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  • 计算机网络笔记总结

    2021-04-10 15:41:18
    计算机网络笔记总结1、网络体系结构2、TCP三次握手、四次挥手3、TCP和UDP的区别4、TCP 协议如何保证可靠传输6、在浏览器中输⼊url地址 ->> 显示主⻚的过程总体来说分为以下几个过程: 1、网络体系结构 OSI七层...

    1、网络体系结构

    OSI七层协议、TCP/IP四层协议、五层协议图
    在这里插入图片描述
    接下来以七层协议做介绍
    1、物理层:主要定义物理设备标准。比如网线、网卡、集线器、中继器等;它主要是传输0-1比特流
    2、数据链路层:对物理层的数据进行 MAC 地址转换(封装与解封装) ;他的主要作用是传输数据帧,常见设备是二层交换机。
    3、网络层:对数据链路层的 数据进行IP报文的转换;他的主要作用是传输数据报,常见设备是三层交换机和路由器。
    4、传输层:定义了一些传输数据的协议和端口号,比如TCP、UDP等。主要是将从下层接收的数据进行分段进行传输,到达目的地址后在进行重组。传输数据叫做

    • TCP 传输控制协议,面向连接、传输效率低,可靠性强,用于传输可靠性要求高,数据量大的数据
    • UDP用户数据报协议,与 TCP 特性恰恰相反,用于传输可靠性要求不高,数据量小的数据

    5、传输层:通过传输层(端口号:传输端口与接收端口)建立数据传输的通路。主要在你的系统之间发起会话或或者接受会话请求(设备之间需要互相认识可以是 IP 也可以是 MAC 或者是主机名)
    6、表示层:主要是进行对接收的数据进行解释、加密与解密、压缩与解压缩等。主要是表示为认类易接受的,比如图片、文字、音频等
    7、应用层:主要是一些终端的应用,比如说FTP,WEB,QQ之类的。类比我们常用的软件等终端应用。
    在这里插入图片描述

    2、TCP三次握手、四次挥手

    三次握手
    因为TCP是面向连接的,三次握⼿的⽬的是建⽴可靠的通信信道,保证通信双方数据的发送与接收都是正常的。
    在这里插入图片描述第一次握手:服务端确立自己接收正常
    第二次握手:客户端确认自己发送、接收正常
    第三次握手:服务端确立自己发送正常
    在三次握手之后确认双方发送接收正常,已经建立连接,此时可以正式发送数据。

    四次挥手

    TCP 建立连接要进行三次握手,而断开连接要进行四次。这是因为TCP通信方式是全双工的(通信双方可以同时发送信息),一方断开对另一方的发送无影响,每个方向上都要单独进行关闭,这个单向的关闭就是半关闭。当一方完成它的数据发送任务,就发送一个 FIN 来向另一方通告将要终止这个方向的连接,另一方回复ACK表示确认收到。

    关闭客户端到服务器的连接:

    1. 首先客户端 A 发送一个 FIN,用来关闭客户到服务器的数据传送,然后等待服务器的确认。其中终止标志位 FIN=1,序列号 seq=u
    2. 服务器收到这个 FIN,它发回一个 ACK,确认号 ack 为seq+1。

    此时客户端不能给服务端发送消息了,他的单向已经断开连接(半关闭)

    关闭服务器到客户端的连接:

    1. 服务端发送一个 FIN 给客户端
    2. 客户端收到 FIN 后,并发回一个 ACK 报文确认,并将确认序号 seq 设置为收到序号加 1。

    首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭
    在这里插入图片描述

    3、TCP和UDP的区别

    在这里插入图片描述

    4、TCP 协议如何保证可靠传输

    1、ACK确认机制:每次发送一个数据,都会返回一个ack确认号,如果未返回则表示数据丢失,然后采取重传机制
    2、超时重传机制:tcp发出数据段后,启动定时器 等待规定时间收到确认报文。如果没有收到,将重新发送数据段。
    3、滑动窗口:针对高效传输数据包的滑动窗口控制
    4、拥塞控制:当⽹络拥塞时,减少数据的发送
    5、流量控制

    • 针对发送端发出的数据包的确认应答信号ACK

    • 针对数据包丢失或者出现定时器超时的重发机制

    • 针对数据包到达接收端主机顺序乱掉的顺序控制

    • 针对高效传输数据包的流动窗口控制

    • 针对避免网络拥堵时候的流量控制

    • 针对刚开始启动的时候避免一下子发送大量数据包而导致网络瘫痪的慢启动算法和拥塞控制。

      而这些在UDP中都是没有的!此外,TCP作为一种面向有连接的控制传输协议,只有在确认对端主机存在时才会发送数据,从而可以控制通信流量的浪费。

    TCP通过序列号、检验和、确认应答信号、重发控制、连接管理、窗口控制、流量控制、拥塞控制实现可靠性。

    1. 应⽤数据被分割成 TCP 认为最适合发送的数据块。
    2. TCP 给发送的每⼀个包进⾏编号,接收⽅对数据包进⾏排序,把有序数据传送给应⽤层。
    3. 校验和: TCP 将保持它⾸部和数据的检验和。这是⼀个端到端的检验和,⽬的是检测数据在传 输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错,TCP 将丢弃这个报⽂段和不确认收到此报⽂ 段。
    4. TCP 的接收端会丢弃重复的数据。
    5. 流量控制: TCP 连接的每⼀⽅都有固定⼤⼩的缓冲空间,TCP的接收端只允许发送端发送接收端 缓冲区能接纳的数据。当接收⽅来不及处理发送⽅的数据,能提示发送⽅降低发送的速率,防⽌ 包丢失。TCP
      使⽤的流量控制协议是可变⼤⼩的滑动窗⼝协议。 (TCP 利⽤滑动窗⼝实现流量 控制)
    6. 拥塞控制: 当⽹络拥塞时,减少数据的发送。
    7. ARQ协议: 也是为了实现可靠传输的,它的基本原理就是每发完⼀个分组就停⽌发送,等待对⽅ 确认。在收到确认后再发下⼀个分组。
    8. 超时重传: 当 TCP 发出⼀个段后,它启动⼀个定时器,等待⽬的端确认收到这个报⽂段。如果 不能及时收到⼀个确认,将重发这个报⽂段。

    6、在浏览器中输⼊url地址 ->> 显示主⻚的过程总体来说分为以下几个过程:

    1. DNS解析 ,解析得到域名的ip地址(浏览器解析、系统缓存|host文件、本地域名服务器、根域名服务器)
    2. TCP连接
    3. 发送HTTP请求
    4. 服务器处理请求并返回HTTP报文
    5. 浏览器解析渲染页面
    6. 连接结束
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  • 计算机网络中的数据链路层详解

    千次阅读 2020-11-11 15:47:34
    文章目录数据链路层概述使用点点信道的数据链路层数据链路和帧三个基本问题封装成帧透明传输差错控制点点协议PPPPPP协议的特点PPP协议的帧格式使用广播信道的数据链路层局域网的数据链路层以太网适配器的作用...

