计网

第一章

1.概述

计算机网络：是将分散、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统

计算机网络是互连的、自治的计算机集合

互连：互联互通 通信链路

自治：无主从关系

1.1.计算机网络功能

1. 数据通信(连通性)

2. 资源共享：硬件、软件、数据

3. 分布式处理：多态计算机各自承担同一工作任务的不同部分

4. 提高可靠性：替代机

5. 负载均衡

1.2.计算机网络组成

1. 硬件

2. 软件

3. 协议

工作方式

• 边缘部分：用户直接使用

  • c/s

  • p2p

• 核心部分 为边缘部分服务

  

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功能组成

• 通信子网：实现数据通信

• 资源子网：实现资源共享/数据处理

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脑图

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2.标准化工作及相关组织

标准化对计算机网络至关重要，要实现不同厂商的硬、软件之间相互连通，必须遵从统一的标准

标准分类

• 法定标准：由权威机构制定的正式的、合法的标准，如：OSI

• 事实标准：某些公司的产品在竞争中占据了主流，时间长了，这些产品中的协议和技术就成了标准

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脑图

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3.速率相关的性能指标

速率即数据率或称数据传输率或比特率，是连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率

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带宽

计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率。单位是比特每秒，b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s

吞吐量

表示在单位时间内通过**某个网络(或信道、接口)**的数据量，单位b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

4.时延，时延带宽积，RTT和利用率

时延

指数据(报文/分组/比特流)从网络的一端传送到另一端所需要的时间。也叫作延迟。单位是s

• 分类

  • 发送时延

    • 从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间

    • 发送时延=数据长度/信道带宽

  • 传播时延

    • 取决于电磁波传播速度和链路长度

    • 传播时延：信道长度/电磁波在信道上的传播速率

  • 排队时延

    • 等待输出/入链路可用

  • 处理时延

    • 检错找出口

时延带宽积

时延带宽积=传播时延*带宽

时延带宽积又被称为以比特为单位的链路长度，即某段链路现在有多少比特

往返时延RTT

从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认(接受方收到数据后立即发送确认)，总共经历的时延

• RTT包括：

  • 传播时延*2

  • 末端处理时间

利用率

利用率包括：信道利用率(有数据通过的时间/(有+无)数据通过时间)和网络利用率(信道利用率加权平均值)

脑图

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5.分层接口、协议、接口、服务

为什么要分层

发送文件前要完成的工作：

1. 发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活

2. 要告诉网络如何识别目的主机

3. 发起通信的计算机要查明目的主机是否开机，并且网络连接正常

4. 发起通信的计算机要弄清楚，对方计算机中文件管理程序是否已经做好准备工作

5. 确保差错和意外可以解决

发送前准备工作太复杂，所以分层为一个个问题进行解决

怎么分层

分层的基本原则

1. 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能

2. 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少

3. 结构上可分割开。每层都采用最合适的技术来实现

4. 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务

5. 整个分层结构应该能促进标准化工作

分层结构

• 实体：第n层中的活动元素称为n层实体。同一层的实体叫对等实体

• 协议：为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议

  • 语法：规定传输数据的格式

  • 语义：规定所要完成的功能

  • 同步：规定各种操作的顺序

• 接口(访问服务店SAP)：上层使用下层服务的入口

• 服务：下层为相邻上层提供的功能调用

• SDU服务数据单元：为完成用户所要求的的功能而应传送的数据

• PCL协议控制信息：控制协议操作的信息

• PUD协议数据单元：对等层次之间传送的数据单元

概念总结

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脑图

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6.OSI参考模型

为了支持支持网络系统的互联互通，国际化标准组织(ISO)与1984年提出开放系统互连(OSI)参考模型

OSI参考模型解释通信过程

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各层具体功能

• 应用层：所有能和用户交互产生网络流量的程序

  • 服务：文件传输(FTP)，电子邮件(SMTP)，万维网(HTTP)

• 表示层：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式(语法和语义)

