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【计算机网络】物理层与数据链路层知识点

发布时间 2023-03-29 21:30:58作者: 梅落南山

引自CSDN博主「原来如此呀」的原创文章，原文链接
计算机网络的正式定义：利用通信线路和通信设备，将地理位置不同的、功能独立的多台计算机互联起来，以功能完善的网络软件来实现资源共享和信息传递。

1. 计算机网络分类

按照网络的作用范围：广域网（WAN(wide area network)）、城域网（MAN(metropolitan area network)）、局域网（LAN(local area network)）
按照网络使用者：公共网络、专用网络。

2. 计算机网络的层次结构

OSI体系结构：
体系结构
TCP/IP四层模型：网络接口层（1-2）、网际层（3）、运输层（4）、应用层（5-7）。

第一章

  1. internet（互连网），泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络，通信协议可以任意选择。

  2. Internet（互联网），指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定互连网，采用TCP/IP协议族最为通信规则，且前身是美国的ARPANET。

  3. ISP（Internet Service Provider）互联网服务提供商，例如中国电信、移动和联通。

  4. 互连网的组成：边缘（所有连接在互联网上的主机组成）+核心（由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供连通性和交换）

    • 网络边缘的端系统（进程）之间的通信方式通常分为两类：客户-服务器方式和对等方式。
    • 路由器是实现分组交换的关键构件，任务是转发收到的分组。

  5. 电路交换，直接建立一条专用的物理通路（想象打电话，在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源）。

  6. 报文交换：整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来查找转发表，转发到下一个节点。

  7. 分组交换，采用存储转发技术。

    • 分组：对要发送的整块数据称为一个报文，对报文等长分割并在这些数据段前面加上必要的控制信息（header）组成一个分组，又称为一个包（packet）。
    • 交换：路由器收到一个分组，暂时存储，检查头部，查找转发表，按照目的地址，找到合适的接口转发出去。
      分组交换优点
      分组交换的缺点：有时延、造成了开销。
      三种交换对比

  8. 性能指标：

    • 速率：数据的传送速率
    • 带宽：表示某信道允许通过的信号频带范围
    • 吞吐量：单位时间内通过某个网络的实际的数据量。
    • 时延：
      • 发送时延（主机或路由器发送数据帧所需要的时间）=数据帧长度/发送速率。
      • 传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率。
      • 处理时延和排队时延
    • 时延带宽积：传播时延 * 带宽
    • 往返时间RTT：A向B发送数据后，A再收到数据的反馈的时间
    • 利用率：信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的。网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值。

  9. 网络协议主要由三个要素组成：语法（数据与控制信息的结构或格式）、语义（需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应）、同步（事件实现顺序的详细说明）。

  10. 计算机网络体系结构

物理层

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性。一个数据通信系统可划分为三大部分：源系统、传输系统和目的系统。
源系统包括：源点和发送器。发送器对数字比特进行编码。对应的，目的系统包括：接收器和终点。接收器接收信号并将其转换为目的设备处理的信息。仙子啊很多计算机使用内置的调制解调器，能够做到编码和解码。

  • 单工通信：只能有一个方向的通信而美与反方向的交互，比如无线电广播或电视广播。
  • 半双工通信：通信双方都可以发送信息，但不能同时发送，也不能同时接收。
  • 双工通信：通信双方可以同时发送接收信息。

限制码元在信道上的传输速率的影响因素：信道能够通过的频率范围（奈氏准则）、信噪比（信号平均功率与噪声平均功率之比，单位分贝$dB$，$=10 log_{10}(S/N)$）。

传输媒介分为两大类：

  • 导引型传输媒体
    • 双绞线，把两根相互绝缘的铜导线绞合在一起，通常用在电话系统上。
    • 屏蔽双绞线，在双绞线外面再加一层用金属丝编制的屏蔽层。
    • 同轴电缆，内导体铜质芯线
    • 光缆，传输损耗小、康雷电和电磁干扰性能好、无串音干扰，就是需要人铺。
  • 非导引型传播媒体
    • 无线传输：低频LF、中频MF、高频HF...
    • 短波通信：高频通信，主要靠电离层的反射，但容易产生多径效应使得通信质量较差。
    • 微波通信：地面微波接力通信和卫星通信。
      电信领域使用的电磁波频谱
      信道复用技术：频分复用FDM、时分复用TDM。因此复用器和分用器总是同对使用。
      频分复用和时分复用
      波分复用WDM，是光的频分复用。
      码分复用CDM，由于各个用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户不会造成干扰。每个站分配的码片序列必须互相正交，$S\cdot T=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^m S_iT_i=0$。当需要发送比特1时，就发送码片序列，发送比特0就发送该码片序列的二进制反码。当X站接收S站发送的数据，X站必须知道S站的码片序列，然后将其与未知信号进行内积运算，其他各站的信号都会被过滤掉，只剩下S站发送的信号，当S站发送比特1，X站内积结果为+1，否则为-1。

现有SDH/SONET标准已成为公认的新一代理想的传输网体制，该标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。
宽带接入技术:
ADSL：非对称数字用户线，用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造。
HFC网：光纤同轴混合网，在有线电视网的基础上开发
FTTx技术：多种宽带光纤接入方式