    数据链路层概述

    • 数据链路层使用的信道主要有以下两种类型:

    1、点到点信道:这种信道使用一对一的点对点通信方式;
    2、广播信道:这种信道使用一对多的广播通信方式,因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多,因此必须使用专门的共享信道协议来协调这些主机的数据发送;

    • 下面分析一下两台主机通过互联网进行通信时数据链路层所处的地位:
      在这里插入图片描述

    当主机H1向主机H2发送数据时,从协议的层次上看,数据的流动如上图所示。主机H1、H2都有完整的五层协议栈,但路由器在转发分组的时候使用到的协议栈只有下面的三层。数据进入路由器后要先从物理层上到网络层,在转发表中找到下一跳的地址后,再下到物理层转发出去。因此,数据从主机主机H1传送到H2需要在路径中的各结点的协议栈向上和向下流动多次,即通过了:H1的链路层——R1的链路层——R2的链路层——R3的链路层——H2的链路层;

    这期间,四段不同的链路层通信可能采用不同的数据链路层协议;

    使用点对点信道的数据链路层

    数据链路和帧

    • 链路是指从一个结点到相邻结点的一段物理线路(有线或无线),而中间没有任何其他的交换结点,再进行数据通信时,链路作为路径的组成部分;
    • 数据链路:当需要一条线路上传输数据时,除了必须有一条物理线路外,还必须有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输。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。
    • 现在最常用的方法是使用网络适配器来实现这些协议,一般的适配器(比如网卡)都包括了数据链路层和物理层这两层的功能;
    • 点对点信道中的数据链路层的协议数据单元为——帧,数据链路层把网络层交下来的数据构成帧发送到链路上,以及把接收到的帧中的数据取出并交给网络层。在互联网中,网络层的协议数据单元就是IP数据报(简称为数据报、分组、包);

    在这里插入图片描述

    • 上图中点对点信道的数据链路层在进行通信时的主要步骤为:

    1、结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧;
    2、结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层;
    3、若结点B的数据链路层收到的帧无差错,则从收到的帧中提取出IP数据报交给上面的网络层,否则丢弃这个帧;

    • 数据链路层就像一个管道,它传输的是帧;

    三个基本问题

    • 数据链路层的协议有许多种,但3个最基本的问题是:封装成帧、透明传输、差错控制;

    封装成帧

    在这里插入图片描述

    • 指的是在一段数据的前后分别添加首部和尾部,这样就构成了一个帧;
    • 接收端收到物理层上交的比特流之后,会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;
    • 首部和尾部的重要作用就是作为帧定界(即确定帧的界限),此外还包括了许多必要的控制信息。
    • 为了提高帧的传输效率,应当使帧的数据部分长度尽可能大于首部和尾部的长度。因此就有了数据部分长度上限——最大传送单元MTU,如上图所示;

    帧定界符

    • 当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时,帧定界可以使用特殊的帧定界符。
    • 控制字符SOH放在帧的最前面,表示帧的首部开始,另一个控制字符EOT表示帧的结束;
    • 注意:这里的SOH和EOT不是时控制字符的名字,它们的十六进制编码为:01和04,并不是S,O,T(或E,O,T)三个字符;

    在这里插入图片描述

    • 假定发送端在尚未发送完一个帧时突然出现故障,中断了发送,但随后又恢复正常,于是从头开始再发。由于使用了帧定界符,接收端就知道前面收到的数据是个不完整的帧(只有首部开始符SOH而没有传输结束符EOT),必须丢弃;

    透明传输

    • 当传输的帧是用文本文件组成的帧时,其数据部分显然不会出现像SOH或EOT这样的帧定界控制字符,因此这样的传输称为透明传输;

    透明的意思是:某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样;
    在数据链路层中透明传送数据,表示无论什么样的比特组合的数据,对于传送的数据来说,它们看不见数据链路层又什么妨碍数据传输的东西,因此数据链路层对于这些数据来说是透明的;

    • 但当数据部分是非ASCII码的文本文件(如二进制代码的计算机程序或图象),数据中的某个字节的二进制代码恰好和SOH或EOT这样的控制字符一样,数据链路层就会错误地“找到帧的边界”,把部分帧手下(误认为这是完整的),而丢弃剩下的数据;

    在这里插入图片描述

    • 为了解决透明传输问题,就必须使数据中可能出现的控制字符“SOH”和“EOT”在接收端不被解释为控制字符。

    字节填充:

    具体的方法是:在“SOH”和“EOT”前面插入一个转义字符“ESC”(其16进制为1B),而在接收端的数据链路层把数据送往网络层之前删除这个插入的转义字符。
    如果转义字符也出现在数据当中,任然是在转义字符的前面插入一个转义字符。

    在这里插入图片描述

    差错控制

    • 比特在传输过程中可能产生差错,1可能变为0,0可能变为1,这就叫做比特差错;
    • 传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率(BER),误码率与信噪比有很大的关系,如果设法提高信噪比,就可以使误码率减小;
    • 实际的通信链路并非是理想的,他不可能使误码率下降为0,因此数据链路层广泛使用循环冗余检验CRC的检错技术,原理为:

