【复习】计算机网络学习笔记

前言

根据老师上课的重点以及自己总结的点整理出来的笔记，持续更新中,目前更新到了第三章

第一章概述

1.1计算机网络在信息时代中的作用

互联网的两个重要基本特点： 互联网之所以能够向用户提供许多服务就是因为互联网具有两个重要基本特点

连通性：

互联网上网用户指之间，不管相距多远都可以非常便捷、非常经济地交换各种信息
共享性：

资源共享：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。

1.2 互联网概述

计算机网络： 由若干个节点和连接这些节点的链路组成。（书上用的是节点一词，但是网络上应该用结点，结点是无顺序的，节点是有顺序的）

互连网（internet）： 多个网络通过一些路由器相互连接起来，构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。

互联网（Internet）： 当前全球最大的、开放的、由众多网络连接而成的特定互连网，它采用TCP/IP协议作为通信的规则。

互联网基础结构发展的第三个阶段： 形成了全球范围的多层次的ISP结构的互联网

ISP层次： 主干ISP ➡️ 地区ISP ➡️ 本地ISP

1.3 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，用来进行通信和资源共享
核心部分:由大量王国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）

1.3.1 边缘部分

在网络边缘的端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：客户-服务器方式（C/S方式）和对等方式（P2P方式）

客户-服务器方式

客户（client）和服务器（server）都是指通信中所涉及的两个应用进程
对等连接方式

两台主机即可以是C也可以是S，但是在某一次通信中是C/S方式

客户程序：

被用户调用后运行，需主动向远地服务器发起通信（请求服务）。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。

服务器程序：

专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个客户请求。一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。不需要知道客户程序的地址。一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

1.3.2 核心部分

路由器在网络核心部分起特殊作用，是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分的最重要的功能

电路交换

必须经过 “建立连接” （占用通信资源）→ 通话（一直占用通信资源）→释放连接（归还资源）

三个步骤的交换方式称为电路交换

特点
- 每一部电话都直接连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。
- 在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源，导致效率低下
分组交换

分组交换采用存储转技术，把一个报文（要发送的整块数据）划分为几个分组后再进行传送，在每个分组前面又一些必要的控制信息，分组又称包，分组的首部也称包头

特点
- 高效、灵活、迅速、可靠；
- 分组在各路由器储存储转发时需要排队，这就会造成一点的时延，分组的首部也带来了一定的开销
报文交换

整个报文宪传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点

若要连续传输大量的数据，且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。

1.5 计算机网络的类别

计算机网络最简单的定义：一些相互连接的自治的计算机合集

按照网络的作用范围进行分类：

个域网PAN（ Personal Area Network ）

能在便携式消费电器与通信设备之间进行短距离通信的网络
覆盖范围一般在10米半径以内，如蓝牙耳机等

局域网LAN（Local Area Network）

局部地区形成的区域网络，如企业网络
分布地区范围有限，可大可小，大到一栋建筑、小到办公室内的组网
电脑WLAN接入，打印机共享等等

城域网MAN（Metropolitan Area Network ）

范围覆盖一个城市的网络

广域网WAN（Wide Area Network）

覆盖很大地理区域，乃至覆盖地区和国家

按照网络的使用者进行分类

公用网： 这里指电信公司出资建造的大型网络

专用网： 某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络，不向单位以外的人提供服务

接入网：

本地接入网或居民接入网，由某个端系统连接到本地ISP的第一个路由器（边缘路由器）之间的一些物理链路组成

1.6 计算机网络的性能

速率

数据的传送速率，也称为数据率单位：bit/s ，当提到网络的速率时往往指的是额定速率或标称速率，并非网络上实际上运行的速率
带宽

带宽本来是指某个信号具有的频带宽度

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，因此网络带宽表示单位时间内网络中的某信道所能通过的 “最高数据率” ，所以单位与速率的相同 bit/s
吞吐量

单位时间内通过某个网络的实际数据量，吞吐量经常用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道是击杀个到底有多少数据量能够通过网络。
时延

数据从网络的一端传送到另一端所需的时间。
- 发送时延：主机或路由器发送数据帧所需要的时间
- 传播时延：电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间
  
