王道考研計算機網路第三章--資料鏈路層

功能一:為網路層提供服務。無確認無連線服務（通常用於實時通訊，原主機傳送資料幀前不需要與目的主機建立鏈路連線，而且目的主機收到資料幀後也不需要確認，如果幀丟失，資料鏈路層也不負責重發，直接交給上一層處理。這種服務是為了實時通訊更快。），有確認無連線服務（事前不需要建立連線，但是目的主機在收到資料時必須發回一個確認，原主機在規定時間內沒有收到目的主機的確認，原主機就會重新傳輸一次。適合無線通訊），有確認面向連線服務（最安全可靠，事先要建立連線，同時目的機接收到一個確認幀就要返回一個確認幀）。
功能二:鏈路管理，即連線的建立、維持、釋放(用於面向連線的服務)。
功能三:組幀。
功能四:流量控制。（告訴傳送方：你慢點發！接收方沒有能力接收啦！控制一下傳送方的速度。）
功能五:差錯控制(幀錯/位錯)。

3.2 封裝成幀和透明傳輸

3.2.1 封裝成幀

封裝成幀就是在一段資料的前後部分新增首部和尾部，這樣就構成了一個幀。接收端在收到物理層上交的位元流後，就能根據首部和尾部的標記，從收到的位元流中識別幀的開始和結束。

首部和尾部包含許多的控制資訊，他們的一個重要作用:幀定界(確定幀的界限)。

幀同步:接收方應當能從接收到的二進位制位元流中區分出幀的起始和終止。

組幀的四種方法: 1.字元計數法，2.字元(節)填充法，3.零位元填充法，4.違規編碼法。

3.2.2 透明傳輸

透明傳輸是指不管所傳資料是什麼樣的位元組合，都應當能夠在鏈路上傳送。因此，鏈路層就“看不見”有什麼妨礙資料傳輸的東西。（就是在鏈路層中你好像看不見，無論什麼樣的位元組合都能通過）

當所傳資料中的位元組合恰巧與某一個控制資訊完全一樣時，就必須採取適當的措施，使收方不會將這樣的資料誤認為是某種控制資訊。這樣才能保證資料鏈路層的傳輸是透明的。（如果出現了某種現象達不到透明傳輸，我們應該採取一種手段來實現透明傳輸）

小祕看不見自己要傳送的檔案內容是什麼，直接把檔案安全地送到對面就可以了。大Boss看到檔案安全地、完整地送到對面後感到很欣慰。就是因為小祕實現了透明傳輸。

3.2.3 透明傳輸在組幀上的應用

1 字元計數法

幀首部使用一個計數字段(第一個位元組，八位)來標明幀內字元數。

例如51234的第一個位元組是5，那麼就以5個位元組為一幀；87890123的第一個位元組是8，那麼就以8個位元組為一幀。
痛點：雞蛋裝在一個籃子裡了。假如第一個位元組的5發生錯誤變成了4，那麼後面全會出錯。字元計數法容易出錯，我們不常用。

2 字元填充法

1.當傳送的幀是由文字檔案組成時( 文字檔案的字元都是從鍵盤上輸入的，都是ASCII碼，不會與SOH和EOT的八位位元不會有重複) 。不管從鍵盤上輸入什麼字元都可以放在幀裡傳過去，即透明傳輸。

2.當傳送的幀是由非ASCII碼的文字檔案組成時(二進位制程式碼的程式或影像等)。
就要採用字元填充方法實現透明傳輸。（通過一種方法使得接收端在看到與EOT一樣組合時也當做資料正常接收直到遇到真的幀結束符）

當資料部分出現了與EOT一樣的位元組合，就會錯誤找到幀的邊界。

字元填充法理解：在原始資料基礎上進行字元填充，字元填充的過程就是在控制資訊的字元（SOH、EOT）前面加上轉義字元ESC，轉義字元也是一個位元組八位的位元組合。目的是告訴接收端不用管我轉義字元後面的內容是什麼，直到遇到真正的幀結束字元。如果資料中有需要傳輸的轉義字元，那也在前面加上轉義字元就行啦。

3 零位元填充法

和字元填充法的區別在於資料的和尾部的標誌符是一樣的。如果在傳輸資料時，也出現了和收尾一樣的位元組合，應該如何處理？歸納起來就是5 “1” 1 “0”

4 違規編碼法

我們知道曼徹斯特編碼中每一個碼元或者說每一個位元它所對應的電平要麼是高-低、要麼是低-高。不會出現高高、低低這兩種編碼方式。因此這兩種編碼方式就是違規的編碼方法。可以用“高高”，“低低”來定界幀的起始和終止。

由於位元組計數法中Count欄位的脆弱性(其值若有差錯將導致災難性後果)及字元填充實現上的複雜性和不相容性，目前較普遍使用的幀同步法是位元填充和違規編碼法。

3.3 差錯控制

3.3.1 檢錯編碼

1 差錯從何而來？

概括來說，傳輸中的差錯都是由於噪聲引起的。

全域性性：由於線路本身電氣特性所產生的隨機噪聲(熱噪聲)，是通道固有的，隨機存在的。

解決辦法:提高訊雜比來減少或避免干擾。(比如對感測器下手)

區域性性：外界特定的短暫原因所造成的衝擊噪聲，是產生差錯的主要原因。

解決辦法:通常利用編碼技術來解決。

差錯分類：

如果在鏈路層傳輸時發生了差錯並且需要改正，改正錯誤的任務就需要交給上層協議，對於通訊質量比較差的無線傳輸鏈路，鏈路層協議就會採用確認和重傳機制，資料鏈路層就要向上提供一個可靠傳輸的服務（也就是有確認無連線服務，有確認面向連線服務）。

2 資料鏈路層的差錯控制

假如一個幀資料在上面這條鏈路上發生了位錯，因為路由器在鏈路層上，所以幀資料在經過路由器的時候就可以檢測出來。

編碼VS編碼

資料鏈路層編碼和物理層的資料編碼與調製不同。物理層編碼針對的是單個位元，解決傳輸過程中位元的同步等問題，如曼徹斯特編碼。而資料鏈路層的編碼針對的是一組位元，它通過冗餘碼的技術實現一組二進位制位元串在傳輸過程是否出現了差錯。