    1、在待传送的数据M后面添加供差错检验用的n位冗余码,然后构成一个帧发送出去;
    2、这个冗余码可以用以下方法获得:在M后面添加n个0,得到的这个数出意收发双方事先商定的长度为(n+1)位的除数P,得出商位Q余数为R,这个R就作为冗余码拼接在M后面发送出去;

    在这里插入图片描述

    3、在接收端把接收到的数据以帧为单位进行检验,收到的每一个帧都除以同样的除数P,检查得到的余数R,如果传输过程无差错,余数R肯定为0,如果出现误码,R就可能不为0了;

    • 也就是说,凡是接收端数据链路层收到的帧,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经收到了,但是最终还是因为有差错被丢弃,即没有被接受。
    • 传输差错可以分为两大类:一类是前面说的比特差错,一类是比较复杂的:收到的帧并没有出现比特差错,但却出现了帧丢失、帧重复、帧失序;
    • 也就是说,无比特差错和无传输差错并不是同样的概念,在数据链路层使用CRC检验,能够实现无比特差错的传输,但这还不是最可靠的传输;
    • 对于通信线路良好的有线传输链路,数据链路层协议不适用确认和重传机制,对于通信质量较差的无线传输链路,则使用确认和重传机制。

    点对点协议PPP

    • 互联网用户通常都需要接到某个ISP才能接入到互联网,PPP协议就是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议;

    在这里插入图片描述

    PPP协议的特点

    • PPP协议应满足的需求:(了解)

    简单、封装成帧、透明性、多种网络层协议、多种类型链路、差错检验、检测连接状态、最大传输单元、网络层地址协商、数据压缩协商;

    • PPP协议的组成:

    1、一个将IP数据报封装到穿行链路的方法;
    2、一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议(LCP);
    3、一套网络控制协议NCP;

    PPP协议的帧格式

    在这里插入图片描述

    • 标志字段表示一个帧的开始和结束,因此标志字段就是PPP帧的定界符。连续两帧之间只需要用一个标志字段。如果出现连续;两个标志字段,就表示这是一个空帧,应当丢弃;

    • 当信息字段出现和标志字段一样的比特组合时,就必须采取一些措施:

    当PPP协议使用异步传输时,可以使用字节填充;由于在发送端进行了字节填充,因此在链路上传送的信息字节数就超过了原来的信息字节数。但接收端收到数据后再进行与发送端字节填充相反的变化,就可以正确恢复出原来的信息;

    • 零比特填充:

    PPP协议使用同步传输的时候,可使用零比特传输,在发送端,扫描整个信息字段,如果发现有5个连续的1,就立即填入一个0;接收端在收到一个帧的时候,先找到标志字段F以确定一个帧的边界,接着再使用硬件对其中的比特流进行扫描,每当发现5个连续的1时,就把这5个连续1后面的一个0删除,以还原原来的信息比特流;

    在这里插入图片描述

    使用广播信道的数据链路层

    局域网的数据链路层

    • 局域网特点:网络为一个单位所拥有,且地理位置和站点数目均有限;
    • 局域网的优点:

    1、具有广播功能;
    2、便于系统的扩展和逐渐演变;
    3、提高了系统的可靠性、可用性、生存性;

    • 按照网络拓扑进行分类,局域网分为:

    在这里插入图片描述

    • 局域网可以使用多种传输媒体:双绞线(主流传输媒体)、光纤(数据率很高);

    • 共享信道要着重考虑的一个我呢提是如何使众多用户能够合理而方便的共享通信媒体资源,这在技术上有两种方法:

    1、静态划分信道:频分复用、时分复用、波分复用、码分复用;
    2、动态媒体接入控制

    • 随机接入:主要被以太网采用,所有的用户可随机地发送信息,如果恰好有两个或更多的用户在同一时刻发送消息,那么在共享媒体上就要产生碰撞,使得这些用户的发送都失败;
    • 受控接入:用户不能随即地发送信息而必须服从一定的控制,比如轮询;

    以太网

    • 以太网是一种基带总线局域网,早期的以太网:

    在这里插入图片描述
    上图中发送数据的方式其实是广播通信方式;

    适配器的作用

    • 计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器进行的,现在的计算机主板上都已经嵌入适配器(主机箱内插入的一块网络接口板),不再使用单独的网卡了;
    • 在这种适配器上面装有处理器和存储器(包括RAM、ROM),适配器和局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的,而适配器与计算机之间的通信则是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行的。
    • 因此,适配器一个最重要的功能就是要进行数据串行传输和并行传输的转换;
    • 由于网络上的数据率和计算机总线上的数据率并不相同,因此在适配器中必须装有对数据进行缓存的存储芯片。
    • 在主板上插入适配器的时候,还必须把管理该适配器的设备驱动程序安装在计算机的操作系统上,这个驱动程序就会告诉适配器,应当从存储器的什么位置上把多长的数据块发送得到局域网,或者应当在存储区的什么位置把局域网传送过来的数据块存储下来。
    • 适配器还要能实现以太网协议;
    • 适配器所实现的功能包含了数据链路层和物理层;
    • 适配器在接收和发送各种帧时,不使用计算机的CPU。这时计算机中的CPU可以处理其他任务。当适配器收到有差错的帧时,就把这个帧丢弃而不必通知计算机。当适配器收到正确的帧时,它就使用中断来通知计算机,并交付协议栈中的网络层。当计算机要发送IP数据报时,就由协议栈把IP数据报向下交给适配器,组装成帧之后发送到局域网。

    在这里插入图片描述

    CSMA/CD协议

    • 前面说,最早的以太网是将许多计算机都连接在一根总线上;总线的特点是,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,这就是广播的通信方式;
    • 为了在总线上实现一对一的通信,可以使每一台计算机的适配器都拥有一个与其他适配器不同的地址。在发送数据帧时,在帧的首部写明接收站的地址。仅当数据帧中的目的地址与适配器ROM中存放的硬件地址一致时,该适配器才能接收到这个数据。适配器对不是发送给自己的数据帧就丢弃。这样,具有广播特性的总线上就实现了一对一的通信;
    • 为了通信的简便,以太网采取了以下两种措施:

    1、采用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。适配器对发送的数据帧不进行编号,也不必要求对方发回确认;以太网的服务是不可靠交付。对有差错的帧是否需要重传则由高层来决定。

