个网段（LAN）。网桥工作在链路层的MAC子层，可以使以太网各网段成为隔离开的碰撞域。
网络1和网络2通过网桥连接后，网桥接收网络1发送的数据帧，检查数据帧中的地址：如果是网络2的地址，那么就转发给网络2；如果是网络1的地址，那么就将其丢弃，因为源站和目的站处在同一个网段，目的站能够直接收到这个帧而不需要借助网桥转发。
基本特点

• 网桥必须具备寻址和路径选择能力，以确定帧的传输方向；
• 从源网络接收帧，以目的网络的介质访问控制协议向目的网络转发该帧；
• 可使用不同的物理层，可互联不同类型的局域网；

透明网桥

源路由网桥（选择的是最佳路由）

路由选择由发送帧的源站负责

源路由的生成过程是：

• 在未知路径前，源站要先发送一个发现帧；
• 途中的每个网桥都转发此帧，最终该发现帧可能从多个途径到达目的站；
• 目的站也将一一发送应答帧，每个应答帧将通过原路径返回，途径的网桥把自己的标志记录在应答帧中；
• 源站选出一个最佳路由

局域网交换机

以太网交换机是一个多端口的网桥
特点
以太网交换机的每个端口都直接与单台主机相连；
以太网交换机也是一种即插即用设备（和透明网桥一样），其内部的帧的转发表也是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
两种交换模式：

• 直通式交换机
  只检查帧的目的地址。这使得帧在接收后几乎能马上被传出去。这种方式速度快，但缺乏智能性和安全性，也无法支持具有不同速率的端口
• 存储转发式交换机
  先将收到的帧缓存到高速缓存器中，并检查数据是否正确，确认无误后通过查找表转换成输出端口将该帧发送出去。如果发现帧有错，那么就将其丢弃。优点：可靠性高，支持不同速率端口间的转换；缺点：延迟较大。

下转计算机网络之细嚼慢咽版2