计算机网络-物理,数据链路层

fqenvy
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1.物理层

1.1 通信方式

根据信息在传输线上的传送方向,分为一下三种通信方式:

  • 单工通信:单向传输
  • 半双工通信:双向交替传输
  • 全双工通信:双向同时传输

1.2 带通调制

模拟信号时连续的信号,数字信号时离散的信号.带通调制把数字信号转换为模拟信号

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2.数据链路层

2.1 基本问题

2.1.1 封装成帧

将网络层传下来的分组添加首部和尾部,用于标记帧的开始和结束

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2.1.2 透明传输

透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样

  • 帧使用首部和尾部进行定界,如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容,那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符,那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容时转义字符,用户察觉不到转义字符的存在

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2.1.3 差错检测

目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验(CRC)来检查比特差错

2.2 信道分类

2.2.1 广播信道

  • 一对多通信.一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到
  • 所有的节点都在同一个广播信道上发送数据,因此需要有专门的控制方法进行协调,避免发生冲突
  • 主要有两种控制方法进行协调,一个是使用信道复用技术,一是使用CSMA/CD协议

2.2.2 点对点信道

  • 一对一通信
  • 因为不会发生碰撞,因此也比较简单,使用ppp协议进行控制

2.3 信道复用技术

2.3.1 频分复用

频分复用的所有主机在相同的时间占用不同的频率宽带资源

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2.3.2 时分复用

时分复用的所有主机在不同的时间占用相同的频率带宽资源

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  • 使用频分复用和时分复用进行通信,在通信的过程中主机会一直占用一部分信道资源
  • 但是由于计算机数据的突发性质,通信过程没必要一直占用信道资源而不让出给其他用户使用,因此这两种方式对信道的利用率都不高

2.3.3 统计时分复用

是对时分复用的一种改进,不固定每个用户在时分复用帧中的位置,只要有数据就集中起来组成统计时分复用帧然后发送

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2.3.4 波分复用

光的频分复用。由于光的频率很高,因此习惯上用播放而不是频率来表示所使用的光载波

2.3.5 码分复用

为每个用户分配m bit 的码片,并且所有的码片正交,对于任何两个码片 S 和 T 有

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为了讨论方便，取 m=8，设码片 为 00011011。在拥有该码片的用户发送比特 1 时就发送该码片，发送比特 0 时就发送该码片的反码 11100100。

在计算时将 00011011 记作 (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)，可以得到

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其中 S' 为 S 的反码。

利用上面的式子我们知道，当接收端使用码片 S 对接收到的数据进行内积运算时，结果为 0 的是其它用户发送的数据，结果为 1 的是用户发送的比特 1，结果为 -1 的是用户发送的比特 0。

码分复用需要发送的数据量为原先的 m 倍。

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2.4 CSMA/CD协议

CSMA/CD表示载波监听多点接入/碰撞检测

  • 多点接入:说明这是总线型网络,许多主机以多点的方式连接到总线上
  • 载波监听:每个主机都必须不停地监听信道;在发送前,如果监听到信道正在使用,就必须等待
  • 碰撞检测:在发送中,如果监听到信道已有其他主机正在发送数据,就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲,但是由于电磁波的传播时延的存在,还是可能发生碰撞

记端到端的传播时时延为τ,最先发送的站点最多经过2τ就可知发生了碰撞,称2τ为争用期,只有经过争用期之后还没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会碰撞

当发生碰撞时,站点要停止发送,等待一段时间再发送。这个时间采用截断二进制指数退避算法来确定。从离散的整数集合 {0, 1, .., (2k-1)} 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。

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2.5 PPP协议

互联网用户通常需要链接到某个ISP之后才能介入到互联网,PPP协议是用户计算机的ISP进行通信时所使用的数据链路层协议

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PPP的帧格式:

  • F字段为帧的定界符
  • A和C字段暂时没有意义
  • FCS字段是使用CRC的检验序列
  • 信息部分长度不超过1500

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2.6 MAC地址

MAC地址是链路层地址,长度为6字节(48位),用于唯一标识网络适配器(网卡)

一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个MAC地址

  • 例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器,因此就有两个MAC地址

2.7 局域网

局域网是一种典型的广播信道,主要特点是网络位一个单位所拥有,且地理范围和站点数目均有限

  • 主要有以太网,令牌环网,FDDI和ATM等局域网技术,目前以太网占领着有线局域网市场
  • 可以按照网络拓扑结构对局域网进行分类

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2.8 以太网

以太网是一种星型拓扑结构局域网

早期使用集线器进行连接,集线器是一种物理层设备,作用于比特而不是帧,当一个bit到达接口时,集线器重新生成这个bit,并将其能量强度放大,从而扩大网络的传输距离,之后再将这个bit发送到其他所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧,那么就发生了碰撞

  • 目前以太网使用交换机代替了集线器,交换机是一种链路层设备,它不会发生碰撞,能根据MAC地址进行存储转发.以太网帧格式:
    • 类型: 标记上层使用的协议;
    • 数据: 长度在46-1500之间,如果太小则需要填充;
    • FCS: 帧检验序列,使用的时CRC检验方法

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2.9 交换机

交换机具有自学习能力,学习的是交换表的内容,交换表中存储着MAC地址到接口的映射

正式由于这种自学习能力,因此交换机是一种即插即用设备,不需要网络管理员手动配置交换表内容

下图中,交换机有4个接口,主机A向主机B发送数据帧,交换机把主机A到接口1的映射写入交换表中。为了发送数据帧到B,先查交换表,此时没有主机B的表项,那么主机A就发送广播帧,主机C和主机D会丢失该帧,主机B回应该帧向主机A发送数据包时,交换机查找交换表得到主机A映射的接口为1,就发送该数据帧到接口1,同时交换机添加主机B到接口2的映射

2.10 虚拟局域网

虚拟机局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组,只有在同一个局域网中的成员才会收到链路层广播信息

例如下图中(A1,A2,A3,A4) 属于一个虚拟局域网,A1发送的广播会被A2,A3,A4收到,而其它站点收不到

使用VLAN干线链接来建立虚拟局域网,每台交换机上的一个特殊接口被设置为干线接口,以互联VLAN交换机。IEEE定义了一种扩展的以太网帧格式802.1Q,它在标准以太网帧上加进了4字节首部VLAN标签,用于表示该帧属于哪个虚拟局域网

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