    总线上的计算机在同一时间只能允许一台计算机发送数据,否则各个计算机之间就会互相干扰。以太网采用了一种协议CSMA/CD,载波监听多点接入/碰撞检测,即如减少冲突概率的发生;

    2、以太网上的所有数据都采用曼彻斯特编码的信号:

    在这里插入图片描述
    CSMA/CD协议的要点:

    多点接入: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:在发送前和发送中,每个站都必须不停的检测信道,为了获得发送权、减少冲突;

    碰撞检测:“边发送边监听”,即适配器在发送数据边检测信道上的信号电压得变化情况,以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。当几个站同时在总线上发送数据时,总线上的信号电压变化幅度会增大。当适配器检测到的信号电压变化幅度超过一定的门限值时,就认为总线上至少有两个站在同时发送数据,表明产生了碰撞。这时候适配器应当立即停止工作,免得进行无效得发送;

    • 设图中的局域网两端的站A和B相距1km,在A——B发送数据一段时间后,B在A发送的数据到达B之前发送自己的帧(这时候的B的载波侦听不到A发送过来的信息),则必然会在某个时间与A发送的帧产生碰撞。碰撞的结果就是两个帧都变得无用。

    在这里插入图片描述

    • 一般将总线上的单程端到端传播时延记为t,也就是A发送数据之后,最多要经过两倍的总线端到端的传播时延(2t)才能知道自己发送的数据和其他站发送的数据有没有发送碰撞;
    • 在使用CSMA/CD协议时,一个站不可能同时进行发送和接收,因此使用该协议的以太网只能进行双向交替通信(半双工通信);
    • 每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内,存在着遭遇碰撞的可能性,这一特点称为发送的不确定性;

    争用期:

    以太网的端到端往返时间2t称为争用期,它是一个很重要的参数,即只有经过这段时间还没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会发生碰撞;

    协议规定了基本退避时间为争用期2t,具体的争用时间为51.2微秒,对于10Mbit/s以太网,在争用期内可发送512bit,即64字节,也就是说争用期是512比特时间,凡是长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧。

    使用集线器的星型拓扑

    • 以太网采用星型拓扑,在星型的中心增加了一种可靠性非常高的设备,叫做集线器(现已被交换机取代)

    在这里插入图片描述

    • 10BASE-T双绞线以太网的出现,是局域网发展史上的一个重要的里程碑,它的通信距离较短,每个站到集线器的距离不超过100m;
    • 集线器的一些特点为:

    1、使用集线器的以太网在逻辑上仍然是一个总线网,个站共享逻辑上的总线,使用的还是CSMA/CD协议,网络中的各站必须竞争对传输媒体的控制,并且在同一时刻至多只允许一个站发送数据;
    2、一个集线器很像一个多接口的转发器;
    3、集线器工作在物理层,它的每个接口只是简单的转发比特——收到1就发1,收到0就发0,不进行碰撞检测;

    以太网的信道利用率

    • 假定一个10Mbit/s以太网同时有10个站在工作,那么每一个站所能发送数据的平均速率似乎应当是总数据率的1/10.其实由于多个站在以太网上工作可能会发生碰撞,信道资源可能被浪费,因此,一外网的信道利用率并不能达到100%;
    • 以太网中,定义了参数α,他是以太网单程端到端延时t与帧发送时间T0之比:

    在这里插入图片描述

    如果α参数越小,表示信道资源被浪费的时间非常少,信道利用率很高。这也就是说,当数据率一定时,以太网的连线的长度受到限制(否则t会太大),同时以太网的帧不能太短(否则T0回会太小);

    • 现在考虑一种理想情况下,就是以太网发送的数据不会产生碰撞,也就是不存在争用期,此时不需要使用CSDM/CD,并且能够非常有效的利用网络的传输资源,即总线一旦有空闲就会有某一个站立即发送数据,这样就有了极限信道利用率Smax:

    在这里插入图片描述

    上式的意义是只有当参数α远远小于1的时候,信道的利用率才会越大;

    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MAC地址;
    • MAC地址是一种48位的二进制地址值,前24位代表厂家,后24是厂家自己指定,是全球唯一的标识符,固化在适配器的ROM中的地址;
    • 适配器具有过滤功能:从网络上每收到一个MAC帧就先用硬件检查MAC帧中的目的地址,如果是发往本站的帧就收下,然后再进行其他处理,否则就将此帧丢弃,不进行处理;
    • 收到的帧一般分为3种:

    1、单播帧:一对一
    2、广播帧:发给本局域网上所有站点的帧;
    3、多播帧:发给本局域网上一部分站点的帧;

    MAC帧的格式

    在这里插入图片描述

    • 常用的以太网MAC帧格式有两种标准:一种是DIX Ethernet V2标准(即就是以太网V2标准),另一种是IEEE的802.3标准,这里介绍V2标准的MAC帧格式,上图假定网络层使用的是IP协议。
    • 各个部分介绍:

    目的地址:6个字节
    源地址:6个字节
    类型字段:2个字节,用来标志上一层使用的是什么协议,以便把收到的MAC帧的数据交给上一层的这个协议;
    数据字段:长度在46~1500字节之间;(64-18字节)
    FSC:4个字节——帧检验序列(使用CRC检验)

    • 以太网的V2的MAC帧格式种,其首部并没有一个帧长度(或数据长度)字段,MAC子层怎么知道从接收到的以太网帧中取出多少个字节的数据交付给上一层的协议呢?曼彻斯特编码的特点是:当发送方把一个以太网帧发送完毕之后,就不再发送其他码元了;因此接收方很容易找到以太网帧的结束位置;
    • 还需要注意:以太网传输数据是以帧位单位传送的,各帧之间都有一定的空隙,以后那次,接收端只要找到帧的开始定界符,其后面的连续到达的比特流都属于一个,AC帧,可见以太网不需要使用帧结束定界符,也不需要使用字节插入来保证透明传输;
    • IEEE 802.3规定以下帧位无效的MAC帧:

    1、帧的长度不是整数个字节;
    2、用收到的帧检验序列FCS查出有差错;
    3、收到的帧的MAC客户数据字段的长度不再46~1500字节之间;