冗餘編碼

在資料傳送之前，先按某種關係附加上一定的冗餘位，構成一個符合某一規則的碼字後再傳送。當要傳送的有效資料變化時，相應的冗餘位也隨之變化，使碼字遵從不變的規則。接收端根據收到碼字是否仍符合原規則，從而判斷是否出錯。
冗餘編碼就相當於盒子上寫的“6本”的附加資訊。

3 檢錯編碼--奇偶校驗碼

x為1位校驗元，後面為n-1位資訊元。

例題：

分析：採用奇校驗，所以在1100101前面加個校驗元：1，使得ASCII碼變成11100101，這樣就有5個1為奇數。接收方收到D答案時，也是5個1為奇數，就無法判斷是否發生錯誤。而ABC都是4個1為偶數，可以判斷一定發生錯誤。因此這道題選D。

奇偶校驗碼特點:

只能檢查出奇數個位元錯誤，檢錯能力為50%。（比如對於1100101，採用奇校驗後，變成11100101有5個1為奇數。如果發生1位差錯：1變成0，那麼變成4個1為偶數；或者0變成1，那麼變成6個1也為偶數。而發生兩位錯誤：最後的01變成10，那麼還是5個1為奇數，無法判斷是否出錯。所以只能檢查出奇數個位元發生的錯誤。）

4 檢錯編碼--CRC迴圈冗餘碼

在資料鏈路層僅僅使用迴圈冗餘檢驗CRC差錯檢測技術，只能做到對幀的無差錯接收，即“凡是接收端資料鏈路層接受的幀，我們都能以非常接近於1的概率認為這些幀在傳輸過程中沒有產生差錯”。接收端丟棄的幀雖然曾收到了，但是最終還是因為有差錯被丟棄。“ 凡是接收端資料鏈路層接收的幀均無差錯”。

“可靠傳輸”：資料鏈路層傳送端傳送什麼，接收端就收到什麼。

鏈路層使用CRC檢驗，能夠實現無位元差錯的傳輸，但這還不是可靠傳輸（因為出錯的幀被丟棄了）。

3.3.2 糾錯編碼

1 海明碼

海明碼:發現雙位元錯，糾正單位元錯。（記住即可，這裡不展開講）

工作原理：動一發而牽全身

假如要傳送一個四位資訊，按照前面學的，我們會加上校驗碼或者冗餘碼。這幾個校驗碼很厲害，不光可以校驗自身位元位，還可以校驗其他位元位。所以有的資料會同時被幾個校驗碼校驗。假如在接收端，被同時校驗的位元位發生了差錯（比如0變成了1），就會對其他校驗碼產生影響。（一個資料錯誤會，很多校驗碼都會察覺出來，這些校驗碼會互相通氣，究竟是哪個資料發生了錯誤。）

第一步--確定校驗碼位數r

r為新增的校驗碼或者冗餘碼的位數，k就是原始資訊的位數

要傳送的資料: D=101101

資料的位數k=6,
滿足不等式的最小r為4，
也就是D=101101的海明碼應該有6+4=10位，
其中原資料6位，效驗碼4位。

第二步--確定校驗碼和資料的位置

D=101101

假設這4位校驗碼分別為P1、P2、P3、P4（校驗碼只能放在2的幾次方的位置，比如1、2、4、8...）;資料從左到右為D1、D2、.....、D6（按序把空填滿）。

第三步--求出校驗碼的值

第四步：檢錯並糾錯

2 腦圖時刻

3.4 流量控制與可靠傳輸機制

3.4.1 流量控制、可靠傳輸與滑動視窗機制

1 資料鏈路層的流量控制

較高的傳送速度和較低的接收能力的不匹配，會造成傳輸出錯，因此流量控制也是資料鏈路層的一項重要工作。

資料鏈路層與傳輸層流量控制的區別：

資料鏈路層的流量控制是點對點的（相鄰節點之間），而傳輸層的流量控制是端到端的（主機之間）。
資料鏈路層流量控制手段:接收方收不下就不回覆確認。傳輸層流量控制手段:接收端給傳送端一一個視窗公告。

2 流量控制的方法

停止等待協議：效率比較低，需要等待對方確認。滑動視窗協議：收到確認後才移動視窗，但一次可以傳送多個幀。

停止-等待協議：傳送視窗大小=1，接收視窗大小=1;
後退N幀協議(GBN )：傳送視窗大小>1，接收視窗大小=1;
選擇重傳協議(SR)：傳送視窗大小>1，接收視窗大小>1。

3 可靠傳輸、滑動視窗、流量控制

可靠傳輸:傳送端發啥，接收端收啥。
流量控制:控制傳送速率，使接收方有足夠的緩衝空間來接收每一個幀。

滑動視窗解決：

流量控制(收不下就不給確認，想發也發不了)
可靠傳輸(傳送方自動重傳)：傳送方到了時間還沒收到確認，就會重傳一次。

4 腦圖時刻

3.4.2 停止-等待協議

1 停止-等待協議

1.為什麼要有停止-等待協議?

除了位元出差錯，底層通道還會出現丟包問題。為了實現流量控制。
丟包:物理線路故障、裝置故障、病毒攻擊、路由資訊錯誤等原因，會導致資料包的丟失。

2.研究停等協議的前提?

雖然現在常用全雙工通訊方式，但為了討論問題方便，僅考慮一方傳送資料(傳送方)，一方接收資料(接收方)。
因為是在討論可靠傳輸的原理，所以並不考慮資料是在哪一個層次上傳送的。
“停止等待”就是每傳送完一個分組就停止傳送，等待對方確認，在收到確認後再傳送下一個分組。

3.停等協議有幾種應用情況?

