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【计算机网络

3 链路层

3.1 数据链路层服务

  • 1、概述
  • 2、链路层服务

  • 3、链路层的具体实现

  • 4、网卡间通信

3.2 差错检测：差错编码

  • 1、差错编码基本原理

  • 2、差错编码的检错能力

  • 汉明距离：两个码字间对应bit中不同的位数；
  • 编码集的汉明距离：
    • 一个编码集内所有的有效码字，任意两个码字之间汉明距离的最小值；
  • 红色部分就是冗余信息，检错码/纠错码；
  • 3、奇偶校验码

  • 1比特校验位：
    • 数据基础上增加一个校验位，编码之后的数据+校验位中1的个数为奇数/偶数个；
    • 检错能力实现奇数位（错奇数个）的错误，检错50%，但是优点是只需要一个校验位；
  • 二维奇偶校验：
    • 每一行每一列都增加一个校验位；
    • 检错所有奇数位差错，部分偶数位差错（错在不同行或列）上；
    • 纠正同一行/列的奇数位错；
  • 4、Internet校验和（Checksum）

  • 5、循环冗余校验码（CRC）
  • 广泛应用于数据链路层检错；

  • CRC用硬件实现

3.3 多路访问控制（MAC)协议

  • 1、multiple access control protocol

  • 2、理想MAC协议

  • 3、MAC协议分类

3.3.1 信道划分MAC协议

  • 1、TDMA

  • 2、FDMA

  • 不冲突，但是在其他空闲时，带宽利用不充分；

3.3.2 随机访问MAC协议

  • 允许冲突，利用信道全部数据速率R发送分组；

  • 1、时隙ALOHA协议

  • 当待发送帧多的时候，会有冲突与时隙浪费的情况，降低效率；
  • 2、ALOHA协议
  • 非时隙（纯）Aloha：更加简单，无需同步；

  • 只要有冲突发送，就会发送失败；
  • 易损时间区：两个时隙；

  • 最早出现使用的随机访问协议；
  • 3、CSMA协议
  • ALOHA协议属于“损人不利己”的行为，因为打断别人后，双方都没有发送成功；
  • CSMA在发送之前，会监听信道；

  • 信道忙的措施：
    • 1坚持，就是一直监听信道，一旦有空闲就发送
    • 非坚持：随机等待一段时间之后再尝试，不持续监听信道；
    • P坚持：以概率P坚持/非坚持；；
  • 冲突可能发生，有两个1坚持，信道空闲时一起发送；/信号传播延迟；
  • 在发送过程中，发送冲突，也是继续传输，浪费了信道资源；
  • 4、CSMA/CD协议（带有冲突检测的（强调在发送过程中有）
  • 针对以上问题，在传输过程中，如果有冲突，及时取消发送，避免信道资源浪费；

  • 无线局域网便发送数据帧边听比较难以实现；

  • 考虑极端冲突检测情况下实现的话，对以上变量关系有要求；才可以实现有效的冲突检测；
  • 例题：

  • 5、CSMA/CD效率

3.3.3 轮转访问MAC协议

  • 1、轮转访问MAC协议–轮询

  • 2、轮转访问MAC协议–令牌传递（token passing)

  • 3、MAC协议总结

3.4 ARP协议

  • 1、MAC地址

  • 2、ARP：地址解析协议
  • 一个网卡的接口，在网络层会有一个IP地址，在数据链路层还有一个MAC地址；

  • ARP表设置TTL一定时间更新IP/MAC地址映射关系；
  • 3、ARP协议：同一局域网内
  • 如果A与B不在同一局域网内，该如何获知B的MAC地址？
  • 4、ARP协议：不在同一局域网内
    • 寻址：从一个LAN路由至另一个LAN

  • NAT会改动IP地址，一般不会；


  • 通过路由器获得；

3.5 以太网（ETHERNET)

  • 1、以太网：物理拓扑

  • 2、以太网：不可靠、无连接服务

  • 3、以太网CSMA/CD算法
  • 1坚持的

  • 4、以太网帧结构

  • 一般不算前导码的长度；8字节；

  • 数据有一个最小46字节的限制，因为要边发送边检测；
  • 5、802.3以太网标准：链路与物理层

3.6 交换机

  • 1、以太网交换机（switch)