    • 对于检查出的无效的MAC帧,以太网不负责重传丢弃的帧,由上一层的应用程序来实现和完成重传;

    扩展以太网

    • 以太网上的主机之间的距离不能太远;
    • 现在,扩展主机和集线器之间的距离的一种简单方法是使用光纤和一对光纤调制解调器;

    在这里插入图片描述

    光纤调制解调器的作用就是进行电信号和光信号的转换,you由于光纤带来的时延很小,并且带宽很宽,因此使用这种方法可以很容易地使主机和几公里以外的集线器相连接;

    • 如果使用多个集线器,就可以连接成覆盖更大范围的多级星型结构的以太网:

    在这里插入图片描述

    • 使用多级集线器有以下缺点:

    1、在三个系得以太网连接起来之前,每一个系的以太网是一个独立的碰撞域,即在任何一个时刻,在每一个碰撞域中只能有一个站在发送数据。
    2、每一个系得最大吞吐量为10Mbit/s,因此三个系的最大吞吐量为30Mbit/s,在三个系得以太网互连起来后就把三个碰撞域变成一个碰撞域,而这时候最大的吞吐量任然为10Mbit/s;
    3、如果不同得系使用不同的以太网技术(如数据率不同),那么就不可能用集线器将他们互连起来;

    在数据链路层扩展以太网

    • 扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行,最初人们使用的是网桥。网桥对收到的帧根据其MAC帧的目的地址进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时,并不是向所有的接口转发此帧,而是根据此帧的目的MAC地址,查找网桥中的地址表,然后确定将该帧转发到哪一个接口,或者把他丢弃;
    • 网桥使用存储转发(有学习功能),速率较低,现在使用的都是透明网桥;
    • 交换式集线器常称为以太网交换机,强调这种交换机工作在数据链路层;
    • 足够多接口的网桥就是现在的交换机;

    以太网交换机的特点

    • 以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥,它的每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连,并且一般都工作在全双工方式。以太网交换机还具有并行性,即同时连通多个接口,使多对主机都能同时通信(而网桥只负责依次分析和转发一个帧);
    • 以太网交换机接口有存储转发的功能,能在输出端口繁忙时把都来得帧进行缓存;
    • 以太网交换机内部时帧交换表,是通过自学习算法自动逐渐建立起来的,其转发速率比网桥块很多;
    • 多于传统的10Mbit/s的共享式以太网,如果有10个用户,则每个用户占有的平均带宽只有1Mbit/s.若使用以太网交换机来连接这些主机,由于端口的带宽独享,交换机的总容量为100Mbit/s;

    以太网交换机的自学习功能

    下图是以太网交换机中的交换表:
    在这里插入图片描述

    以太网交换机能够即插即用,不必进行人工配置,非常方便;

    • 在两个交换机之间兜圈子的帧:
      在这里插入图片描述
      为了解决上述问题,IEEE的802.1D标准制定了一个生成树协议STP。其要点就是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;

    • 注意:使用集线器就不会产生兜圈子问题,集线器不参与生成树;

    虚拟局域网

    • 利用以太网交换机可以很方便的实现虚拟局域网(VLAN):它指的是一些局域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,指明发送这个帧的计算机属于哪一个VLAN;

    在这里插入图片描述

    • 当计算机B1~B3同属于虚拟局域网VLAN2,当B1向工作组内成员发送数据时,计算机B2和B3能收到广播的信息,虽然它没有和B1连在同一个以太网交换机上;相反,此时的计算机A1,A2,C1都不能收到B1的广播信息;
    • 两个VLAN中的计算机即使在一个网段中,也不能ping通;
    • 多个交换机下的虚拟局域网:

    在这里插入图片描述

    只用了一个干道链路,就可以让两个虚拟局域网各自工作;

    • 虚拟局域网帧格式:

    在这里插入图片描述

    高速以太网

    100BASE-T 以太网

    • 100BASE-T 以太网是在双绞线上传送100Mbit/s基带信号的星型拓扑以太网,使用CSMA/CD协议,又称为快速以太网;
    • 可以在全双工方式下工作而无冲突发生,因此,CSMA/CD协议对全双工方式工作的快速以太网是不起作用的;

    吉比特以太网
    在这里插入图片描述
    10吉比特以太网和更快的以太网在这里插入图片描述

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  • 数据链路层使用的信道主要以下两种类型 点点信道 一一的点点通信方式 广播信道 一多的广播通信方式,过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多,必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送 ...

    功能:保证数据正确的顺序,无错和完整
    #1 链路层概述
    数据链路层使用的信道主要有以下两种类型

    • 点对点信道
      一对一的点对点通信方式
    • 广播信道
      一对多的广播通信方式,过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多,必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送
      数据链路层的简单模型
      数据链路层的简单模型( 续)
      链路层地址:LAN地址,物理地址或称为MAC地址

    1 链路层的三个基本问题

    • 封装成帧(framing)
      一段数据的前后分别添加首部和尾部,构成一个帧
      首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界
      封帧图解
    • 透明传输
      “在数据链路层透明传送数据”,表示无论什么样的比特组合的数据都能够通过这个数据链路层
      数据看不见数据链路层有什么妨碍数据传输的东西
      数据链路层对于这些数据来说是透明的
      • 解决透明传输问题
        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)。
        字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——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。
        如果转义字符也出现数据当中,那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时,就删除其中前面的一个。
    • 差错检测
      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)
      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

    2 点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)的组成

    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 (Link Control Protocol)。
    • 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

    3 透明传送,字节填充,零比特填充

    • 字节填充
      RFC1662规定的填充方法:
      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。
    • 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。
      • 标志字段0x7E(二进制01111110)
      • 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。

    5 CRC差错检测,求冗余码

    基于循环冗余检验(CRC)的差错检测技术

    • 在发送端,先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。
    • 假设待传送的一组数据 M = 101001(现在 k = 6)。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。

    冗余码的计算

    • 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) 位的数除以双方事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P,得出商是 Q 而余数是 R,余数 R 比除数 P 少1 位,即 R 是 n 位。
      冗余码的计算举例