  发送时延发生在机器内部的发送器中，与传输信道的长度没有任何关系
  
  传播时延发生在机器外部的传输信道媒体上，与信号的发送速率无关。
- 处理时延：主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理
- 排队时延：分组在路由器确定了转发接口后还要在输出队列中排队等待转发
时延带宽积

传播时延✖️带宽
往返时间RTT
利用率

分为信道利用率和网络利用率，信道利用率并非越高越好，信道利用率或网络利用率过高就会产生非常大的时延

计算机还有一些非性能指标如费用、质量、标准化、可靠性等等

1.7 计算机网络体系结构

为进行网络中数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议

网络协议的三要素：

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

注意：TCP/IP协议只有四层，五层协议是讲授计网的时候采取的方法。

具体每层的功能作用等等这里就不展开了，后面每一层都会有单独的章节来讲。

每一层的数据单元PDU就是上一层传下来的数据和上一层加上的首部，但是在数据链路层控制信息被分为两部分，分别加到首部和尾部

协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）

实体、协议、服务和服务访问点

实体： 实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

主要搞清楚协议和服务的区别

协议： 控制两个对等实体进行通信的规则的集合

在协议的控制下，两个对等实体间的通信是的本层能够向上一层提供服务，下面的协议对上面的实体是透明的。

协议是水平的，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

第二章物理层

2.1 基本概念（了解）

机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统模型

一个数据通信系统可划分为三大部分：

源系统（发送端、发送方）
- 源点：源点设备产生要传输的数据
- 发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能偶在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器
传输系统（传输网络）
目的系统（接收端）
- 接收器：接受系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器
- 终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出

2.2.2 有关信道的几个基本概念

信道： 一般用表示向某一个方向传送信息的载体

单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。 （电视、广播）
双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。 （对讲机）
双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。 （电话）

基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。

因为基带信号有较多的低频成分，甚至有直流成分而许多信道并不能传输这些成分，所以必须要对基带信号进行调制。

调制：

基带调制 ：对基带型号的波形进行变换，变换后的信号仍然是基带信号，大家也称这种方式为编码
带通调制 :基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输

基本的带通调制方法：

调幅(AM) ：载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化（0或1分别对应于0度或180度）。

2.2.3信道的极限容量

信号的失真

原因：

信号传输距离远
传输媒体质量差
码元传输速率过高

限制码元在信道上传输速率的因素：

信道能够通过的频率范围
- 奈氏准则：给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。 （信号采样频率fs>=2fm信号最高频率）
- 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的**（带宽为W(HZ)，则码元传输的最高速率就是2W(码元/秒)）**，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
- 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
信噪比
- 一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例
- 香农公式： 推导出带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率
- 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。

对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率？

就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

2.3 物理层下面的传输媒体

2.3.1 导引型传输媒体（了解）

2.3.2 非导引型传输媒体

无线传输所使用的频段很广
短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。（多径效应）

2.4 信道复用技术

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

频分复用FDM：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）
时分复用TDM：则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
- 问题：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：使用集中器连接低速用户将他们的数据集中起来通过高速线路发送到一个远地计算机

2.4.2 波分复用WDM

光的频分复用，一根光纤上同时传输多个光载波信号

2.4.3 码分复用CDM：

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。

常用的名词是码分多址 CDMA

在CDMA中每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片，使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit的码片序列

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。

为了方便我们按惯例将码片中的0写成-1，将1写为+1

基本规则：

每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。
正交数学公式：
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)都是 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
一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

假设有发送站S与T 一个接收站 X

当接收站打算收S站发送的信号时，就用S站的码片序列与收到的信号求规格化内积

接收站收到的信息为：X=（S站信号+T站信号），与S站的码片序列求内积就相当于S（收）·S和T（收）·S显然后者为0，那么就根据结果可以判断S站发送的信号了（1代表S站发送了码片向量，0代表S站没有发送，-1代表S站发送了码片反码）

例题：课本习题2-16

2.5 数字传输系统

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。

数字传输标准：

同步光纤网 SONET 第 1 级同步传送信号 STS-1 的传输速率是 51.84 Mb/s，光信号则称为第 1 级光载波 OC-1
ITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH
- SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。