中继器（RP repeater）：又称转发器，主要功能是将信号整形并放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆后，因噪声或其他原因而造成的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求，进而扩大网络传输的距离。
在采用粗同轴电缆的10BASE5 以太网规范中，表示10Mbit/s的数据率，BASE表示连接线上的是基带信号。互相串联的中继器的个数不能超过4 个，而且用4 个中继器串联的5 段通信介质中只有3段可以挂接计算机，其余两段只能用作扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机。这就是"5-4-3 规则”。参考
集线器（Hub）：实质上是一个多端口的中继器。由Hub组成的网络是共享式网络，但逻辑上仍是一个总线网。Hub的每个端口连接的网络部分是同一个网络的不同网段。同时Hub也只能在半双工状态下工作，网络的吞吐率因而受到限制。半双工，不能隔离冲突域也不能隔离广播域。

数据链路层

  1. 点对点信道
    链路就是从一个结点到相邻结点的一段物理线路（有线或无线）。数据链路时在链路的基础上，加上必要的通信协议来控制数据的传输。
    帧：协议数据单元。
    封装成帧：在一段数据的前后分别添加首部和尾部构成一个帧。帧长等于帧的数据长度+首部和尾部长度。帧定界符：SOH(Start of header)控制符放在一帧的最前面，表示帧的首部开始，编码为0x01，EOT放在帧尾，0x04。
    MTU：最大传输单元，所能传送的帧的数据部分长度上限。
    透明传输：表示帧定界符在传输过程中好像不存在一样，传输数据与其不会冲突。如果在数据中出现某些字符时，需要在前面插入一个转移字符ESC，0x1B，这种方法称为字节填充。
    差错检查：传输错误的比特占所有传输比特总数的比率称为误码率BER(Bit Error Rate)，因此为了保证数据传输的可靠性，需要采用各种差错检测措施。比如CRC循环冗余检验。在数据M的后面添加n位冗余码，冗余码可以通过模2运算(进行加法时不进位，进行减法不借位)，相当于在M后添加n个0，双方事先商定好一个除数P(长度为n+1)，得出的商是Q而余数是R。这个余数就作为冗余码拼在数据后面发送出去，常称为帧检验序列FCS(Frame Check Sequence)。
    在接收端对收到的每一帧进行CRC检验后，若R=0，则无差错，否则就丢弃。
    能够实现无比特差错而不是无传输差错。对通信质量良好的有限传输链路，数据链路层协议不使用确认和重传机制，而对于通信质量较差的无线传输链路，数据链路层向上提供可靠传输的服务。因此通常情况下，该层并不能保证可靠传输。
  2. 点对点协议PPP
    HDLC(High-level Data Link Control)高级数据链路控制，能够实现可靠传输的协议。
    PPP(Point-to-Point Protocol)点对点协议使用广泛。该协议是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。
    简单、封装成帧、透明性、多种网络层协议(在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议的运行)、多种类型链路(能在多种类型的链路上运行)、差错检测、检测连接状态、最大传送单元、网络层地址协商、数据压缩协商。
    PPP帧
    异步传输时：字节填充的转义符定义为0x7D。
    同步传输时：零比特填充，只要发现有5个连续的1，立即填入一个0.
  3. 广播信道的数据链路层
    局域网按网络拓扑分为：星形网、环形网、总线网。
    适配器：上面有处理器和存储器。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，而适配器与计算机之间的通信是通过主板上的I/O总线并行传输。能实现的功能包含了数据链路层及物理层两个层次的功能。适配器作用
    CSMA/CD协议：载波监听多点接入/碰撞检测。在总线型网络中，不管在发送前，还是发送中，每个站必须不停检测信道，如果检测到有其他站在发送，自己就暂停。如果发生碰撞，其适配器就要停止发送，等待一段随机时间后再次发送。
    在使用该协议时，一个站不能同时进行发送和接接收，因为为半双工通信。、
    争用期：每个站在发送数据后再次收到此数据的消息（是否被碰撞）。一般是两倍的总线端到端的传播时延。
    以太网使用截断二进制指数退避算法确定碰撞后重传的时机：规定具体争用期时间是51.2μs。从离散的整数集合$[0,1,...,(2^k-1)]$中随机取一个数，重传应推后的时间是r倍的争用期，$k=Min[重传次数,10]$。当重传达16次仍不成功，就丢弃该帧，并向高层报告。帧间最小间隔为9.6μs，为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。
    以太网规定最短帧长64字节，即512bit，该数据长度如果能安全度过争用期，则后续传输也不会遇到冲突。因此，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突异常终止的无效帧。
    信道利用率：
    $a=\frac{\tau}{T_0}$，其中$\tau$表示单程端到端的时延，$T_0$表示帧发送时间。
    极限信道利用率：$S_{max}=\frac{T_0}{T_0+\tau}=\frac{1}{1+a}$
    MAC物理地址固化在适配器的ROM中的地址，物理地址实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。(48位)
    MAC帧
    因为编码是曼彻斯特编码，因此当电压转换就是在传输比特，当发送方不再发送数据，发送方网络适配器的接口上的电压就不再变换，这样接收方就很容易找到以太网帧的结束位置，因此没有帧结束定界符。
    当数据段长度小于46字节，MAC会在数据后面加入一个整数字节的填充字段，以保证MAC帧长不小于64字节。
    广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。
    网桥：一个局域网与另一个局域网之间建立连接的桥梁，可隔离冲突域。
    虽然网桥和集线器长得很像，但是网桥处理数据的对象是帧，所以它是工作在数据链路层的设备，中继器、放大器处理数据的对象是电气信号，所以它是工作在物理层的设备。
    交换式集线器，常称为以太网交换机或L2交换机。实质上是一个多接口的网桥。交换机的接口还有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。内部有帧交换表，通过自学习算法逐渐建立起来。