    4 交换局域网

    4.1 链路层寻址和ARP

    4.2 以太网

    4.2.1 概述

    “统治地位”的有线LAN技术

    • 造价低廉(NIC不足¥100.00)
    • 应用最广泛的LAN技术
    • 比令牌局域网和ATM等,简单、便宜
    • 满足网络速率需求:10 Mbps – 10 Gbps
      Metcalfe的以太网草图

    4.2.2 以太网:物理拓扑

    总线(bus): 上世纪90年代中期前流行

    • 所有结点在同一冲突域(collision domain) (可能彼此冲突)

    星型(star): 目前主流网络拓扑

    • 中心交换机(switch)
    • 每个结点一个单独冲突域(结点间彼此不冲突)
      总线(bus): 同轴电缆&&星型(star)

    4.2.3 以太网:不可靠、无连接服务

    无连接(connectionless): 发送帧的网卡与接收帧的网卡间没有“握手”过程

    不可靠(unreliable): 接收网卡不向发送网卡进行确认

    • 差错帧直接丢弃,丢弃帧中的数据恢复依靠高层协议 (e.g., TCP),否则,发生数据丢失

    以太网的MAC协议: 采用二进制指数退避算法的CSMA/CD

    4.2.4 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection),协议的工作过程,最短帧长与争用期的关系(重点)

    概念

    载波监听多点接入/碰撞检测
    “多点接入”: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”: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

    原理

    载波监听
    碰撞检测
    随机退避

    4.2.4.3 工作过程(从与广播信道相连的网卡角度)

    1. NIC从网络层接收数据报,创建数据帧,并放入帧适配器缓存中
    2. 监听信道:
    • NIC监听到信道闲,则开始发送帧
    • NIC监听到信道忙,则一直等待到信道闲,然后发送帧

    发送过程中,NIC监视来自其他使用该广播信道的适配器的信号能量的存在(即边发送边检测)
    3. 没有检测到其他结点的数据发送,NIC发送完整个帧,发送成功
    4. 如果NIC检测到其他结点传输数据,则中止发送,并发送堵塞信号(jam signal)
    5. 中止发送后,NIC进入二进制指数退避:

    • 第m次连续冲突后:
      •取n = Min(m, 10)
      •NIC 从{0,1,2, …, 2n-1}中随机选择一个数K
      •NIC等待K·512比特的传输延迟时间,再返回第2步

    • 连续冲突次数越多,平均等待时间越长。

    • 争用期

      • 最先发送数据帧的站,在发送数据帧后至多经过时间 2 (两倍的端到端时延)就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。
      • 以太网的端到端往返时延 2 称为争用期,或碰撞窗口。
      • 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会发生碰撞
      • 长度
        以太网争用期的时间取为51.2微秒
        对于 10 Mb/s 以太网,在争用期内可发送512 bit,即 64 字节。因此,也可以说争用期是512比特时间。
        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
      • 若要发送的数据非常少,则必须加入一些填充字节,使帧长不小于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

    4.2.5 以太网帧结构

    发送端网卡将IP数据报(或其他网络层协议分组)封装到以太网帧中:

    各个字段意义

    • 前导码(Preamble)(8B):

      • 7个字节的10101010,第8字节为10101011
      • 用于发送端与接收端的时钟同步
    • 目的MAC地址、源MAC地址(各6B):

      • 如果网卡的MAC地址与收到的帧的目的MAC地址匹配,或者帧的目的MAC地址为广播地址(FF-FF-FF-FF-FF-FF),则网卡接收该帧,并将其封装的网络层分组交给相应的网络层协议
      • 否则,网卡丢弃(不接收)该帧
    • 类型(Type)(2B): 指示帧中封装的是哪种高层协议的分组 (如,IP数据报、Novell IPX数据报、AppleTalk数据报等)

    • 数据(Data)(46-1500B): 指上层协议载荷

      • R=10Mbps,RTTmax=512μs,Lmin / R = RTTmax
      • Lmin=512bits=64B,Datamin=Lmin-18=46B
    • CRC(4B): 循环冗余校验码

      • 丢弃差错帧

    4.2.6 802.3以太网标准: 链路与物理层

    • 许多不同的以太网标准
      • 相同的MAC协议和帧格式
      • 不同速率: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, 10G bps
      • 不同物理介质: 光纤, 线缆

    5 交换机(switch)

    5.1 以太网交换机(switch)

    • 链路层设备
      • 存储-转发以太网帧
      • 检验到达帧的目的MAC地址,选择性(selectively) 向一个或多个输出链路转发帧
      • 利用CSMA/CD访问链路,发送帧
    • 透明(transparent)
      • 主机感知不到交换机的存在
      • 即插即用(plug-and-play)
      • 自学习(self-learning)
      • 交换机无需配置

    5.2 交换机: 多端口间同时传输

    • 主机利用独享(dedicated)链路直接连接交换机
    • 交换机缓存帧
    • 交换机在每段链路上利用CSMA/CD收发帧,但无冲突,且可以全双工
      • 每段链路一个独立的冲突域
    • 交换(switching): A-A’与B-B’的传输可以同时进行,没有冲突
      6个接口交换机 (1,2,3,4,5,6)

    5.3 交换机转发表:交换表

    Q: 交换机怎么知道A’可以通过接口4到达,而B’可以通过接口5到达?

    • A: 每个交换机有一个交换表(switch table), 每个入口(entry):
      • (主机的MAC地址, 到达主机的接口, 时间戳)
      • 看起来很像路由表!
    • Q: 交换表入口信息如何创建和维护的那?
      • 类似于路由协议?