  • 功能：

    • 1.数据格式变换

    • 2.数据加密解密

    • 3.数据压缩和恢复

• 会话层：向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序的传输数据。这是会话，也是建立同步(SYN)

  • 功能

    • 建立、管理、终止会话

    • 使用校验点可使会话在通信失效使从校验点恢复通信，实现数据同步

• 传输层：负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。传输单位是报文段或者用户数据报

  • 功能

    • 可靠传输，不可靠传输

    • 差错控制

    • 流量控制

    • 复用分用

      • 复用：多个应用层进程可同时使用下面传输层服务

      • 分用：传输层把收到的信息分别交付给上面应用层中响应的进程

• 网络层：主要任务是把分组从源端传送到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务，传输单位是数据报

  • 功能

    • 路由选择

    • 流量控制

    • 差错控制

    • 拥塞控制

• 数据链路层：主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧，数据链路层的传输单位是帧

  • 功能

    • 成帧(定义帧的开始和结束)

    • 差错控制 帧错+位错

    • 流量控制

    • 访问(接入)控制

• 物理层：在物理媒体上实现比特流的透明传输。单位是比特

  透明传输：指不管所传数据时什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送

  • 功能

    • 定义接口特性

    • 定义传输模式：单工，半双工，双工

    • 定义传输速率

    • 比特同步

    • 比特编码

脑图

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7.TCP/IP模型及五层模型

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相同点

1. 都分层

2. 基于独立的协议栈的概念

3. 可以实现异构网络互连

不同点

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五层模型

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五层模型的数据封装与解封装

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8.第一章脑图

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第二章、物理层

1.物理层基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

物理层主要任务

确定与传输媒体接口有关的一些特性，定义标准

1. 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的的规格、接口形状、引线数量、引脚数量和排列情况

2. 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等

3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途

4. 规程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序的关系

2.数据通信基础知识

典型的数据通信模型

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数据通信的相关术语

通信的目的是传送消息

• 数据：传送信息的实体，通常是由意义的符号序列

• 信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式

  • 数字信号：代表消息的参数取值是离散的

  • 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的

• 信源：产生和发送数据的源头

• 信宿：接受数据的终点

• 信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和接收信道

  • 传输信号

    • 模拟信道：传送模拟信号

    • 数字信道：传送数字信道

  • 传输介质

    • 无线信道

    • 有线信道

三种通信方式

• 单工信道：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

• 半双工信道：通信的双方都可以发送或接受信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道

• 全双工信道：通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道

两种数据传输方式

• 串行传输

  • 速度慢，费用低，适合远距离

  

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• 并行传输

  • 速度快，费用奥，适合近距离，常用于计算机内部数据传输

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3.码元、波特、速率、带宽

码元

码元是指用一个固定时长的信号波形(数字脉冲)，代表不同离散值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时(M大于2)，此时码元为M进制码元

1码元可以携带多个比特的信息量。例如在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，一种代表一状态

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速率、波特

速率也叫作数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示

• 码元传输速率：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位是波特(Baud)。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元(也可以称脉冲个数或信号裱花次数)。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制无关

• 信息传输速率：别名信息率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(即比特数)，单位是比特/秒(b/s)

关系：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M*nbit/s

带宽

计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率。单位是比特每秒，b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s

习题

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4.奈氏准则、香农定理

失真

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• 影响失真程度的因素

  • 码元传输速率

  • 信号传输距离

  • 噪声干扰

  • 传输媒体质量

失真的一种现象--码间串扰

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• 码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象

奈氏准则(奈奎斯特定理)

在理想条件下(无噪声，带宽受限)条件下，为了避免码间干扰，极限码元传输速率为2W Baud,W是信道带宽，单位是Hz

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1. 在任何信道中，码元传输的速率是由上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能

2. 信道的频带越宽(即能通过的信号高平分量越多)，就可以用更高的速率进行码元的有效传输

3. 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制

4. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法

奈氏准则练习题

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香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有事会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要