無差錯情況&有差錯情況

2 停等協議——無差錯情況

1.資料幀丟失或檢測到幀出錯

2.ACK（確認幀）丟失

3.ACK（確認幀）遲到

3 停等協議效能分析

優點:簡單！；缺點：通道利用率太低！

確認幀只包含控制資訊，不包含資料，所以它的寬度窄。

TD：傳送方傳送一個資料幀的傳送時延；RTT：往返時延；TA：確認幀的傳送時延

4 通道利用率

5 腦圖時刻

3.4.3 後退N幀協議(GBN)

1 停等協議的弊端

1.必須增加序號範圍：傳送當中的資料幀必須有一個唯一的序號，三組資料幀當中，三組的序號都是不同的，這樣接收方才可以返回每組對應的幀。

2.傳送方需要快取多個分組：傳輸過程中非常容易出現幀丟失的情況，比如0、1、2號幀傳輸，1和2號幀都傳送了丟失。所以傳送方需要增加快取空間，以保證傳送的幀都可以在快取空間裡面有備份。

針對這兩種弊端，有後退N幀協議和選擇重傳協議兩種方案解決。

2 後退N幀協議中的滑動視窗

GBN協議中接收視窗只有一個，而SR協議中接收視窗有多個。GBN協議傳送視窗有多個，當收到確認幀時就向前移動一個格子。舉例：0號幀傳送時，1—5號幀可以傳送也可以不傳送。當0號視窗收到ACK0時，就可以向前移動一個格子。

3 GBN傳送方必須響應的三件事

1.上層的呼叫
網路層要給資料鏈路層傳送資料時，傳送方先檢查傳送視窗是否已滿，如果未滿，則產生一個幀並將其傳送;如果視窗已滿，傳送方只需將資料返回給上層，暗示上層視窗已滿。上層等一會再傳送。(實際實現中，傳送方可以快取這些資料，視窗不滿時再傳送幀)。

2.收到了一個ACK
GBN協議中，對n號幀的確認採用累積確認（收到了n號幀以及n號幀前面的所有幀。這個只和接收方傳送的確認幀有關，而傳送方接收確認幀和這個沒關係，因為確認幀可能會遲到）的方式，標明接收方已經收到n號幀和它之前的全部幀。

3.超時事件
協議的名字為後退N幀/回退N幀，來源於出現丟失和時延過長幀時傳送方的行為。就像在停等協議中一樣,定時器將再次用於恢復資料幀或確認幀的丟失。如果出現超時，傳送方重傳所有已傳送但未被確認的幀。

4 GBN接收方要做的事

如果正確收到n號幀，並且按序，那麼接收方為n幀傳送一個ACK，並將該幀中
的資料部分交付給上層（第一章講到的解封裝的過程，把資料部分交給網路層）。

5 執行中的GBN

類似吃漢堡的時候，要一層一層的吃。

6 滑動視窗長度

因為2個位元位最多隻能編號4個幀。如果四個視窗的幀全部丟失，那麼第二遍傳送幀時的編號就和第一遍的編號重複了。

7 GBN協議重點總結

1.累積確認(偶爾捎帶確認)
2.接收方只按順序接收幀，不按序無情丟棄
3.確認序列號最大的、按序到達的幀
4.傳送視窗最大為2”-1，接收視窗大小為1

8 習題

、

沒有收到1號幀的確認是因為確認幀可能遲到。看最大確認幀即可。

9 GBN協議效能分析

優點：因連續傳送資料幀而提高了通道利用率
缺點：在重傳時必須把原來已經正確傳送的資料幀重傳，使得傳送效率降低。為了解決這個問題，有選擇重傳協議。

10 腦圖時刻

3.4.4 選擇重傳協議(SR)

1 GBN協議的弊端

弊端：累積確認導致一出現問題就需要批量重傳（超時才能發現問題）。

解決方法：設定單個確認，同時加大接收視窗，設定接收快取，快取亂序到達的幀。

2 選擇重傳協議中的滑動視窗

3 SR傳送方必須響應的三件事

1.上層的呼叫
從上層收到資料後，SR傳送方檢查下一個可用於該幀的序號，如果序號位於傳送視窗內，則傳送資料幀;否則就像GBN一樣，要麼將資料快取，要麼返回給上層之後再傳輸。

2.收到了一個ACK
如果收到ACK，加入該幀序號在視窗內，則SR傳送方將那個被確認的幀標記為已接收。如果該幀序號是視窗的下界(最左邊第一個視窗對應的序號)，則視窗向前移動到具有最小序號的未確認幀處。如果視窗移動了並且有序號在視窗內的未傳送幀，則傳送這些幀。

3.超時事件
每個幀都有自己的定時器，一個超時事件發生後只重傳一個幀（後面結合例子講解）。

4 SR接收方要做的事

來者不拒( 視窗內的幀)
SR接收方將確認一個正確接收的幀而不管其是否按序。失序的幀將被快取，並
返回給傳送方一個該幀的確認幀[收誰確認誰]，直到所有幀(即序號更小的幀)皆被收到為止，這時才可以將一批幀按序交付給上層，然後向前移動滑動視窗。

舉例：5號幀還沒收到，6號7號已經收到了，那麼先把67號快取起來。等5號幀收到收到後，567號幀就一起交付給網路層了，視窗就向前移動。

1.5號幀還沒收到

2.5號幀收到了

3.5號幀（視窗下屆幀）收到後視窗才可以向前移動

4.如果收到了視窗序號外的幀（比如現在還收到了5號幀），就返回一個ACK，因為接收方上次傳送的ACK可能丟失了，傳送方沒收到ACK於是重新發了一次5號幀。其他情況，就忽略該幀。

5 執行中的SR

6 滑動視窗長度

T：傳送方；R：接收方

7 SR協議重點總結

8 習題

9 腦圖時刻

3.5 介質訪問控制

3.5.1 通道劃分介質訪問控制

1 傳輸資料使用的兩種鏈路

點對點鏈路：

兩個相鄰節點通過一個鏈路相連，沒有第三者。
應用: PPP協議，常用於廣域網。

廣播式鏈路：

所有主機共享通訊介質。
應用:早期的匯流排乙太網、無線區域網，常用於區域網（比如村子裡廣播，大家都聽得到）。
典型拓撲結構:匯流排型、星型(邏輯匯流排型)
匯流排型：主機都在一條線上，A主機傳送的資訊，會到達B、C等所有主機。各主機會檢視資訊的目的地址是否是自己的，如果是自己的就接收，不是自己的就丟棄。缺點是：假如A和B之間鏈路出現問題，那麼後面都無法傳輸。
星型：中間就是集線器，A傳送資訊還是會傳輸到集線器的所有埠（所以說是邏輯匯流排型）。各主機會檢視資訊的目的地址是否是自己的，如果是自己的就接收，不是自己的就丟棄。優點是：其中一條鏈路斷了沒關係，其他鏈路照樣可以正常工作。
A對講機在講話的同時，B對講機可能也會講話，這樣就會發生相互干擾，如何解決這個問題呢？可以用介質訪問控制。