2.6 宽带接入技术

2.6.1 ADSL

非堆成数字用户线ADSL 技术 就是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。

ADSL 技术就把 0~4 kHz 低端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。

用户线越细，信号传输时衰减就越大
传输速率越大，传输的距离就越近
ADSL的下行带宽都远远大于上行

DMT技术

调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道，其中 25 个子信道用于上行信道，而 249 个子信道用于下行信道。

n每个子信道占据 4 kHz 带宽（严格讲是 4.3125 kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做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。

这也就能解释为什么上行与下行是不对成的。

ADSL 的数据率

ADSL 不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通 ADSL。

ADSL的组成

第二代ADSL

通过提高调制效率得到了更高的数据率
采用了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，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义

2.6.2 光纤同轴混合网HFC (Hybrid Fiber Coax)

HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网是在CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。
HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

为了提高传输的可靠性和电视信号的质量，HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。

原来的有线电视网最高传输频率是450MHz，并且仅用于电视信号的下行传输，现在的HFC网具有双向传输的功能，并且扩展了传输频带。

用户接口盒 UIB (User Interface Box)要提供三种连接，即：

使用同轴电缆连接到机顶盒(set-top box)，然后再连接到用户的电视机。
使用双绞线连接到用户的电话机。
使用电缆调制解调器连接到用户的计算机

电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解调器，传输速率高，不需要成对使用，只需安装在用户端，比ADSL的调制解调器复杂得多。

2.6.3 FTTx技术

FTTx（光纤到……）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。例如：

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)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。

思考题：

P70 习题4、5、7、14、16、18
奈氏准则和香农公式的主要区别是什么？
为什么ADSL方式，不能保证固定的数据率？

第三章

3.1 数据链路层的几个共同问题

3.1.1数据链路和帧

链路： 从一个节点到相邻节点的一段物理线路，而中间没有任何其他的交换节点

一条链路只是一条路径的组成部分

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。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。（又称之为逻辑链路）

现在最常用的方法是使用适配器（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这两层的功能。

帧： 点对点信道的数据链路层的协议数据单元

数据链路层把网络层交下来的数据封装成帧发送到链路上

3.1.2 三个基本问题（重点）

1.封装成帧

封装成帧(framing) 就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。

首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界，此外首部和尾部还包括许多必要的控制信息

MTU： 数据部分长度上限——最大传送单元

用控制字符进行帧定界的方法举例

控制字符（SOH 01H）放在帧的最前面，表示帧的开始，另一个控制字符（EOT 04H）表示帧的结束

2.透明传输

我们先要知道我们可打印的ASCII码为95个其余33个就为控制字符，当我们使用文本文件组成帧时就不会出现SOH与EOT这样的控制字符，但当我们使用的是非ASCII码的文本文件时数据中就有可能出现与SOH或EOT一致的二进制代码，这时候就会出现下图这样的问题：

在数据链路层的透明传输指的是：无论什么样的比特组合的数据，都能够按照原样没有差错的通过这个数据链路层

显然上图并不符合透明传输，为了解决透明传输问题就必须设法使数据中可能出现的控制字符**“SOH”与“EOT”**在接收端不被解释为控制字符

具体的方法——字节填充\字符填充

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

如果转义字符也出现数据当中，在转义字符前面插入一个转义字符。

接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。

3.差错控制

在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。

在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。

提高信噪比就可以使误码率减少

为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。目前在数据链路层广泛使用了循环冗余检验CRC的检测技术

在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特，现假设一个数据M=101001（k=6）

CRC检验就是在数据M后面添加供检测用的n位冗余码，然后接收端进行处理，检查得到的余数来判断是否有差错。

如何计算n位冗余码：

用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 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
而余数是 R，余数 R 比除数 P 少1 位，即 R 是 n 位，这里的R 就是冗余码。

FCS 帧检验序列：在数据后面添加上的冗余码

CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。

模2除法具有下列三个性质：

1、当最后余数的位数小于除数位数时，除法停止。

2、当被除数的位数小于除数位数时，则商数为0，被除数就是余数。

3、只要被除数或部分余数的位数与除数一样多，且最高位为1，不管其他位是什么数，皆可商1。

注：模2运算的加法不进位，减法和加法一样，按照加法计算（相同为0.相异为1）

接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验 ：

把收到的每一个帧都除以相同的除数P，然后检查得到的余数R，如果没有差错那么余数R为0，R若不为0则判定这个帧有差错就丢弃

但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。

多项式表示循环检验过程：

注意以下几点：

仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。
“无差错接受” 是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”
也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。
要做到 “可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。