  • 2、交换机：多端口间同时传输

  • 3、交换机转发表：交换表

  • 4、交换机：自学习

  • 5、交换机：帧过滤/转发

  • 如果查询到出入接口都是同一个接口，就会丢弃帧
  • 6、自学习与转发过程举例

  • 7、交换机互联

  • 8、多交换机自学习举例

  • 9、组织机构（Institutional）网络

  • 10、交换机 vs 路由器

  • 11、网络设备对比

  • 集线器是物理层设备(bit)，交换机是链路层（数据帧），路由器是网络层（数据报）；

3.7 虚拟局域网（VLAN）

  • 1、VLANs：动机

  • 2、VLANs

  • 3、基于端口的VLAN

  • 4、跨越多交换机的VLAN

  • 5、802.1Q VLAN帧格式

  • 5、802.1Q VLAN帧格式

3.8 PPP协议

  • 之前讲的MAC协议都是广播链路，PPP是点对点数据链路
  • 相对来书简单，因为只有一个发送端，一个接收端，一天链路相连接；
  • 1、点对点数据链路控制

  • 2、PPP设计需求[RFC 1557]

  • 3、PPP无需支持的功能

  • 4、PPP数据帧

  • 5、字节填充（Byte Stuffing）

  • 6、PPP数据控制协议

3.9 无线局域网（wifi）

  • 1、IEEE 802.11无线局限网

  • 2、IEEE 802.11体系结构

  • 3、802.11 ：信道与AP关联

  • AP关联就是wifi连接密码的过程；
  • AP关联后还需要DHCP动态主机配置协议才可以；
  • 4、802.11 AP关联：被动扫描与主动扫描

  • 5、802.11：多路访问控制

  • 无线信号传输信号衰减十分厉害，无法实现边发送边检测冲突；
  • 而且无线存在隐藏站的问题；
  • 6、IEEE 802.11 MAC协议：CSMA/CA

  • RTS帧冲突，但是数据很短，影响较小；
  • 7、冲突避免（CA）：RTS-CTS交换

  • 8、IEEE 802.11 MAC帧

  • 9、IEEE 802.11数据帧地址

4 物理层

4.1 数据通信基础

  • 1、物理层

  • 2、数据通信系统

  • 3、常见数据通信术语

  • 4、异步通信

  • 5、同步通信

  • 6、模拟通信 vs 数字通信

  • 7、信源编码

4.2 物理介质

  • 1、导引型传输介质

  • 2、非导引型传输介质


4.3 信道与信道容量

  • 1、信道分类与模型

  • 2、信道传输特性

  • 3、信道容量

  • 先将30dB转化为（Signal power/Noise power）;

4.4 基带传输基础

  • 1、基带传输
  • 以太网就就是数字基带传输；
  • 2、数字基带传输系统

  • 3、典型数字基带信号码型

  • 在一个bit周期就是图中虚线之中，不归零；单极就是只有一个极性；


  • 在一个bit周期内中间，一定会归零一次；

  • 优点：可以通过中间时刻一定会归零的特性，提取时钟信号；

  • 以上码型都是直接反映原信号的1/0；但是如果出现长期0或者长期1这种信号的传输并不好，容易积累直流分量；
  • AMI码在原有基础上变化，使其具有更好的传输性能；

  • 使得正负电压交替出现，以避免正或负单电压的直流分量累积；

  • 利用电平的跳变来表示编码信号的正负；


  • 差分双相码是在电平发生变化时，进行电平跳变；

4.5 频带传输基础

  • 信源信号一般都是基带信号，适合在有线介质传输，不适合在无线介质传输；
  • 目前使用频带在无线介质中传输较多；
  • 1、频带传输

  • 2、数字调制系统

4.5.1 二进制数字调制

  • 1、二进制幅移键控（2ASK）

  • 2、二进制频移键控（2FSK）


  • 3、二进制相移键控（2PSK）

  • 4、二进制差分相移键控（2DPSK）


  • 5、二进制数字调制性能

  • 2FSK在调制时需要两个载波频率，因此频带利用率最低；

4.5.2 多进制数字调制

  • 用多个bit位调制一个码元；

4.5.3 正交赋值调制QAM

  • 以上调制方式都是单个调整赋值/相位/频率，这个就是联合一起调制；


  • 最右侧就是只调制相位的星座图；
  • QAM在实际场景中应用广泛；
  • 1、补充：扩频技术（Spread Spectrum）

4.6 物理层接口规程

  • 1、物理层接口特性

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