计算机网络笔记（3）

第三章物理链路层

简述/引言：
信道是链路的一个抽象，并非实际的描述。
数就链路层有两种类型：

点对点信道（一对一的通信方式，最常用的点对点协议PPP）
广播信道（一对多的通信方式）

3.1使用点对点信道的数据链路层

链路：一个结点到相邻接待您的一段物理线路（有限或无线），中间没有其他的交换结点。
数据链路：实现协议的硬件和软件 + 链路 = 数据链路
网络适配器：一般都包括了数据链路层和物理层这两层的功能
*规程：早期的数据通信协议
帧：点对点信道的数据链路层的协议数据单元
IP数据报：网路层协议数据单元（数据报、分组、包）

三个基本问题：封装成帧、透明传输、差错检测

封装成帧
在一段数据的前后分别添加首部和尾部就构成了帧
首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界
每一种链路层协议都规定了帧的数据部分长度上限（最大传送单元MTU）
SOH在帧最前面代表帧的首部开始，EOT在尾部最后面表示帧的结束
透明传输
不管输入什么字符都可以放在帧中传输过去，因此这样的传输就是透明传输
采用字节填充（字符填充）的方法，在数据中出现SOH/EOT的前面插入转义字符ESC
差错检测
比特差错：比特在传输的过程可能产生的差错（*误码率BER（Bit Error Rate））
奇校验：判断“1”的个数是否为奇数
循环冗余校验（CRC）：参考博客 https://blog.csdn.net/qq_44574333/article/details/108947034

基本思想：
数据发送方、接受方约定一个除数
发送帧的数据 = 源数据 + 校验码
检验时，用数据除以约定的除数，为0则无错，否则出错

构造：
由专门的生成多项式确定除数P(n+1位)，源数据M后添n个0作为被除数M0
M0 模2除(二进制加法，每一位均不进位) P 得到 n位余数R
M +(连接) R = CRC码

校验：
CRC码模2除约定的除数P = 余数
余数为0 则无错，否则出错舍弃

检错、纠错：
实际一般用来检错
能检测所有奇数个错误、所有双比特错误、所有小于等于校验位长度的连续错误
K个信息位，R个校验位，若生成多项式选择得当，且 $2^{R}\geq K+R+1$ ，则CRC码可纠1位错（对于确定的多项式，出错位与余数相对应（001代表后面第一位出错））

3.2点对点协议PPP

目前点对点链路中，使用最广泛的数据链路层协议就是PPP协议
PPP协议：用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议
PPP协议应满足的需求（主要部分）：

简单
封装成帧
透明性
多种网络层协议
差错检测

PPP协议的三个组成部分：

一个将IP数据报封装到串行链路的方法
链路控制协议LCP（靠近物理层）
网络控制协议NCP（靠近网络层）

PPP协议的帧格式
首部和尾部分别为四个字段和两个字段
首部：

F（Flag）：标志字段，表示帧开始
*A：地址字段，规定为0xFF
*C：控制字段，规定为0x03
协议：
0x0021（信息字段是IP数据报）
0xC021（信息字段是PPP链路控制协议LCP的数据）
0x8021（信息字段是网络层的控制数据）

3.3使用广播信道的数据链路层

局域网的主要特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限
*局域网具有的优点：

具有广播功能，一个站点可很方便的访问全网
各设备的位置可灵活调整和改变
提高了系统的可靠性

局域网按网络拓扑进行分类有：星形网、环线网、总线网（现使用最多）

共享信道的方法：

静态划分信道：频分复用、时分复用、波分复用、码分复用等
动态媒体接入控制（多点接入）：又包括随机接入和受控接入

以太网的两个标准：DIX Ethernet V2 和 IEEE的802.3标准
802.3标准把局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制LLC子层（偏网络层）、媒体接入控制MAC子层（偏物理层）

适配器（网络接口卡/网卡）的作用：连接计算机与外界局域网

CSMA/CD协议

早期的以太网是多个计算机连接在一条总线上的（传统的以太网使用CSMA/CD协议来传输数据）
总线的特点：广播通信方式，实现一对一通信

为了通信的简便，以太网采取了两种措施：

采用较灵活的无连接工作方式
不必先建立连接可直接发送数据
数据帧不编号，不要求对方发回确认
以太网提供的服务是尽最大努力的交付（不可靠交付）
目的站收到差错帧就丢弃，而是否重传由高层决定
同一时间只能允许一台计算机发送数据（由CSMA/CD协议协调总线上各计算机的工作）
发送的数据采用曼彻斯特编码

CSMA/CD协议（载波监听多点接入/碰撞检测）：

多点接入
总线型网络（许多计算机以多点接入的方式连接到一根总线上）
载波监听
不管在发送前还是发送中，每个站都不停地检测信道
碰撞检测（冲突检测）
边发送边监听，判断其他站是否也在发送数据
若发生碰撞，停止发送数据，等一段随机时间再发送

