計算機網路要點（二）

物理層

電路交換和分組交換的區別

• 電路交換：在進行資料傳輸前，兩個結點之間必須先建立一條專用（雙方獨佔）的物理通訊路徑，該路徑可能經過許多中間節點。該線路在整個資料傳輸期間一直被獨佔，直到通訊結束後才被釋放。
  資料直接傳送，延遲小；線路獨佔，使用效率低，不便於進行差錯控制
• 報文交換：將使用者資料加上源地址、目的地址、校驗碼等輔助資訊，然後封裝成報文。整個報文先傳送到相鄰結點，全部儲存下來後查詢轉發表，轉發到下一個結點。
  較為充分利用線路容量，提供多目標服務，一個報文可以發往多個目的地址；儲存-轉發引起轉發時延，對報文大小沒限制，要求網路結點有較大的快取空間
• 分組交換也採用了儲存-轉發方式，但解決了報文交換中大報文傳輸的問題，它將大的資料塊劃分成合理的小資料塊，再加上一些必要的控制資訊（如源地址、目的地址、編號）構成分組Packet進行傳輸。
  分組的大小固定，緩衝易於管理，減少了出錯機率和重發資料量；需要傳輸額外的資訊量

分組交換的方式：

• 資料包（無連線）：當端系統要傳送一個報文時，在端系統中實現的高層協議先把報文拆分成若干個帶序號的資料單元，並在網路層加上地址等控制資訊後形成資料包分組。中間結點儲存分組一段很短的時間，找到最佳路由後，儘快轉發每個分組。不同的分組可以走不同的路徑，也可以按不同的順序到達目的結點
• 虛電路（面向連線）：虛電路試圖將資料包方式和電路交換方式結合起來，充分發揮兩種方式的優點。在分組傳送前，要求在傳送方和接收方建立一條邏輯上的虛電路，並且連線一旦建立，虛電路所對應的物理路徑就固定了。與電路交換類似，整個通訊過程分為三個階段：虛電路建立、資料傳輸、虛電路釋放

資料鏈路層

主要是加強物理層傳輸位元流的功能，將物理層提供的可能出錯的物理連線改造成為邏輯上無差錯的資料鏈路，使之對網路層表現為一條無差錯的鏈路。

• 流量控制：實際上就是限制傳送方的資料流量，使其傳送速率不致超過接收方的接受能力。
  流量控制並不是資料鏈路層所特有的功能，許多高層協議中也提供此功能，只不過控制的物件不同。資料鏈路層控制的是相鄰兩結點之間資料鏈路上的流量，而傳輸層控制的則是從源端到目的端之間的流量。
  常見的方式有停止-等待協議和滑動視窗協議

  • 停止-等待協議
    傳送方每傳送一幀，都要等待接收方的應答訊號，之後才傳送下一幀；接收方每接收一幀，都要反饋一個應答訊號，表示可接收下一幀，如果接收方不反饋應答訊號，則傳送方必須一直等待，因而傳輸效率很低。
  • 滑動視窗協議
    傳送方維持一組連續的允許傳送的幀的序號，稱為傳送視窗；接收方也維持一組連續的允許接收的幀的序號，稱為接收視窗。傳送視窗用來對傳送方進行流量控制，傳送視窗大小WT代表在沒有收到對方確認情況下傳送方最多還可以傳送的資料幀。同時，接收方的接收視窗可以控制接收哪些資料幀不可以接收哪些資料幀，落在接收視窗之外的資料幀一律丟棄。

  停止等待：傳送方每傳送一幀都要等待接收方的應答訊號才傳送下一幀。相當於傳送視窗大小=1，接收視窗大小=1
  後退N幀：傳送方一次可傳送N幀，接收方按序接收，重傳從最後一個確認開始。相當於傳送視窗大小>1，接收視窗大小=1
  選擇重傳：傳送方一次可傳送N幀，接收方可以不按序接收，僅重傳沒有確認的幀。相當於傳送視窗大小>1，接收視窗大小>1

• 差錯控制：使傳送方確定接收方是否正確收到了由它傳送的資料的方法
  通常利用編碼技術進行差錯控制，可分為檢錯編碼和糾錯編碼

  • 檢錯編碼
    奇偶校驗碼：由n-1位資訊元和1為校驗元組成，使碼長為n的碼字中‘1’的個數為奇數或偶數
    迴圈冗餘碼：給定一個m bit的幀，給定生成多項式G(x)的階為r，在幀的低位補r個0，將(m+r)位的幀模2除，得到的餘數即為冗餘碼(r位)，將原始幀+冗餘碼構成(m+r)位資料傳送出去
  • 糾錯編碼：海明碼

• 介質訪問控制(Medium Access Control, MAC)
  主要任務是為使用介質的每個結點隔離來自同一通道上其他結點所傳送的訊號，以協調活動結點的傳輸。
  用來決定廣播通道中通道分配的協議屬於資料鏈路層的一個子層，稱為介質訪問控制子層。
  介質訪問控制方法有：