2 介質訪問控制

介質訪問控制的內容就是，採取一定的措施，使得兩對節點之間的通訊不會發生互相干擾的情況。

CSMA/CD和CSMA/CA是非常重要的兩個協議！

3 多路複用技術

通道劃分介質訪問控制:將使用介質的每個裝置與來自同一通道上的其他裝置的通訊隔離開，把時域和頻域資源合理地分配給網路上的裝置。

每兩對主機之間傳輸資訊：

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，使得多個計算機或終端裝置共享通道資源，提高通道利用率。

採用複用器，把資訊從三個通道放在一個通道上傳輸。
把一條廣播通道，邏輯上分成幾條用於兩個節點之間通訊的互不干擾的子通道，實際就是把廣播通道轉變為點對點通道。（多個資訊雖然是在一條通道上傳輸，類似廣播通道。但是每個資訊又是互不干擾的，這就是點對點通道。）

4 頻分多路複用FDM

使用者在分配到一定的頻帶後，在通訊過程中自始至終都佔用這個頻帶。分頻多工的所有使用者在同樣的時間佔用不同的頻寬(頻率頻寬)資源。所以互不影響！

優點：充分利用傳輸介質頻寬，系統效率較高;由於技術比較成熟，實現也比較容易。

5 時分多路複用TDM

將時間劃分為一段段等長的分時多工幀(TDM幀)。每一個分時多工的使用者在每一個TDM幀中佔用固定序號的時隙，所有使用者輪流佔用通道。

分頻多工類似作業系統的“並行”；分時多工類似作業系統的“併發”。

假如A、B、C主機都休息了，只有D主機在傳送資訊，那麼ABC的時隙就浪費了。於是有了改進的分時多工。

6 改進的分時多工——統計分時多工STDM

每一個STDM幀中的時隙數小於連線在集中器上的使用者數。各使用者有了資料就隨時發往集中器的輸入快取，然後集中器按順序依次掃描輸入快取，把快取中的輸入資料放入STDM幀中，一個STDM幀滿了就發出。STDM幀不是固定分配時隙，而是按需動態分配時隙。

7 波分多路複用WDM

波分多路複用就是光的頻分多路複用，在一根光纖中傳輸多種不同波長(頻率) 的光訊號，由於波長(頻率)不同，所以各路光訊號互不干擾，最後再用波長分解複用器將各路波長分解出來。

8 碼分多路複用CDM

分碼多重進接（CDMA）是碼分複用的一種方式

1個位元分為多個碼片/晶片(chip) ，每一個站點被指定一個唯一的m位（通常為64位或128位）的晶片序列。傳送1時站點傳送晶片序列，傳送0時傳送晶片序列反碼(通常把0寫成-1)。

假如A要傳送的資料是10，1位元對應晶片序列+1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 -1（為了方便這裡只寫8位）。那麼0位元對應晶片序列反碼-1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1。

如何不打架（同時傳送）:多個站點同時傳送資料的時候，要求各個站點晶片序列相互正交。即A的第一個位元位的晶片序列與B的第一個位元位的晶片序列正交結果為0，就可以同時傳送。

如何合併:各路資料在通道中被線性相加。A的第一個位元位的晶片序列與B的第一個位元位的晶片序列相加的向量。

如何分離:合併的資料和源站規格化內積。如果用A的序列與合併的資料規格化內積結果是1，那麼A的資料就是1；結果是-1，那麼A的資料就是0。

9 CD還是CS？

3.5.2 隨機訪問介質訪問控制-ALOHA協議（非重點）

1 純ALOHA協議

純ALOHA協議思想:不監聽通道，不按時間槽傳送，隨機重發。想發就發

衝突如何檢測?
如果發生衝突，接收方在就會檢測出差錯，然後不予確認，傳送方在一定時間內收不到就判斷髮生衝突。

衝突如何解決?
超時後等一隨機時間再重傳。

2 時隙ALOHA協議

時隙ALOHA協議的思想:把時間分成若干個相同的時間片，所有使用者在時間片開始時刻同步接入網路通道，若發生衝突，則必須等到下一個時間片開始時刻再送。控制想發就發的隨意性

理解：類似每個人都需要整點出發，不允許在其他時間出發。這樣只可能在整點出現衝突。

3 關於ALOHA要知道的事

1.純ALOHA比時隙ALOHA吞吐量更低，效率更低。

2.純ALOHA想發就發，時隙ALOHA只有在時間片段開始時才能發。

3.5.3 隨機訪問介質訪問控制-CSMA協議

ALOHA協議：不聽別人說就自己想說就說；CSMA協議：先聽別人說再自己說。

1 CSMA協議內容

載波監聽多路訪問協議CSMA (carrier sense multiple access)

CS:載波偵聽/監聽（carrier：載體；sense：感覺、檢測），每一個站在傳送資料之前要檢測一下匯流排上是否有其他計算機在傳送資料。

當幾個站同時在匯流排上傳送資料時，匯流排上的訊號電壓擺動值將會增大( 互相疊加)。當一個站檢測到的訊號電壓擺動值超過一定門限值時，就認為匯流排上至少有兩個站同時在傳送資料，表明產生了碰撞，即發生了衝突。

MA:多點接入，表示許多計算機以多點接入的方式連線在一根匯流排上。

協議思想:傳送幀之前，監聽通道。

2 1-堅持CSMA

堅持指的是對於監聽通道忙之後的堅持。

1-堅持CSMA思想:如果一個主機要傳送訊息，那麼它先監聽通道。

空閒則直接傳輸，不必等待。
忙則一直監聽，直到空閒馬上傳輸。
如果傳輸後有衝突(一段時間內未收到肯定回覆)，則等待一個隨機長的時間再監聽，重複上述過程。

優點：只要媒體空閒，站點就馬上傳送，避免了媒體利用率（通道的利用程度）的損失。

缺點：假如有兩個或兩個以上的站點有資料要傳送，衝突就不可避免。

3 非堅持CSMA

非堅持指的是對於監聽通道忙之後就不繼續監聽。

非堅持CSMA思想:

如果一個主機要傳送訊息，那麼它先監聽通道。
空閒則直接傳輸，不必等待。
忙則等待一個隨機的時間之後再進行監聽。

優點:採用隨機的重發延遲時間可以減少衝突發生的可能性。

缺點:可能存在大家都在延遲等待過程中，使得媒體仍可能處於空閒狀態，媒體使用率降低。

4 p-堅持CSMA

p-堅持指的是對於監聽通道空閒的處理。

p-堅持CSMA思想:

如果一個主機要傳送訊息，那麼它先監聽通道。
空閒則以p概率直接傳輸，不必等待;概率1-p等待到下一個時間槽再傳輸。
忙則等待一個隨機的時間之後再進行監聽。

優點:既能像非堅持演算法那樣減少衝突，又能像1-堅持演算法那樣減少媒體空閒時間的這種方案。

缺點：發生衝突後還是要堅持把資料幀傳送完，造成了浪費。有沒有什麼辦法可
以減少資源浪費，衝突就能發現呢?有——CSMA/CD協議！

5 三種CSMA對比總結

舉例喝奶茶：

1-堅持的人：超想喝!到我了就買，沒到我就排隊等!
非堅持的人：不急喝。到我了就買，沒到我就一會再來。
p-堅持的人：隨性喝。到我了按概率買（可能買也可能不買），沒到就一會再來。

3.5.4 隨機訪問介質訪問控制-CSMA/CD協議

1 CSMA/CD協議內容

載波監聽多點接入/碰撞檢測CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection)

CS:載波偵聽/監聽，每一個站在傳送資料之前以及傳送資料時都要檢測一下匯流排上是否有其他計算機在傳送資料。

MA:多點接入，表示許多計算機以多點接入的方式連線在一根匯流排上。匯流排型網路

CD:碰撞檢測(collision：衝突；detection：檢測)，“ 邊傳送邊監聽”，介面卡邊傳送資料邊檢測通道上訊號電壓的變化情況，以便判斷自己在傳送資料時其他站是否也在傳送資料。半雙工網路（對講機）

先聽後發為什麼還會衝突?因為電磁波在匯流排上總是以有限的速率傳播的（有傳播時延）。

2 傳播時延對載波監聽的影響

B剛出門就發生了碰撞：最遲發生碰撞的傳播時延2τ。

3 如何確定碰撞後的重傳時機？

例:在乙太網的二進位制回退演算法中，在11次碰撞之後，站點會在0~ (? )之間選擇一個隨機數。

k=min[11,10]=10; 2^10-1=1023; 故站點會在0~1023之間選擇一個隨機數。

4 最小幀長問題

幀的傳輸時延至少要兩倍於訊號在匯流排中的傳播時延。

乙太網規定最短幀長為64B（位元組），凡是長度小於64B的都是由於衝突而異常終止的無效幀。

5腦圖時刻

3.5.5 隨機訪問介質訪問控制-CSMA/CA協議（非重點）

1 CSMA/CA協議內容

載波監聽多點接入/碰撞避免CSMA/CA (carrier sense multiple access with collision avoidance)

為什麼要有CSMA/CA?——>無線區域網。而CSMA/CD只能應用於匯流排型乙太網。

無線區域網不能使用CSMA/CD的原因：1、無法做到360°全面檢測碰撞；2、隱蔽站：當A和C都檢測不到訊號，認為通道空閒時，同時向終端B傳送資料幀，就會導致衝突。（當A向B傳送資料時，C不知道，於是C也向B傳送資料，此時C就叫做隱蔽站）

CSMA/CA非常有禮貌：不光是先聽後發，而且傳送每一個資料之前都先等一會兒，如果沒人搶話再說話。

2 CSMA/CA協議工作原理

3 CSMA/CD與CSMA/CA

相同點:

CSMA/CD與CSMA/CA機制都從屬於CSMA的思路，其核心是先聽再說。換言之，兩個在接入通道之前都須要進行監聽。當發現通道空閒後，才能進行接入。

不同點:

傳輸介質不同: CSMA/CD 用於匯流排式乙太網[有線]，而CSMA/CA用於無線區域網[無線]。
載波檢測方式不同:因傳輸介質不同，CSMA/CD 與CSMA/CA的檢測方式也不同。CSMA/CD通過電纜中電壓的變化來檢測，當資料發生碰撞時，電纜中的電壓就會隨著發生變化;而CSMA/CA採用能量檢測(ED)、載波檢測(CS) 和能量載波混合檢測三種檢測通道空閒的方式。
CSMA/CD檢測衝突，CSMA/CA避免衝突，二者出現衝突後都會進行有上限的重傳。

3.5.6 輪詢訪問介質訪問控制

1 介質訪問控制回顧

2 輪詢訪問介質訪問控制——輪詢協議（非重點）

主結點輪流“邀請”從屬結點傳送資料。

主結點主機輪流詢問從屬結點主機要不要傳送資料，所有結點主機問完一遍以後再重複詢問...
詢問的過程其實就是傳送一個資料幀，用來實現詢問的作用。

問題:

1.輪詢開銷（從屬結點多的話開銷多）
2.等待延遲（如果前三個主機都不傳送資料，第四臺傳送資料。還是要等詢問完前三個才詢問第四個。）
3.單點故障（如果主結點主機當機，其他從屬結點主機也發不了資料了。解決方法：備用主機）

3 輪詢訪問介質訪問控制——令牌傳遞協議

TCU：傳遞資料幀時的一個轉發介面，它可以傳遞所有經過的幀，為接入站傳送和接收資料提供介面。

令牌:

一個特殊格式的MAC控制幀，不含任何資訊。控制通道的使用，確保同一時刻只有一個結點獨佔通道。
令牌環網無碰撞
每個結點都可以在一定的時間內(令牌持有時間)獲得傳送資料的權利，並不是無限制地持有令牌。

問題:

1.令牌開銷
2.等待延遲
3.單點故障（有一個發生當機就無法通訊，如果發生當機，用替代機解決）

應用於令牌環網(物理上是星型拓撲，邏輯上是環形拓撲)。

採用令牌傳送方式的網路常用於負載較重、通訊量較大的網路中。

4 MAC協議總結

3.6 區域網

3.6.1 區域網基本概念和體系結構

1 區域網內容

區域網( Local Area Network) :簡稱LAN,是指在某一區域內由多臺計算機互聯成的計算機組，使用廣播通道。

特點1:覆蓋的地理範圍較小，只在一個相對獨立的區域性範圍內聯，如一座或集中的建築群內。
特點2:使用專門鋪設的傳輸介質(雙絞線、同軸電纜)進行聯網，資料傳輸速率高( 10Mb/s ~ 10Gb/s)。
特點3:通訊延遲時間短，誤位元速率低，可靠性較高。
特點4:各站為平等關係，共享傳輸通道。
特點5:多采用分散式控制和廣播式通訊，能進行廣播和組播。