CSMA/CD协议特性：

一个站不可能同时进行发送和接收（但必须边发送边监听信道），因此以太网只能进行双向交替通信（半双工通信）
存在发送的不确定性，发送数据后的一小段时间内存在碰撞的可能性
（整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率）

关于碰撞：

争用期（碰撞窗口）：以太网的端到端往返时间 $2\tau =51.2\mu s$ （过了争用期而未检测到碰撞才能确定这次发送未发生碰撞， $51.2\mu s$ 相当于是以太网中最长的信道的争用期）
512比特时间（等同于下的争用期）：规定长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧，应舍弃。（64字节是 $2\tau$ 时间内能传送的数据大小，若实际数据过小要填充）
帧间最小间隔： $9.6\mu s$ ，相当于96比特时间。（用来处理接收缓存）
强化碰撞：人为加干扰，让所有用户都知道已经发生了碰撞
截断二进制指数退避算法
用来确定碰撞后重传的时机 $T$
$T=r\times 2\tau$
其中随机选取 $r\in \left \{ 0,1,2,3,...,(2^{k}-1) \right \}$ 而 $k = \left\{\begin{matrix} n,n\leq 10 \\ 10,n> 10 \end{matrix}\right. ,n$ 为重传次数

CSMA/CD协议要点：

准备发送：在此之前要检测信道
检测信道：一直检测到闲，并在96比特时间内保持空闲，才发送
边法边监听：
成功：争用期内未接收到碰撞，回到1
失败：争用期收到碰撞，按退避算法等待，再回到2

使用集线器的星型拓扑

集线器：在星型拓扑网络的中心增加的一种可靠性非常高的设备
集线器的特点：

使用集线器的以太网逻辑上仍是总线网，使用的还是CSMA/CD协议
集线器很像一个多接口的转发器
集线器工作在物理层，每个接口仅转发比特，不进行碰撞检测

以太网的信道利用率

令 $a = \frac{\tau }{T_{0}}$ ， $\tau$ 为单程端到端时延， $T_{0}$ 为帧的发送时间
则 $a$ 越小，以太网的信道利用率就越高
极限信道率 $S_{max} = \frac {T_{0}}{T_{0} +\tau } = \frac {1}{1 + a}$
只有当参数 $a$ 远小于1才能得到尽可能的信道利用率

以太网的MAC层

MAC地址：48位（IEEE 802标准），是局域网中的硬件地址/物理地址，是每个站的“名字”或标识符（固化在适配器的ROM中的地址，一般不可更改）
IP地址：32位，代表了一台计算机，是终端地址（可更改）

MAC帧之间传送要有一定的时间间隔
适配器对接收到的MAC帧的处理：先检查MAC帧中的目的地址，若是本站的则收下再进行其它处理，否则直接丢弃
接收到的MAC帧有三种：

单播帧（一对一）
广播帧（一对全体）
多播帧（一对多）

MAC帧的格式
两种MAC帧格式标准：DIX Ethernet V2标准（以太网V2标准）、IEEE的802.3标准
MAC帧的类型字段用来标志上一层用的什么协议，以便把接收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议
IEEE 802.3标准规定的无效MAC帧：

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
收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46~ 1500字节之间（即MAC帧长度在64~ 1518之间）。

（以太网V2的MAC帧格式）

3.4扩展的以太网

在物理层扩展以太网

（原理不变，扩大距离）

使用光纤和一对光纤调节器

（主机使用光纤和一对光纤调制调解器连接到集线器）

使用多个集线器
好处：

能够进行跨碰撞域的通信
扩大了以太网的地理范围

缺点：

总吞吐量不会叠加
若不同的碰撞域数据率不同，则不能用集线器将他们互连

（用多个集线器连成更大的以太网）

在数据链路层扩展以太网

最初使用网桥
网桥的传输不会改变MAC帧的源地址
网桥的作用：对MAC帧的目的地址进行转发和过滤

转发：收到MAC目的地址->查找地址表->转发到对应接口
过滤：查找地址表失败则丢弃

网桥的优点：

可过滤
能扩大局域网范围
可匹配不同速率的局域网

网桥的缺点：

增加时延
会引发广播风暴

后改用以太网交换机
以太网交换机 / 交换式集线器：工作在数据链路层，实质上就是一个多接口的网桥
以太网交换机特点：

是一种透明网桥（一种即插即用设备）。其内部的帧交换表（地址表）是通过自学习算法自动转建立起来的
具有并行性。能同时连接多对接口，使多对主机同时通信，相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据
（交换机的每个接口都直接与单台主机或另一个交换机相连，一般工作在全双工方式）

（以太网交换机中的交换表）