3.2点对点协议PPP

3.2.1 PPP协议的特点

现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。
用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。

1.PPP协议应满足的要求

简单——这是首要的要求-
封装成帧——确定帧界定符
透明性——数据传输的透明性
多种网络层协议——支持网络层的不同协议
多种类型链路——支持不同类型的链路
差错检测——CRC、VRC、LRC
检测连接状态——检测链路是否正常工作
最大传送单元——数据部分的最大长度
网络层地址协商——协商网络层的地址
数据压缩协商——协商数据压缩算法，PPP协议必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法，但不要求将数据压缩算法进行标准化

PPP协议不需要的功能

纠错
流量控制
设置序号
多点线路
半双工或单工链路（仅支持全双工）

2.PPP协议的组成

一个将 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)。

3.2.2 PPP协议的帧格式

1.各字段的意义

首部的第一个字段和尾部的第二个字段都是标志字段F（Flag），规定为0x7E。连续两帧之间只需要一个标志字段，如果出现两个连续的标志字段就表示这是一个空帧应当丢弃。（这里与之前的SOH与EOT有所不同

地址字段A规定为0xFF，控制字段规定为0x03

透明传输问题：

当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和 HDLC 的做法一样，零比特填充）
当 PPP 用在异步传输链路时，就使用一种特殊的字符填充法。

1、字节填充

当PPP使用异步传输时，它把转义符定义为0x7D，并使用字节填充

将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节, 转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5E)。
若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5D)。
若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。

2、零比特填充

PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。

在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除

PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：

在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。
在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够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。

3.2.3 PPP协议的工作状态

PPP链路初始化

当用户拨号接入 ISP 时，就建立了一条从用户到个人电脑的物理连接。
个人电脑向ISP发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧），以便建立LCP连接
这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，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。

思考题：

P109习题5、7、10、11
物理链路和逻辑链路的异同点？
什么是“透明传输”？

3.3 使用广播信道的数据链路层

3.3.1 局域网的数据链路层

局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

主要优点：

具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上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（冗余度、残存性）。

局域网按照网络拓扑进行分类可以分为星形网、环形网（快被淘汰了）、总线网

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（多点接入）：

随机接入：可能会导致碰撞问题（重点）
受控接入：用户不能随地发送信息而必须服从一定地控制（使用较少）

以太网的两个标准：

标准1：DIX Ethernet V2（V1由DEC、Intel、施乐联合提出），是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。
标准2：IEEE 的 802.3 标准。（1983）

DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别（帧格式的差异），因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。
严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网。

802委员会将局域网的数据链路层分为两个子层：

逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层
媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。

由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 标准的局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。

适配器的作用：

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。

3.3.2 CSMA/CD协议（重点）

总线的特点：当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据，这种就是广播通信方式。

为了实现一对一通信： 只有适配器地址与帧首部接收站地址匹配才会接受这个帧。

为了通信的简便，以太网采取了以下两种措施：

采取较为灵活的无连接的工作方式即不必先建立连接就可以直接发送数据。
- 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。
  - 这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。
- 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层(如TCP协议)来决定。
以太网发送的数据，都使用曼彻斯特编码
- 方便把位同步信号提取出来
- 所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍（每秒传送的码元数加倍了）

载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD ：

“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。
“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。

碰撞检测： 计算机边发送数据，边检测信道上的信号电压大小。

当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。
当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。

使用 CSMA/CD 协议的以太网，不能进行全双工通信而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。
这种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。

截断二进制指数退避算法

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。

基本退避时间取为争用期 2t。
从整数集合[0,1,…, (2k -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。
参数 k 按下面的公式计算：

k = Min[重传次数, 10]

当 k < 10 时，参数 k 等于重传次数。
当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

争用期的长度

以太网取 51.2 ms 为争用期的长度。
对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。
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。
以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。
对于很短的帧必须加入一些填充字节使帧长不小于64字节