    5.4 交换机: 自学习

    交换机通过自学习,获知到达主机的接口信息

    • 当收到帧时,交换机“学习”到发送帧的主机(通过帧的源MAC地址),位于收到该帧的接口所连接的LAN网段
    • 将发送主机MAC地址/接口信息记录到交换表中

    5.5 交换机: 帧过滤/转发

    当交换机收到帧:

    1. 记录帧的源MAC地址与输入链路接口
    2. 利用目的MAC地址检索交换表
    3. if 在交换表中检索到与目的MAC地址匹配的入口(entry)
      then {
      if 目的主机位于收到帧的网段
      then 丢弃帧
      else 将帧转发到该入口指向的接口
      }
      else 泛洪(flood) /* 向除收到该帧的接口之外的所有接口转发 */

    6 集线器、转发器、网桥、以太网交换机的异同

    集线器的特点

    • 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。
    • 集线器有许多接口,因此很像一个多接口的转发器。
    • 工作在物理层,每个借口仅仅简单地转发比特。
    • 采用专门的芯片,进行自适应串音回波抵消。

    网桥

    • 在数据链路层扩展局域网是使用网桥。
    • 它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。
    • 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,或者丢弃(即过滤)。
    • 多个局域网通过一种工作在数据链路层的设备连接起来,这个设备叫网桥。网桥用于连接多个局域网,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。网桥的优点:过滤通信量、扩大屋里范围、提高可靠性、互连不同物理层、不同MAC层和不同速率的局域网。目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。

    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。

    多接口网桥-以太网交换机

    • 通常都有十几个接口。因此,以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥,可见交换机工作在数据链路层。
    • 每个接口都直接与主机相连,并且一般都工作在全双工方式。
    • 能同时连通许多对的接口,使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样,进行无碰撞地传输数据。
    • 由于使用了专用的交换结构芯片,其交换速率就较高。

    7 网桥转发表的建立过程

    • 若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥,那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A。
    • 网桥每收到一个帧,就记下其源地址和进入网桥的接口,作为转发表中的一个项目。
    • 在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。
    • 在转发帧时,则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址,而把记下的进入接口当作转发接口

    8 了解网络适配器的主要功能及其工作在哪一层

    网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC(Network Interface Card),或“网卡”

    • 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
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  • 计算机网络第五版谢希仁答案

    千次下载 热门讨论 2010-03-29 22:51:59
    1-09 计算机网络中的主干网和本地接入网的主要区别是什么? 答:主干网:提供远程覆盖\高速传输\和路由器最优化通信 本地接入网:主要支持用户的访问本地,实现散户接入,速率低。 1-10 试在下列条件下比较电路交换...
  • 数据链路层使用的信道主要以下两种类型 点点信道 一一的点点通信方式 广播信道 一多的广播通信方式,过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多,必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送 ...

    功能:保证数据正确的顺序,无错和完整

    1 链路层概述

    信道类型

    • 点对点信道
      一对一的点对点通信方式
    • 广播信道
      一对多的广播通信方式,过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多,必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送

    数据链路层的简单模型


    • 链路层地址
      LAN地址,物理地址或称为MAC地址

    基本问题

    封装成帧(framing)

    一段数据的前后分别添加首部和尾部,构成一个帧。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界
    封帧图解

    透明传输

    “在数据链路层透明传送数据”,表示无论什么样的比特组合的数据都能够通过这个数据链路层
    数据看不见数据链路层有什么妨碍数据传输的东西
    数据链路层对于这些数据来说是透明的

    • 解决透明传输问题
      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)。
      字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——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。
      如果转义字符也出现数据当中,那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时,就删除其中前面的一个。

    差错检测

    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)
    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

    2 PPP (Point-to-Point Protocol)

    点对点协议 ,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 (Link Control Protocol)。
    • 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

    3 透明传送,字节填充,零比特填充

    • 字节填充
      RFC1662规定的填充方法:
      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。
    • 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。
      • 标志字段0x7E(二进制01111110)
      • 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。

    5 CRC差错检测,求冗余码

    基于循环冗余检验(CRC)的差错检测技术

    • 在发送端,先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。
    • 假设待传送的一组数据 M = 101001(现在 k = 6)。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。

    冗余码的计算

    • 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) 位的数除以双方事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P,得出商是 Q 而余数是 R,余数 R 比除数 P 少1 位,即 R 是 n 位。

    • 冗余码的计算举例

    4 交换局域网

    4.1 链路层寻址和ARP

    4.2 以太网

    4.2.1 概述

    “统治地位”的有线LAN技术

    • 造价低廉(NIC不足¥100.00)

    • 应用最广泛的LAN技术

    • 比令牌局域网和ATM等,简单、便宜

    • 满足网络速率需求:10 Mbps – 10 Gbps

    • Metcalfe的以太网草图

    4.2.2 以太网:物理拓扑

    总线(bus): 上世纪90年代中期前流行

    • 所有结点在同一冲突域(collision domain) (可能彼此冲突)

    星型(star):目前主流网络拓扑

    • 中心交换机(switch)

    • 每个结点一个单独冲突域(结点间彼此不冲突)

    • 总线(bus): 同轴电缆&&星型(star)

    4.2.3 以太网:不可靠、无连接服务

    无连接(connectionless):发送帧的网卡与接收帧的网卡间没有“握手”过程。

    不可靠(unreliable):接收网卡不向发送网卡进行确认

    • 差错帧直接丢弃,丢弃帧中的数据恢复依靠高层协议 (e.g., TCP),否则,发生数据丢失。

    以太网的MAC协议采用二进制指数退避算法的CSMA/CD。

    4.2.4 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

    协议的工作过程,最短帧长与争用期的关系(重点)

    概念

    载波监听多点接入/碰撞检测:

    • 多点接入
      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
      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

    原理

    载波监听
    碰撞检测
    随机退避

    4.2.4.3 工作过程(从与广播信道相连的网卡角度)

    1. NIC从网络层接收数据报,创建数据帧,并放入帧适配器缓存中
    2. 监听信道:
    • NIC监听到信道闲,则开始发送帧
    • NIC监听到信道忙,则一直等待到信道闲,然后发送帧

    发送过程中,NIC监视来自其他使用该广播信道的适配器的信号能量的存在(即边发送边检测)
    3. 没有检测到其他结点的数据发送,NIC发送完整个帧,发送成功
    4. 如果NIC检测到其他结点传输数据,则中止发送,并发送堵塞信号(jam signal)
    5. 中止发送后,NIC进入二进制指数退避:

    • 第m次连续冲突后:
      •取n = Min(m, 10)
      •NIC 从{0,1,2, …, 2n-1}中随机选择一个数K
      •NIC等待K·512比特的传输延迟时间,再返回第2步