決定區域網的主要要素為:網路拓撲，傳輸介質與介質訪問控制方法。

2 區域網拓撲結構

匯流排型拓撲結構比較好，乙太網就是邏輯上的匯流排型拓撲結構。

3 區域網傳輸介質

4 區域網介質訪問控制方法

1.CSMA/CD

常用於匯流排型區域網，也用於樹型網路

2.令牌匯流排（令牌傳遞協議）

常用於匯流排型區域網，也用於樹型網路
它是把匯流排型或樹型網路中的各個工作站按一定順序如按介面地址大小排列形成一個邏輯環。只有令牌持有者才能控制匯流排，才有傳送資訊的權力。

3.令牌環（令牌傳遞協議）

用於環形區域網，如令牌環網（邏輯環型，物理星型，物理和邏輯不一定一樣）

5 區域網的分類

1.乙太網

乙太網是應用最為廣泛的區域網，包括標準乙太網(10Mbps) 、快速乙太網( 100Mbps)、千兆乙太網( 1000 Mbps)和10G乙太網，它們都符合IEEE802.3系列標準規範。邏輯拓撲匯流排型，物理拓撲是星型或擴充星型。使用CSMA/CD.

2.令牌環網

物理上採用了星形拓撲結構，邏輯上是環形拓撲結構。已是“明日黃花”。因為有一個節點發生當機，整個環就無法通訊，所以造價比較高。

3.FDDI網(Fiber Distributed Data Interface )（瞭解即可）

物理上採用了雙環拓撲結構，邏輯上是環形拓撲結構。

4.ATM網(Asynchronous Transfer Mode)（瞭解即可）

較新型的單元交換技術,使用53位元組固定長度的單元進行交換。

5.無線區域網(Wireless Local Area Network; WLAN)

採用ІЕЕЕ802.11標準。

6 IEEE802標準

IEEE802系列標準是IEEE802LAN/MAN標準委員會制定的區域網、都會網路技術標準(1980年2月成立)。其中最廣泛使用的有乙太網、令牌環、無線區域網等。這一系列標準中的每一個子標準都由委員會中的一個專門工作組負責。

IEEE802現有標準（列舉目前需要知道的）

IEEE 802.3：乙太網介質訪問控制協議(CSMA/CD) 及物理層技術規範。
IEEE 802.5：令牌環網（Token-Ring)的介質訪問控制協議及物理層技術規範。（令牌環有單點故障，嗚嗚嗚555）
IEEE 802.8：光纖技術諮詢組，提供有關光纖聯網的技術諮詢。（記：光纖貴，有錢：發發發888）
IEEE 802.11：無線區域網（WLAN）的介質訪問控制協議及物理層技術規範。

7 MAC子層和LLC子層

MAC子層是與物理層相關的，LLC子層是與網路層相關的。

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3.6.2 乙太網

1 乙太網概述

乙太網(Ethernet)指的是由Xerox公司建立並由XerOX、Intel和DEC公司聯合開發的基帶匯流排（匯流排型）區域網規範，是當今現有區域網採用的最通用的通訊協議標準。乙太網路使用CSMA/CD ( 載波監聽多路訪問及衝突檢測)技術。

只要是使用CSMA/CD協議的區域網就是乙太網。

乙太網在區域網各種技術中佔統治性地位:

1.造價低廉(乙太網網路卡不到100塊) ;
2.是應用最廣泛的區域網技術;
3.比令牌環網、ATM網便宜，簡單;
4.滿足網路速率要求: 10Mb/s~10Gb/s.

乙太網兩個標準

DIX Ethernet V2:第一個區域網產品(乙太網)規約。
IEEE 802.3: IEEE 802委員會802.3工作組制定的第一個IEEE的乙太網標準。( 幀格式有一丟丟改動)（也可以說802.3區域網等價於乙太網）

2 乙太網提供無連線、不可靠的服務

無連線:傳送方和接收方之間無“握手過程”。

不可靠:不對傳送方的資料幀編號，接收方不向傳送方進行確認，差錯幀直接丟棄，差錯糾正由高層（傳輸層）負責。

總結乙太網：乙太網只實現無差錯接收（負責物理層和鏈路層之間），不實現可靠傳輸。

3 乙太網傳輸介質與拓撲結構的發展

4 10BASE-T乙太網（常考）

5 介面卡與MAC地址

計算機與外界有區域網的連線是通過通訊介面卡的。

網路介皮膚
網路介面卡NIC (network interface card)（我們常說的網路卡）
NOW,不再使用單獨網路卡。（現在的計算機主機板上都已經嵌入了介面卡，不會再單獨使用網路卡了）
介面卡上裝有處理器和儲存器(包括RAM：隨機儲存器和ROM：只讀儲存器)。
ROM上有計算機硬體地址：MAC地址。（資料鏈路層上標識每一個裝置的識別符號）

在區域網中，硬體地址又稱為實體地址，或MAC地址。[ 實際上是識別符號]

MAC地址:每個介面卡有一個全球唯一的48位二進位制地址，前24位代表廠家(由IEEE規定)，後24位廠家自己指定。常用6個十六進位制數表示，如02-60-8c-e4-b1-21。

6 乙太網MAC幀

第一章講過，在鏈路層對資料包進行封裝，封裝的過程需要加頭加尾（頭：目的地址，源地址，型別；尾：FCS）。為了使接收端可以迅速實現位的同步（傳送方和接收方能夠保持傳送和接收的同步），則需要從MAC層傳到物理層的前面插入8B的前導碼。幀開始定界符最後面的11就是傳送方告訴接收方可以開始接收我的MAC幀了。

MAC層：目的地址（接收方的地址：單播地址；廣播地址全1，傳送給全部主機；多播地址），源地址，型別（指明網路層使用的協議，以便把收到的MAC幀的資料上交給上一層的協議），資料（長度46B~1500B，CSMA/CD協議的時候提過最小幀長，乙太網最小幀長是64B，64-6-6-2-4=46），FCS（CRC迴圈冗餘檢驗中的4B的序列，詳見那一章節）。