强化碰撞：

当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：
- 立即停止发送数据；
- 再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

3.3.3使用集线器的星形拓扑

传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。

这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)

1990年IEEE制定出星形以太网10BASE-T的标准802.3i，10代表10Mbit/s的数据率，BASE表示数据线上的信号是基带信号，T代表双绞线。

10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。
这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。
10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位，奠定了牢固的基础。

集线器的特点：

是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。n使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线，同一时刻至多只允许一个站发送数据
集线器有许多端口，很想一个多端口的转发器
集线器工作在物理层

3.3.4 以太网的信道利用率

以太网的信道被占用的情况：

争用期长度为 2t，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。
帧长为 L (bit)，数据发送速率为 C (b/s)，因而帧的发送时间为 L/C = T0 (s)。

T0+t中的t为一个站发送完最后一个比特时，这个比特还要在以太网上传播

这就是说

当数据率一定时，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

极限信道利用率：

在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是 CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。

该公式指出：只有当参数a远小于1才能得到尽可能高的极限信道利用率

3.3.5 以太网的MAC层

MAC层的硬件地址

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址（网卡地址/适配器地址）。

IEEE802标准为局域网规定了一种48位的全球地址

局域网上的某台主机的地址并不指明这台主机位于什么地方，802 标准所说的“地址”，严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。

但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”，所以这里我们也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。

IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)。

地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，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224个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是EUI-48。

“MAC地址” ，实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。

这种6字节的MAC地址已被固化在适配器的ROM中，所以MAC地址也称为硬件地址或物理地址

适配器的过滤功能：

适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.

如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。

否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。

“发往本站的帧”包括以下三种帧：

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

MAC帧的格式

常用的以太网MAC帧格式有两种标准：

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。

我们可以看出MAC帧的长度范围是64-1518，
当数据字段的长度小于46字节时，MAC子层就会在数据字段的后面加入一个整数字节的填充字段。最小长度 64 字节 - 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度
接收端的MAC子层在剥去MAC帧的首部和尾部后九八数据部分交给上面的IP层，IP层通过IP协议首部的总长度字段来判断有没有填充字段
在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 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。

处理办法：对于检查出的无效 MAC 帧，简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧

思考题：

P110习题16、18、20、24
简述CSMA/CD协议的基本原理？
就MAC帧格式而言，试阐述IEEE802.3标准与DIX-Ethernet V2标准的异、同点？

3.4拓展的以太网

3.4.1在物理层拓展以太网

现在扩展主机和集线器之间的距离的一种简单方法就是主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器

用多个集线器可连成更大的局域网

优点：

使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机，能够进行跨碰撞域的通信。
扩大了局域网覆盖的地理范围。

缺点：

碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高（共享带宽）
如果不同的碰撞域使用不同以太网技术（如数据率不同），那么就不能用集线器将它们互连起来**（最低的兼容性）。**

3.5.2 在数据链路层扩展局域网

在数据链路层扩展局域网是使用网桥（bridge）。
网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。
网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口

好处：

过滤通信量；
扩大了物理范围；
提高了可靠性；
可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网

缺点：

存储转发增加了时延；
在MAC 子层并没有流量控制功能；
具有不同 MAC 子层的网段，桥接在一起时时延更大；
网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴；

网桥与集线器的不同：

集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。
网桥在转发帧之前，必须执行 CSMA/CD 算法。
- 若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。

1990年问世的交换式集线器(switching hub)，很快就淘汰了网桥，常称为以太网交换机或第二层交换机，强调这种交换机工作在数据链路层

以太网交换机的特点：

实质上是一个多端口的网桥
工作在全双工方式
相互通信的主机都独占媒体，无碰撞的传输数据
是一种即插即用的设备，其内部的交换表是通过自学习算法自动地建立起来的

最大优点： 独占带宽

使用以太网交换机时，如果每个接口到主机的带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 对接口的交换机的总容量为 N*10 Mb/s。