  • 通道劃分
    將使用介質的每個裝置與來自同一通訊通道上的其它裝置的通訊隔離開來，把時域和頻域資源合理地分配給網路上的裝置。
    多路複用技術把多個訊號組合在一條物理通道上進行傳輸，使多個計算機或終端裝置共享通道資源，提高通道的利用率。
    分頻多工共享時間，但不共享空間；分時多工共享空間，但不共享時間
  • 隨機訪問
    所有使用者都可以根據自己的意願隨機地傳送資訊，佔用通道的全部速率，發生衝突碰撞時，每個使用者需按照一定的規則反覆重傳它的幀，直到該幀無碰撞地通過。
    核心思想是勝利者通過爭用獲得通道，從而獲得資訊的傳送權。
    • ALOHA協議
      純ALOHA協議是網路中的站點傳送資料後，在一段時間內沒有收到確認，則認為傳輸過程中發生了衝突，傳送站點隨機等待一段時間後重發，直到傳送成功。
      時隙ALOHA協議將時間劃分為一段段等長的時隙slot，規定只能在每個時隙開始時才能傳送一個幀，減少了資料發生衝突的可能性。
    • CSMA協議(Carrier Sense Multiple Access)
      ALOHA協議每個站點隨心所欲地傳送資料，發生碰撞的概率很大。載波偵聽多路訪問協議每個站點在傳送前先偵聽一下公用的通道，通道空閒再傳送。
    • CSMA/CD(with Collision Detection)
      工作流程：先聽後發，邊發邊聽，衝突停發，隨機重發。
      重發時間採用二進位制指數退避演算法，該演算法可使重傳需要推遲的時間隨重傳次數增大而增大，因而減小發生碰撞的機率。
    • CSMA/CA(with Collision Avoidance)
      CSMA/CD用於有線區域網，CSMA/CA用於無線區域網
      CSMA/CA的基本思想是在傳送資料時先廣播告知其它結點，讓其它結點在某段時間內不要傳送資料，以免出現碰撞。
  • 輪詢訪問
    使用者不能隨機傳送資訊，而是通過一個集中控制的監控站，以迴圈的方式輪詢每個結點，再決定通道的分配。當某結點使用通道時，其他結點都不能使用通道。典型的就是令牌傳遞協議，它主要使用在令牌環區域網中

• 區域網(LAN)
  在一個較小的地理範圍內將各種計算機、外部裝置和資料庫系統等通過雙絞線、同軸電纜等連線介質互相連線起來，組成資源和資訊共享的計算機網際網路絡。
  三種特殊的區域網拓撲實現：
  乙太網——邏輯拓撲為匯流排型結構
  令牌環——邏輯拓撲為環形結構
  FDDI(光纖分佈數字介面)——邏輯拓撲為環形結構
  乙太網中所有計算機共享一條匯流排，資訊以廣播方式傳送，為了保證資料通訊的方便性和可靠性，乙太網簡化了通訊流程並且使用CSMA/CD方式對匯流排進行訪問控制。

• 廣域網
  廣域網通常指覆蓋範圍很廣（遠遠超過一個城市的範圍）的長距離網路。廣域網是因特網的核心部分，任務是通過長距離運送主機所傳送的資料。
  廣域網由一些結點交換機以及連線這些交換機的鏈路組成。（注意：結點交換機在單個網路中轉發分組，而路由器在多個網路構成的網際網路中轉發分組）
  區域網的OSI層次為兩層（物理層和資料鏈路層），廣域網的OSI層次為三層（物理層、資料鏈路層、網路層）
  目前最常用的兩種廣域網資料鏈路層控制協議：
  PPP協議（Point-to-Point Protocol）：使用序列線路通訊的面向位元組的協議，應用在直接連線兩個結點的鏈路之上。設計目的是用來通過撥號或專線方式建立點對點連線傳送資料，使其成為各種主機、網橋和路由器之間簡單連線的一種共同的解決方案
  HDLC協議（High-level Data Link Control）是面向位元的資料鏈路層協議。不依賴於任何一種字元編碼集，全雙工通訊，所有幀採用CRC檢驗，對資訊幀進行編號，傳輸可靠性高

• 資料鏈路層裝置
  網橋：兩個或多個乙太網通過網橋連線起來之後，就稱為一個覆蓋範圍更大的乙太網，而原來的每個乙太網就可稱為一個網段，各網段相互獨立。網橋工作在鏈路層的MAC子層。
  區域網交換機：網橋的限制是在任意時刻只能執行一個幀的轉發操作，於是出現了區域網交換機，它是一個多埠的網橋。它的原理是檢測從以太埠來的資料幀的源和目的地的MAC地址，然後與系統內部的動態查詢表進行查詢，若資料幀的MAC地址不在查詢表中，則將該地址加入查詢表，並將資料幀傳送給相應的埠。