物理層：物理層中為什麼頭部插入8B前導碼中有一個幀開始定界符，而後面卻沒有幀結束定界符呢？因為乙太網使用的編碼形式是曼徹斯特編碼，曼徹斯特編碼的一個特點就是在每一個位元內都會有兩個碼元，所以只要傳送資料就能感受電壓的變化，不發資料的時候電壓就不會變化，這樣我們就能知道乙太網幀結束的位置，於是在結束位置再向前推四個位元組就能知道資料結束的位置。

7 高速乙太網

速率2100Mb/s的乙太網稱為高速乙太網。

1.100BASE-T乙太網

在雙絞線（T）上傳送100Mb/s（100B）基帶訊號的星型拓撲乙太網，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD協議。因為在100BASE-T中還是會傳送衝突。
支援全雙工和半雙工，可在全雙工方式下工作而無衝突。（星型拓撲結構的中心節點變成了交換機，每一臺主機都可以傳送，傳送的同時可以接收。因為交換機後面會講到可以隔離衝突域，所以每一個交換機的埠都是一個衝突域，因此一個主機在一個衝突域中不會發生衝突，所以在全雙工下無衝突也就不需要使用CSMA/CD協議。）

2.吉位元乙太網

在光纖或雙絞線上傳送1Gb/s訊號。
支援全雙工和半雙工，可在全雙工方式下工作而無衝突。

3.10吉位元

10吉位元乙太網在光纖.上傳送10Gb/s訊號。
只支援全雙工，無爭用問題。

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3.6.3 無線區域網

1 IEEE 802.11

IEEE 802.11是無線區域網通用的標準，它是由IEEE所定義的無線網路通訊的標準。

無線區域網（幾千米）覆蓋的範圍要比WIFI（一間屋子）大得多，滿足b和g定義的標準就是WIFI。

2 802.11的MAC幀頭格式

先引入基站的概念：A手機和B手機進行通訊，A手機附近有一個基站（AP1，AP是無線接入點即基站），B手機附近有一個基站（AP2）。

目的地址：B的MAC地址；原地址：A的MAC地址；RA可以理解為AP2基站，AP2的MAC地址；TA理解為AP1基站，AP1的MAC地址。

3 802.11的MAC幀頭格式

To AP :發往基站，那麼地址1接收端就是BSSID（基站的地址，BSS指基站的基本服務集），因為你要傳送給基站，那麼接收端就是該基站的地址。地址2傳送端就是SA（源地址，即傳送端的地址）。

4 無線區域網的分類

1.有固定基礎設施無線區域網

2.無固定基礎設施無線區域網的自組織網路

5 有固定基礎設施無線區域網

幾個基本服務集組成了擴充套件服務集

連WIFI的時候，每一個WIFI都是一個基本服務集（基站、無線接入點），WIFI名就是服務集識別符號。

6 無固定基礎設施無線區域網的自組織網路（基本不考）

只有一些主機，他們自己組成了一個網路，每一臺主機都可以充當路由器的功能，也就是既可以傳送資料，也可以幫忙轉發資料。方法：把所有主機安排在一個網段就可以了。

3.7 廣域網PPP協議和HDLC協議

3.7.1 廣域網

廣域網(WAN，Wide Area Network)，通常跨接很大的物理範圍，所覆蓋的範圍從幾十公里到幾千公里，它能連線多個城市或國家，或橫跨幾個洲並能提供遠距離通訊，形成國際性的遠端網路。

廣域網的通訊子網主要使用分組交換技術。廣域網的通訊子網可以利用公用分組交換網、衛星通訊網和無線分組交換網，它將分佈在不同地區的區域網或計算機系統互連起來，達到資源共享的目的。如因特網(Internet)是世界範圍內最大的廣域網。

廣域網與區域網區別：廣域網覆蓋物理層、鏈路層到網路層，區域網只覆蓋物理層和鏈路層。區域網採用的是邏輯上匯流排型的多點接入技術，而廣域網採用的是點對點。廣域網強調資料共享，區域網強調資料傳輸。

廣域網中有很多結點交換機，可以實現分組轉發的功能，和路由器很類似，但是要注意，結點交換機是在一個網路內，而路由器是在幾個網路之間的。

3.7.2 PPP協議的特點

點對點協議PPP ( Point-to-Point Protocol)是目前使用最廣泛的資料鏈路層協議，使用者使用撥號電話接入因特網時一般都使用PPP協議。只支援全雙工鏈路。

1 PPP協議應滿足的要求

簡單：對於鏈路層的幀，無需糾錯，無需序號，無需流量控制。

設計因特網體系結構的時候，把複雜的部分都放在了TCP協議當中，IP協議也稍微複雜點，IP協議層主要提供不可靠的資料包服務，因此鏈路層沒有必要搶在IP協議層前把可靠傳輸實現。

封裝成幀：幀定界符

透明傳輸：與幀定界符一樣位元組合的資料應該如何處理:非同步線路用位元組填充，同步線路用位元填充（和HDLC協議一樣的0位元插入法）。

多種網路層協議：封裝的IP資料包可以採用多種協議。

多種型別鏈路：序列/並行，同步/非同步，電/光....

差錯檢測：錯就丟棄。

檢測連線狀態：鏈路是否正常工作。

最大傳送單元：資料部分最大長度MTU。

網路層地址協商：知道通訊雙方的網路層地址。

資料壓縮協商：傳送資料的時候對資料進行壓縮。

2 PPP協議無需滿足的要求

糾錯
流量控制
序號
不支援多點線路：只需要滿足點對點之間的連線過程。

3 PPP協議的三個組成部分

1.一個將IP資料包封裝到序列鏈路( 同步序列/非同步序列)的方法。

2.鏈路控制協議LCP:用於建立並維護資料鏈路連線。身份驗證

3.網路控制協議NCP: PPP可支援多種網路層協議，每個不同的網路層協議都要一個相應的NCP來配置，為網路層協議建立和配置邏輯連線。

建立資料鏈路連線後，接下來可以實現上網的功能，這個時候需要把網路層的資料包進行一個處理封裝給鏈路層，這個過程就是由網路控制協議NCP負責。

4 PPP協議的狀態圖

5 PPP協議的幀格式

資訊部分：可能存在1個位元組與幀定界符是一樣的，為了實現透明傳輸需要插入一個轉義字元7D（十六進位制）。到了接收端後把轉義字元去掉就行了。

A（地址欄位）和C（控制欄位）：目前還沒完善，所以實際上沒有攜帶PPP協議的有用資訊。

FCS：為了實現差錯檢測，插入CRC迴圈冗餘碼的2個位元組的幀檢驗序列。

PPP協議是面向位元組的，因為PPP的幀格式是以位元組為單位的。

3.7.3 HDLC協議

高階資料鏈路控制(High-Level Data Link Control或簡稱HDLC)，是一個在同步網上傳輸資料、面向位元的資料鏈路層協議，它是由國際標準化組織(ISO)根據IBM公司的SDLC(SynchronousData Link Control)協議擴充套件開發而成的。不屬於TCP/IP協議族。