以太网交换机一般都具有多种速率的端口，例如可以具有10Mbits/s,100Mbits/s的端口组合。

以太网交换机的自学习能力

简单概括：

交换机收到一帧的时候查找交换表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。
- 如没有，就在交换表中增加一个项目（源地址、进入的接口和有效时间）。
- 如有，则把原有的项目进行更新（进入的接口或有效时间）。
交换机要转发帧的时候，查找交换表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。
- 如没有，则向所有其他接口（进入的接口除外）转发，不是目的端口收到该帧后会丢弃，这过程称为过滤。
- 如有，则按交换表中给出的接口进行转发。
- 若交换表中给出的接口就是该帧进入交换机的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过交换机进行转发）。
考虑到可能有时要在交换机的接口更换主机，或者主机要更换其网络适配器，这就需要更改交换表中的项目。为此，在交换表中每个项目都设有一定的有效时间。过期的项目就自动被删除。
为了解决可能存在的无限制地循环兜圈子现象，EEE 802.1D 标准制定了一个生成树协议 STP ，不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象。

3.4.3 虚拟局域网

若一个以太网包含大量计算机，一个以太网是一个广播域，那么在以太网上就会出现大量的广播帧，会消耗大量资源，如果每个小部门拥有自己的局域网，就可以使局域网的广播范围变小，同时也提高了安全性。

虚拟局域网技术就可以方便地将一个较大地局域网分割成一些较小地局域网。

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。

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，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 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。

虚拟局域网的以太网帧格式：

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)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。

这四个字节的前两个字节总是设置为0x8100，称为IEEE的802.1Q标签类型，后两个字节中前四位其实没有什么作用，后面12位是该虚拟局域网VLAN标识符VID，它唯一标志了802.1Q帧属于哪一个VLAN。插入VLAN标签后最后的FCS必须重新计算

这样的802.1Q帧在什么地方使用呢？下面有一个例子，交换机#1连接了7台计算机，组成了一个局域网，现在把局域网划分为两个虚拟局域网VLAN-10、VLAN-20,这个编号10，20就是VID字段的值。在另外一层的交换机#2连接了5台计算机，并把其中两台加入到了VLAN-10，三台加入到VLAN-20。这两个虚拟局域网虽然跨越了连个交换机，但都各自一个广播域

当A向B发送帧的时候由于交换机#1能够根据帧的首部目的MAC地址识别B属于本交换机管理的VLAN-10，因此就像在普通以太网中那样直接进行帧转发，不需要使用VLAN，

当A向E发送帧的时候，就需要在转发之前插入VLAN标签，因此在汇聚链路传送的帧为802.1Q帧。交换机#2在向E转发帧之前要拿走已插入的VLAN标签，因此E收到的是A发送的标准以太网帧，而不是802.1Q帧

3.5 高速以太网

3.5.1 100BASE-T以太网

速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。
在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，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)。

特点：

可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。
为了保持a不变，在帧长一定的情况下，T0的变小10倍，那么我们要将t 缩小十倍，也就是将网络电缆长度缩小十倍（1000m→100m）

3.5.2 吉比特以太网

允许在 1 Gb/s 下，全双工和半双工两种方式工作。
使用 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，不需要使用 CSMA/CD 协议）。
与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容（兼容性的一般法则）。

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。

载波延伸

吉比特以太网若要保持a不变就要将最大电缆长度缩小到10m，或者将最短帧提高到640字节，前者网络的实际价值就很小，后者发送短数据的开销太大

这时就采用载波延伸：将争用期增加到512B，从而保证a值不变；

为了减小开销还采用了分组突发的方法：多短帧要发送时，第一个短帧按照512B进行填充，随后的短帧保留帧间最小的间隔，不填充的依次发送；

3.5.3 10 吉比特以太网（10GbE）和更快的以太网

10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。
10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。
10 吉比特以太网不再使用铜线，而只使用光纤作为传输媒体。
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 协议，这就使传输距离大大提高了，因为不再受进行碰撞检测的限制

以太网从 10 Mb/s 到 100 Gb/s 的演进证明了以太网是：

可扩展的（从 10 Mb/s 到 100 Gb/s）。
灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。
易于安装。
稳健性好。

3.5.4 使用以太网进行宽带接入

以太网接入的重要特点是它可提供双向的宽带通信，并且可根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。

采用以太网接入可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和降低了传输的成本。