信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N,并用分贝(dB)作为度量单位

• 香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值

  

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1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高

2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率上限就确定了

3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输

4. 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际能达到的传输速率要比它低不少

5. 从香农定理可以看出，若信道带宽或信噪比没有上限，那么信道的极限信息传输速率也就没有上限

香农定理习题

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奈氏与香农

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5.编码&调制

信道上传送的信号

• 基带信号：将数字0和1直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输(基带传输)

  • 来自信源的信号，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。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信号，比如我们说话的声波就是基带信号

• 宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输(宽带传输)

  • 将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判断以便在信道中传输(即仅在一段频率内能够通过信道)

• 在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式(近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化)

• 在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式(远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号)

编码与调制

• 数据------>数字信号 编码

• 数据------>模拟信号 调制

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数字数据编码为数字信号

1. 非归零编码[NRZ]

   • 高1底0

   • 编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发方都难以保持同步

2. 曼彻斯特编码

   • 将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1；码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。该编码的特点是在每一个码元中间出现电平跳变，位中间的跳变即作为时钟信号(可用于同步)，又作为数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的一半

3. 差分曼彻斯特编码

   • 同1异0

   • 常用语局域网传输。若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。该编码的特点是，在每个码元中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码

4. 归零编码[RZ]

   • 信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码方式

5. 反向不归零编码

   • 信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1

6. 4B/5B编码

   • 比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码四个比特的数据，之后再传送给接受方，因此被称为4B/5B编码。编码效率为80%

数字信号调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程

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模拟数据编码为数字信号

计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列(即音频数字化)

最典型的就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD、以及我们常见的WAV文件中均有应用。主要包括散步：抽样、量化、编码

1. 抽样：对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号

   • 为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样

     

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2. 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标准转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量

3. 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

模拟信号调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的

脑图

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6.物理层传输介质

传输介质也称为传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接受设备之间的物理通路

传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流

• 传输介质

  • 导向性传输介质

    • 电磁波被导向沿着固体媒介(铜线/光纤)传播

  • 非导向性传输介质

    • 自由空间，介质可以是空气，海水等

导向性传输介质----双绞线

双绞线是古老又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成

绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰

为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线(STP)，无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线(UTP)

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双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用到中继器将失真的信号整形

导向性传输介质----同轴电缆

同轴电缆由道题铜制芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。其中，50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用；75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统

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同轴电缆与双绞线

由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，价格更贵

导向性传输介质----光纤

光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是10的8次方MHz，一次光纤通信系统的带宽远远大于其他各种传输媒体的带宽

光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲;在接收端用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

光纤主要由纤芯(实心的! )和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

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单模光纤与多模光纤

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光纤的特点

1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济

2. 抗雷电和电磁干扰性能好

3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据

4. 体积小，重量轻

非导向性传输介质

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脑图

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7.物理层设备

中继器

• 诞生原因：由于存在损耗，在线路上号传输的信号功率会逐渐衰弱，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接受错误

• 功能：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度

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• 中继器的两端：两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。

  ​ 中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。

  ​ 两端可连相同媒体也可连不同媒体

  ​ 中继网两端的网段一定要是同一协议(中继器不会存储转发)

• 5-4-3规则:网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。

  ​ 5：只能有不超过五个网段；4：5个网段中最多不超过4个物理设备；3：最多只有三个段可挂计算机

集线器(多口中继器)

再生放大信号

• 集线器的功能:对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。

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8.第二章脑图

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第三章、数据链路层

1.数据链路层

数据链路层基本概念

结点：主机、路由器

链路：网络中两个结点之间的物理通道，链路的传输介质主要有双绞线、光纤和微波。分为有线链路和无线链路

数据链路：网络中两个结点之间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成数据链路

帧：链路层的协议数据单元，封装网络层数据报

数据链路层负责通过一条链路从一个结点向另一个物理链路直接相连的相邻结点传送数据报

数据链路层功能

数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻结点的目标机网络层。其主要作用是加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路

