计算机网络第三章

在点对点信道中

• 链路和数据链路的区别:
  - 链路是相邻结点之间的物理线路。
  - 数据链路里除了物理线路，还包括实现协议的硬件和软件，比如适配器。

• 点对点信道数据链路层的通信步骤:
  - 首先A结点的数据链路层把网络层传下的IP数据报添加首部尾部封装成帧。
  - A把封装好的帧发送给B的数据链路层。
  - 若B的数据链路层接收无误，则去掉首部尾部恢复成IP数据报上传给网络层；若有误，丢弃。
  - 注:可以直接将该过程想象为两结点的数据链路层之间的水平传输。

• 数据链路层协议应当解决的三个基本问题:
  - 1.封装成帧:在某一段数据的首部和尾部分别添加标记信息和控制信息。理论上要做到数据部分的长度要尽可能大于首尾部长度，但是也有一个数据部分长度上限。在传输数据时，只有收到开始符SOH和结束符EOT,才算是收到了一段完整数据。
  - 2.透明传输:在封装成帧后要进行传输，SOH和EOT表示一段数据的开始和结束。但是如果在数据部分恰好有某一小段的内容为SOH或EOT，接收端就有可能将其错误的默认为开始符或结束符。为了解决这个问题，在数据内容中出现的“SOH”和“EOT”之前会插入一个转义字符ESC，最后会在接收端删除。假如ESC也恰好出现在数据内容中，则要在这个“ESC”前再插入一个真正的ESC，接收端收到连续两个ESC后便会删除前面的一个
  - 3.差错检测:一般都会使用循环冗余检验CRC，步骤如下：

  • 1.获取传输的数据为M，一共有k比特；
  • 2.得到共（n+1）位的除数P；
  • 3.在M后加上n个0；
  • 4.用模二除法算出商Q（没用）和余数R（拼在M后发出）；

  在传输时需要一帧一帧来判断，余数R为0则表示该帧正确，接收；余数不为0则表示有错，但无法确定错误的具体位置，所以丢弃该帧。这样一来收到的每个帧内的每个比特都是对的，实现了无比特差错传输。但是，错误的帧被丢掉了，导致了帧丢失，所以没有实现无传输差错传输。所以，数据链路层提供的传输是不可靠的传输。

• 点对点（PPP）协议的内容:
  - 1.需求：PPP协议需要满足简单、封装成帧、透明性、多网络层协议、多类型链路、差错检测、连接状态监测、最大传送单元、网络层地址协商、数据压缩协商等需求。
  -2.组成：PPP协议由一个将IP数据报封装到串行链路的方法、一个用来建立配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP和一套网络控制协议NCP组成。
  -3.帧的格式（由前至后）：

  • 首部：包含四个字段，第一字段为标志字段F（0x7E），表示一个帧的开始，1字节长度。接下来是地址字段A（0xFF），再接下来是控制字段C（0x03），这两个字段实际上并未携带帧信息，且均为1字节长度。最后一个字段为协议字段，若为0x0021则该帧为IP数据报，若为0xC021则该帧为LCP的数据，若为0x8021则该帧为网络层的控制数据，2字节长度。
  • 中部：信息字段，为IP数据报，长度不超过1500字节。
  • 尾部：包含两个字段，第一字段为使用CRC的帧检验序列FCS，2字节长度。第二字段为标志字段F（0x7E），1字节长度。
  • 注：整体上看，一个帧的首尾都是标志字符F，连续的两帧之间只需要一个标志字段，若出现连续的两个标志字段，则表示为一个空帧，丢弃处理。

  -4.填充方式：

  • 字节填充：当信息字段出现和标志字段（0x7E）字节时，需要采用字节填充方式：将信息字段中的0x7E全部换成2字节序列（0x7D,0x5E）；若信息字段中出现了0x7D字节，则将其转换为（0x7D,0x5D）组合；若在信息字段中出现ASCII码的控制字符，则在该字符前加一个0x7D字节即可。最后在接收端做反转换即可。
  • 零比特填充：在发送端查看整个信息字段，若有连续5个连续的1出现，则在其后加入一个0。在接收端，若发现连续5个1，则删除其后的1个0，这样便可恢复成原来的信息段。

在广播信道中

• 局域网的数据链路层综述:
  - 特点：一个单位所有，地理范围和站点数目有限。
  - 优点：具有广播功能；便于系统的扩展和演变；提高了可靠性、生存性、可用性。
  - 传输媒体：10Mbit/s至10Gbit/s都可使用最便宜的双绞线。当数据率很高时，要使用光纤。