資料包文可透明傳輸，用於實現透明傳輸的“0位元插入法”易於硬體實現。

採用全雙工通訊

所有幀採用CRC檢驗，對資訊幀進行順序編號，可防止漏收或重份，傳輸可靠性高。

1 HDLC的站

主站：起控制作用的站，從站：被控制的站，複合站：既可以當主站又可以當從站的站。

1.主站的主要功能是傳送命令( 包括資料資訊)幀、接收響應幀，並負責對整個鏈路的控制系統的初啟、流程的控制、差錯檢測或恢復等。
2.從站的主要功能是接收由主站發來的命令幀，向主站傳送響應幀，並且配合主站參與差錯恢復等鏈路控制。
3.複合站的主要功能是既能傳送，又能接收命令幀和響應幀，並且負責整個鏈路的控制。
三種資料操作方式:
1.正常響應方式：如果從站要傳送訊息，先經過主站的同意，主站命令它可以傳送了，從站才可以傳送資料。
2.非同步平衡方式：每一個複合站都可以進行對別的站的資料傳輸，每個站都很平等。
3.非同步響應方式：從站膽肥了，不經過主站的同意就可以進行資料傳輸。

2 HDLC的幀格式

如果透明傳輸區間內有與標誌欄位相同的位元流組合，我們可以採用零位元傳輸方法。HDLC協議是面向位元的，因為HDLC的幀格式是以位元為單位。

控制欄位只看前兩位：

1)資訊幀(I)第1位為0，用來傳輸資料資訊，或使用捎帶技術對資料進行確認;
2)監督幀(S) 10,用於流量控制和差錯控制，執行對資訊幀的確認、請求重發和請求暫停傳送等功能。
3)無編號幀(U) 11，用於提供對鏈路的建立、拆除等多種控制功能。

3.7.4 PPP協議&HDLC協議

1 相同點和不同點

為什麼HDLC協議實現可靠傳輸我們還不怎麼用它呢？因為太浪費了，在實際應用中，我們主要靠TCP協議來實現差錯控制、流量控制等功能。網路層和鏈路層實現地都是不可靠的傳輸，原因在於我們對網路的速率要求比較高，如果在鏈路層和網路層還要進行差錯的檢測和糾正，這樣花費的時間就更高了，延遲太大。所以在網路層和鏈路層不實現可靠傳輸，可靠傳輸交給傳輸層。

2 腦圖時刻

廣域網中有很多結點交換機，可以實現分組轉發的功能，和路由器很類似。但是要注意，結點交換機是在一個網路內，而路由器是在幾個網路之間的。

幀格式中每個欄位是什麼意思？

3.8 鏈路層裝置

3.8.1 物理層擴充套件乙太網

主機和集線器的距離不能超高100米，為了與距離比較遠的主機進行通訊，我們就要在物理層上把乙太網擴充一下。

第一種方法：採用光纖傳輸（長度長，第二章講過光纖訊號的損耗很小），使用光纖解調器（光貓）。

第二種方法：主幹集線器。第一個好處是可以實現誇衝突域的通訊，第二個可以擴大乙太網覆蓋的範圍。缺點是效率變低，原來一個衝突域內是四臺主機，現在發生衝突的概率更高。如何解決這個問題？——>在鏈路層擴充套件乙太網

3.8.2 鏈路層擴充套件乙太網

1 網橋&交換機

網橋算是交換機的前身，現在實際應用中通常採用交換機。交換機就是更多介面的網橋。而且現在的區域網中每臺主機都是通過交換機相連，集線器已經被淘汰了。

網橋就是把幾個乙太網連線起來，因此構成了一個更大的乙太網。之前的每一個乙太網就是一個衝突域，也稱為網段。

網橋優點:

1.過濾通訊量，增大吞吐量。

不同網段（衝突域）內可以單獨通訊。假如A和B通訊時，C和D也可以同時通訊。不像物理層裝置連著六臺主機是不可以同時通訊的。A和C也可以通訊，因為網橋把乙太網進行了擴充套件。假如每一個網段的資料傳輸速率頻寬是10MB/S，這三個網段合起來最大的吞吐量就是30MB/S，而在物理層裝置中最大吞吐量還是10MB/S。

2.擴大了物理範圍。

3.提高了可靠性。

網路出現故障時，只有一個網段內部會受到影響，不會影響其他網段。

4.可互連不同物理層、不同MAC子層和不同速率的乙太網。

2 網橋——透明網橋

透明網橋:“ 透明”指乙太網上的站點並不知道所傳送的幀將經過哪幾個網橋，是一種即插即用裝置——自學習。

A給B傳送幀的過程：網橋1按幀的源地址（A的MAC地址）查詢自己的轉發表，發現轉發表中沒有A的地址，於是把A的地址和收到這個幀的介面寫入轉發表中。這樣以後其他主機要給A主機發資訊，網橋1就會知道要從網橋1的1號介面傳輸過去。然後根據幀的目的地址（B的MAC地址）來查詢轉發表，發現轉發表中沒有B的地址，於是通過除了1介面之外的介面轉發出去，其他主機發現不是給自己的，直接丟棄。這就是自學習的過程。
B給A傳送幀：A直接收到了，同時還會傳給網橋1，網橋1就會查詢自己的轉發表，發現沒有B的源地址，那麼寫入。再看目的地址（A的地址），發現有，是介面1，那麼網橋知道A在介面1左邊，不用再轉發這個幀，丟棄。