功能一：为网络层提供服务。无确认无连接服务，有确认无连接服务，有确认面向连接服务

​ 通信质量好，有线传输链路 通信质量差的无线传输链路

功能二：链路管理，即连接的建立、维持、释放(用于面向连接的服务)

功能三：组帧

功能四：流量控制

功能五：差错控制(帧错/位错)

2.组帧

封装成帧

封装成帧就是在一段数据的前后部分添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束

首部和尾部包含许多的控制信息，他们的一个重要作用：帧定界(确认帧的界限)

组帧的四种方法：1.字符计数法 2.字符(节)填充法 3.零比特填充法 4.违规编码法

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透明传输

透明传输是指不管所传数据是什么样的比特组合，都应该能在链路上传送。因此，链路层就“看不见”有什么妨碍数据传输的东西

当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时，就必须才去适当的措施，使收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。这样才能保存数据链路层的传输是透明的

字符计数法

帧首部使用一个计数字段(第一个字节，八位)来表名帧内字符数

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字符填充法

当传送的帧是由文本组成时(文本文件的字符都是从键盘上输入的，都是ASCII码)。不管从键盘上输入什么字符都可以放在帧里传过去。即透明传输

但当传送的帧是由非ASCII码的文本文件组成时(二进制代码的程序或图像等)。就要采用字符填充方法实现透明传输

字符填充法就是在发送时填充转义字符，在接收时去除转义字符

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零比特填充法

在HDLC的帧结构中，若在两个标志字段之间的比特串中，碰巧出现了和标志字段F（01111110）一样的比特组合，那么就会误认为是帧的边界。为了避免出现这种情况，HDLC采用零比特填充法使一帧中两个F字段之间不会出现6个连续1。

操作：在发送端，扫描整个信息字段，只要连续5个1，就立即填入一个0

​ 在接收端，当收到一个帧时先找到标志字段确认边界，再用硬件对比特流进行扫描。发现连续5个1时，就把后面的0删除

保证了透明传输，在传送的比特流中可以传送任意比特流组合，而不会引起帧边界的判断错误

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违规编码法

在曼彻斯特编码中，一般不会在一个码元中使用相同的波段，所以我们就可以用“高高”和“低低”定义帧的开始和结束

只适用于采用冗余编码的特殊编码环境

由于字节计数法中Count字段的脆弱性(其值若有差错将导致灾难性后果)及字符填充实现上的复杂性和不兼容性，目前较普遍使用的帧同步法是比特填充和违规编码法

3.差错控制

差错从何而来

概括来说，传输中的差错都是由于噪声引起的

全局性：由于线路本身电气特性所产生的随机噪声(热噪声)，是信道固有的，随机存在的

​ 解决方法：提高信噪比来减少或避免干扰

局部性：外界特有的短暂原因造成的冲击噪声，是产生差错的主要原因

​ 解决方法：通常利用编码技术来解决

差错：1. 位错：比特位出错，0变成1,1变成0

		2. 帧错(1,2,3)
     			1. 丢失：比如丢失2号帧
     			2. 重复：比如收到1,2,2,3
     			3. 失序：比如收到1,3,2

数据链路层的差错控制

差错控制(比特错)：

1. 检错编码

   1. 奇偶校验码

   2. 循环冗余码CRC

2. 纠错编码

   1. 海明码

编码与编码

数据链路层编码和物理层数据编码与调制不同。物理层编码针对的是单个比特，解决传输过程中比特的同步问题，如曼彻斯特编码。而数据链路层的编码针对的是一组比特，它通过冗余码的技术实现一组二进制比特串在传输过程中是否出现了差错

冗余编码

在数据发送之前，先按某种关系附加上一定的荣誉为，构成一个符合某一规则的码字后再发送。当要发送的有效数据变化时，相应的冗余位也随之变化，使码字遵从不变的规则。接收端根据收到码字是否任符合元规则，从而判断是否出错