• CSMA/CD协议:
  - 名称：载波监听多点接入/碰撞检测。
  - 编码方式：采用曼彻斯特编码。
  - 要点：

  • 多点接入：只是说明这是总线型网络，计算机以对多点接入的方式连接在一根总线上

  • 载波监听：即检测信道，在发送前必须检测信道，如果此时已有其他站在发送，则自己就要暂停发送，等信道为空才能继续发送，称为获得发送权。

  • 碰撞检测：即边发送边监听，在发送中也必须检测信道，是为了及时发现有无其他站的发送信号和本站的发送信号碰撞。当同时有多个站发送时，总线上的信号电压变化幅度增大，当检测到电压变化超过门限值时便可认为有两个以上的站在同时发送。

• 以太网的星形拓朴和集线器特点:
  - 1.以太网多采用星形拓朴结构，在星的中心会使用集线器。
  - 2.采用集线器的以太网在物理上是星形结构，在逻辑上收总线网，仍使用CSMA/CD协议，同一时刻只能有一个站发送数据。
  - 3.一个集线器有点多个接口，每个接口通过RJ-45插头，用两对双绞线与一台计算机上的适配器相连，故很像一个多接口转发器。
  - 4.集线器工作在物理层，每个接口只发送比特，不做碰撞检测。
  - 5.集线器采用专门的芯片，本身非常可靠。

• 以太网信道利用率:
  - 由于碰撞的存在，信道利用率无论如何都不会达到100%。
  -若T为发送一帧所需要的时间，τ为单程端到端的传播时延，则可以定义一个α=T/τ。若想要信道利用率高，则α要尽可能小。
  - 当数据率一定时，要保证以太网的连线长度受限制，同时帧的长度不能太短。

• 以太网MAC层:
  - 1.定义：硬件地址又称物理地址或MAC地址，该地址长48位字节，固化在每一台计算器的适配器的ROM中，该地址只和适配器有关，和在哪里，接入到什么网中无关。
  - 2.MAC帧的格式（以太网V2标准）：

  • 第一部分：一般为6字节48位长的目的地址，前3个字节由IEEE对外出售，而第一字节的最低位为Individual/Group（I/G）位，为0时表示单站地址，为1时表示组地址。第一字节第二低位为Global/Local（G/L）位，了解就行。所以在整个6字节48位的目的地址字段中，IEEE可以分配共46位来生成地址。
  • 第二部分：同样为6字节长的源地址字段。
  • 第三部分：2字节长的类型字段，用于标识网络层使用的协议，以便把收到的帧向上交付。
  • 第四部分：数据字段，长度在46-1500字节（一个帧最短为64字节，减去第一第二第三第五部分，得到最小长度为46字节）若数据字段长度小于46字节，则要在该字段最后加上整数字节来填充。
  • 第五部分：使用CRC检测的FCS，4字节长度。
  • 附加部分：在传输时，如果适配器的时钟与已经达到的比特流没有同步，则会造成帧最前面的几位无法接受从而丢失数据。所以在从MAC子层下传到物理层时，要在帧的最前面加上8字节，由两部分构成。第一部分是前7个字节的前同步码 ，用于实现位同步；第二部分是1字节长的帧开始界定符，位101010xx，若最后两位都为1 ，则表示MAC帧信息即将到来。

  -3.错误：当出现帧的长度不为整数字节、FCS检测出错、MAC的数据字段长度不在46-1500字节这三种情况时，该帧做无效处理，直接丢弃。

• 以太网局交换机 ：
  - 1.定义：在扩展以太网时，常用到19 90年问世的交换式集线器，这种交换机工作在数据链路层，所以也被称为以太网交换机或第二层交换机。以太网交换机实质上是一个多接口的网桥
  - 2.特点：工作在全双工模式，有并行性，可以同时连通多对接口，使多对主机能同时通信，相互通信的主机都是独占传输媒体，不存在碰撞；接口还有储存器，可以再输出端口繁忙时将到来的帧先缓存；可以通过自学习功能来建立内部的地址表。
  - 3.使用：使用以太网交换机可以实现虚拟局域网（VLAN），VLAN是由局域网网段构成的和地理位置无关的逻辑组，只是给局域网用户提供的一种服务，而不是新的局域网。比如，一台计算机在发送广播时，组内的成员都可以收到广播，而组外的成员无法收到，这样就有效限制了接收到广播的计算机数量，不会产生广播风暴