    • 连续冲突次数越多,平均等待时间越长。

    • 争用期

      • 最先发送数据帧的站,在发送数据帧后至多经过时间 2 (两倍的端到端时延)就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。
      • 以太网的端到端往返时延 2 称为争用期,或碰撞窗口。
      • 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会发生碰撞
      • 长度
        以太网争用期的时间取为51.2微秒
        对于 10 Mb/s 以太网,在争用期内可发送512 bit,即 64 字节。因此,也可以说争用期是512比特时间。
        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
      • 若要发送的数据非常少,则必须加入一些填充字节,使帧长不小于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

    4.2.5 以太网帧结构

    发送端网卡将IP数据报(或其他网络层协议分组)封装到以太网帧中:

    各个字段意义

    • 前导码(Preamble)(8B):

      • 7个字节的10101010,第8字节为10101011
      • 用于发送端与接收端的时钟同步
    • 目的MAC地址、源MAC地址(各6B):

      • 如果网卡的MAC地址与收到的帧的目的MAC地址匹配,或者帧的目的MAC地址为广播地址(FF-FF-FF-FF-FF-FF),则网卡接收该帧,并将其封装的网络层分组交给相应的网络层协议
      • 否则,网卡丢弃(不接收)该帧
    • 类型(Type)(2B): 指示帧中封装的是哪种高层协议的分组 (如,IP数据报、Novell IPX数据报、AppleTalk数据报等)

    • 数据(Data)(46-1500B): 指上层协议载荷

      • R=10Mbps,RTTmax=512μs,Lmin / R = RTTmax
      • Lmin=512bits=64B,Datamin=Lmin-18=46B
    • CRC(4B): 循环冗余校验码

      • 丢弃差错帧

    4.2.6 802.3以太网标准: 链路与物理层

    • 许多不同的以太网标准
      • 相同的MAC协议和帧格式
      • 不同速率: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, 10G bps
      • 不同物理介质: 光纤, 线缆

    5 交换机(switch)

    5.1 以太网交换机(switch)

    • 链路层设备
      • 存储-转发以太网帧
      • 检验到达帧的目的MAC地址,选择性(selectively) 向一个或多个输出链路转发帧
      • 利用CSMA/CD访问链路,发送帧
    • 透明(transparent)
      • 主机感知不到交换机的存在
      • 即插即用(plug-and-play)
      • 自学习(self-learning)
      • 交换机无需配置

    5.2 交换机: 多端口间同时传输

    • 主机利用独享(dedicated)链路直接连接交换机
    • 交换机缓存帧
    • 交换机在每段链路上利用CSMA/CD收发帧,但无冲突,且可以全双工
      • 每段链路一个独立的冲突域
    • 交换(switching): A-A’与B-B’的传输可以同时进行,没有冲突
      6个接口交换机 (1,2,3,4,5,6)

    5.3 交换机转发表:交换表

    Q: 交换机怎么知道A’可以通过接口4到达,而B’可以通过接口5到达?

    • A: 每个交换机有一个交换表(switch table), 每个入口(entry):
      • (主机的MAC地址, 到达主机的接口, 时间戳)
      • 看起来很像路由表!
    • Q: 交换表入口信息如何创建和维护的那?
      • 类似于路由协议?

    5.4 交换机: 自学习

    交换机通过自学习,获知到达主机的接口信息

    • 当收到帧时,交换机“学习”到发送帧的主机(通过帧的源MAC地址),位于收到该帧的接口所连接的LAN网段
    • 将发送主机MAC地址/接口信息记录到交换表中

    5.5 交换机: 帧过滤/转发

    当交换机收到帧:

    1. 记录帧的源MAC地址与输入链路接口
    2. 利用目的MAC地址检索交换表
    3. if 在交换表中检索到与目的MAC地址匹配的入口(entry)
      then {
      if 目的主机位于收到帧的网段
      then 丢弃帧
      else 将帧转发到该入口指向的接口
      }
      else 泛洪(flood) /* 向除收到该帧的接口之外的所有接口转发 */

    6 集线器、转发器、网桥、以太网交换机的异同

    集线器的特点

    • 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。
    • 集线器有许多接口,因此很像一个多接口的转发器。
    • 工作在物理层,每个借口仅仅简单地转发比特。
    • 采用专门的芯片,进行自适应串音回波抵消。

    网桥

    • 在数据链路层扩展局域网是使用网桥。
    • 它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。
    • 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,或者丢弃(即过滤)。
    • 多个局域网通过一种工作在数据链路层的设备连接起来,这个设备叫网桥。网桥用于连接多个局域网,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。网桥的优点:过滤通信量、扩大屋里范围、提高可靠性、互连不同物理层、不同MAC层和不同速率的局域网。目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。

    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。

    多接口网桥-以太网交换机

    • 通常都有十几个接口。因此,以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥,可见交换机工作在数据链路层。
    • 每个接口都直接与主机相连,并且一般都工作在全双工方式。
    • 能同时连通许多对的接口,使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样,进行无碰撞地传输数据。
    • 由于使用了专用的交换结构芯片,其交换速率就较高。

    7 网桥转发表的建立过程

    • 若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥,那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A。
    • 网桥每收到一个帧,就记下其源地址和进入网桥的接口,作为转发表中的一个项目。
    • 在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。
    • 在转发帧时,则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址,而把记下的进入接口当作转发接口

    8 网卡

    网卡,也叫网络适配器。处于数据链路层与物理层,兼顾两层功能。是个小型嵌入式系统,上面有自己的处理器以及存储器(包括ROM和RAM)。

    网卡的职责

    计算机的CPU将网络层的IP数据报交给网卡后,就可以去做别的了,由网卡的处理器复杂将IP数据报处理,并将信号转为电信号发送出去,以及接收在网络上传输过来的分组,然后通过中断通知计算机的CPU来把数据读走。

    如果只是通过IP地址转发分组,那么如果中间需要很多路由器来转发,如何去识别我该将分组转发给哪个路由器呢?所以提出了物理地址作为设备的地址唯一标识,即MAC地址,每个网卡具有唯一MAC地址,这样根据MAC地址就可以找到如何转发了。MAC地址是一个48位的二进制数据。
    网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC(Network Interface Card),或“网卡”

    • 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
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