检错编码---奇偶校验码

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检错编码---CRC循环冗余码

FCS的生成以及接收端CRC检验都有由硬件实现，处理很迅速，因此不会延误数据的传输

在数据链路层仅仅使用循环冗余检验CRC差错检测技术，只能做到对帧的无差错接收，即“凡是接收端数据链路层接受的帧，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”。接收端丢弃的帧虽然曾收到了，但是最终还是因为有差错被丢弃。“凡是接收端数据链路层接收的帧均无差错”。

可靠传输：数据链路层发送端发送什么，接收端就收到什么

链路层使用CRC检验，能够实现误比特差错的传输，单着不是可靠传输，因为对丢弃的帧没有处理

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纠错编码---海明码

海明码：发现双比特错，纠正单比特错

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确定校验码位数

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确认校验码和数据的位置

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求校验码的值

校验码能校验所有跟自己所在位置的二进制编码的1的位置相同的数，最后把校验码与所有数进行异或归零即可得到校验位的值

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检错与纠错

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脑图

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4.流量控制与可靠传输

数据链路层的流量控制

较高的发送速度和较低的接收能力的不匹配，会造成传输出错，因此流量控制也是数据链路层的一项重要工作

数据链路层的流量控制时点对点的，而传输层的流量控制时端到端的

数据链路层流量控制手段：接收方收不下就不回复确认

传输层流量控制手段：接收端给发送端一个窗口公告

流量控制的方法

• 停止-等待协议

  • 没发完一个帧就停止发送，等待对方的确认，在收到确认后再发送下一个帧

  • 发送窗口大小=1，接收窗口大小=1

  

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• 滑动窗口协议

  • 后退N帧协议(GBN)

    • 发送窗口大小>1，接收窗口大小=1

  • 选择重传协议(SR)

    • 发送窗口大小>1，接收窗口大小>1

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• 例如发送窗口有5个，接收窗口有一个，这时候发送窗口可以连续发送0/1/2/3/4号帧，但是接收窗口在接收0后，接收窗口就右移一位到1，并发送确认帧给发送窗口，这个时候发送窗口才能右移一位到1号帧

• 在这三种协议中，发送过程中发送窗口和接收窗口的数量是一定的

可靠传输、滑动窗口、流量控制

• 可靠传输：发送端发啥，接收端收啥

• 流量控制：控制发送速率，使接收方有足够的缓冲空间来接收每一个帧

• 滑动窗口解决

  • 流量控制(收不下就不给确认，想法也发不了)

  • 可靠传输(发送方自动重传)

脑图

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5.停止-等待协议

为什么有停止-等待协议？

除了比特出差错，底层信道还会出现丢包问题。为了实现流量控制

丢包：物理线路故障、设备故障、病毒攻击、路由信息错误等原因，会导致数据报的丢失

协议有两种应用情况：无差错情况&有差错情况

无差错情况

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有差错情况

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1. 发完一个帧后，必须保留它的副本

2. 数据帧和确认帧必须编号

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协议性能分析

• 信道利用率太低！

• 信道利用率：发送方在一个发送周期内，有效的发送数据所需要的时间占整个发送周期的比率

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• 信道吞吐率=信道利用率*发送方的发送速率

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脑图

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6.后退N帧协议(GBN)

滑动窗口

• 发送窗口：发送方维持一组连续的允许发送的帧的序号

• 接收窗口：接收方维持一组连续的允许接收帧的序号

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GBN发送方必须响应的三件事

1. 上层的调用

   上层要发送数据时，发送方先检查发送窗口是否已满，如果未满，则产生一个帧并将其发送；如果窗口已满，发送方只需将数据返回给上层，暗示上层窗口已满。上层等一会在发送(实际中，发送方可以缓存这些数据，窗口不满时在发送帧)

2. 收到了一个ACK

   在GBN协议中，对n号帧的确认采用积累确认的方式，标明接收方已经收到n号帧和它之前的全部帧

3. 超时事件

   协议的名字为后退N帧，来源于出现丢失和时延时发送方的行为。就像在停等协议中一样，定时器将再次用于恢复数据帧或确认帧的丢失。如果出现超时，发送方重传所有已发送但未被确认的帧

GBN接收方要做的事

1. 如果正确收到n号帧，并且按序，那么接收方为n帧发送一个ACK，并将该帧中的数据部分交付给上层

2. 其余情况都丢弃帧，并未最近按序接收的帧重新发送ACK。接收方无需缓存任何失序帧，只需要维护一个信息：expectedseqnum(下一个按序接收的帧序号)

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滑动窗口长度

若采用n个比特对帧编号，那么发送窗口的尺寸W1应满足：1<=WT<=2^n^-1。因为发送窗口尺寸过大，就会使得接收方无法区别新帧和旧帧

GBN协议性能分析

因连续发送数据帧而提高了信道利用率

在重传时必须把原来已经正确传送的数据帧重传，使传送效率降低

脑图

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7.选择重传协议(SR)

在GBN的基础上解决了批量重传的问题，值重传出错的帧

解决办法：设置单个确认，同时加大接收窗口，设置接收缓存，缓存乱序到达的帧

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SR发送必须响应的事

1. 上层的调用

   • 从上层收到数据后，SR发送方检查下一个可用于该帧的序号，如果序号位于发送窗口内，则发送数据帧；否则就像GBN一样，要么将数据缓存，要么返回给上层之后再传输

2. 收到了一个ACK

   • 如果收到ACK，加入该帧序号在窗口内，则SR发送方将那个呗确认的帧标记为已接受。如果该帧序号时窗口的下界(最左边第一个窗口对应的序号)，则窗口向前移动到具有最小序号的未确认帧处。如果窗口移动了并且有序号在窗口内的未发送帧，则发送这些帧

3. 超时事件

   • 每个帧都有自己的定时器，一个超时事件发生后只重传一个帧

SR接收方要做的事

SR接收方将确认一个正确接收的帧而不管其是否按序。失序的帧将被缓存，并返回给发东方一个该帧的确认帧[收谁确认谁]，知道所有帧(即序号更小的帧)全部被接受为止，这是才可以将一批帧按序交付给上层，然后向前移动滑动窗口

如果收到了窗口序号外(小于窗口下界)的帧，就返回一个ACK

其他情况，就忽略该帧

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滑动窗口长度

• 发送窗口最好等于接受窗口

• WTmax=WRmax=2^n-1^

脑图

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8.信道划分介质访问控制

传输数据使用的两种链路

• 点对点链路

  • 两个相邻节点通过一个链路相连，没有第三者

  • 应用：PPP协议，常用于广域网

• 广播式链路

  • 所有主机共享通信介质

  • 应用：早起的总线以太网、无线局域网，常用于局域网、

  • 典型拓扑结构：总线型、星型

介质访问控制

介质访问控制的内容就是，才去一定的措施，使得两对节点之间的通信不会发生互相干扰的情况

• 介质访问控制：

  • 静态划分信道：信道划分介质访问控制

    • 频分多路复用FDM

    • 时分多路复用TDM

    • 波分多路复用WDM

    • 码分多路复用CDM

  • 动态分配信道

    • 轮询访问介质访问控制

      • 令牌传递协议

    • 随机访问介质访问控制

      • ALOHA协议

      • CSMA协议

      • CSMA/CD协议

      • CSMA/CA协议

信道划分介质访问控制

信道划分介质访问控制：将使用介质的每个设备与来自同一信道上的其他设备的通信隔离开，把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备

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1. 频分多路复用FDM

   • 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽(频率带宽)资源

   • 优点：充分利用传输介质带宽，系统效率较高；由于技术比较成熟，实现也比较容易

2. 时分多路复用TDM

   • 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，所有用户轮流占用信道

   

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3. 改进的时分复用---统计时分复用STDM

   • 每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。个用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，一个STDM帧满了就发出。STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