导图社区 计算机网络3-数据链路层
计算机网络中数据链路层知识梳理，适合考研408，专业课计网考试。有需要的小伙伴可以下载收藏篇~
计算机网络中应用层的知识梳理，适合考研408，专业课考试。主要包括：网络应用模型、域名系统DNS、文件传输协议FTP。
计算机网络中传输层的知识框架梳理，适合考研408、专业课考试。主要包括：传输层服务的功能、寻址与端口、无连接服务与面向连接服务。
这是一篇关于计算机网络4-网络层的思维导图，主要内容有网络层的功能、路由算法、路由协议、网络层设备、移动IP等。
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数据链路层
功能
为网络层提供服务
无确认的无连接服务
适用于实时通信或误码率较低的通信信道，如以太网
有确认的无连接服务
适用于误码率较高的通信信道，如无线通信
有确认的面向连接服务
适用于通信要求（可靠性、实时性）较高的场合
组帧
帧
网络层的分组添加首部和尾部
目的
帧定界
帧同步
透明传输：不管所传的数据是甚么样的比特组合都应能在链路上传送
方法
字符计数法
帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数(含自身占用的一字节)
计数字段出错，会造成灾难性的后果
字符填充的首尾定界符法
使用特定的字符定界一帧的开始和结束
实现复杂，不兼容
控制字符SOH：帧的开始
控制字符EOT：帧的结束
转义字符ESC：区分控制字符，实现透明传输
零比特填充的首尾标志法
容易由硬件实现，性能好
使用01111110标识一帧的开始和结束
数据部分中每出现5个1就在后面插入一个0； 接受方每收到5个1就自动删除后面的0
违规编码法
在物理层进行编码时通常采用
不需要任何的填充技术，但只适用于采用冗余编码的特殊编码环境，eg：IEEE802标准
eg：曼彻斯特中“高-低”电平表示1“低-高”电平表示0； "高-高""低-低"是违规的，可以借用这些违规编码序列来定界
差错控制
位错：帧中某些位出现了差错(eg比特差错)
自动重传请求ARQ
接受方检测到差错时，就设法通知发送端重发，直到接收到正确的码字为止
检错编码
核心思想：采用冗余编码技术，在冗余位添加符合规则的码字，会随数据变化
类型
奇偶校验码
n-1位信息元和1位校验元组成
如果是奇校验码，那么在附加一个校验元之后，码长为n的码字中"1"的个数为奇数
如果是偶校验码，那么在附加一个校验元之后，码长为n的码字中"1"的个数为偶数
只能检测奇数位的出错情况，但并不知道哪些位错了，也不能发现偶数位的出错
循环冗余码(CRC)
也具有纠错功能
实现了数据链路层的无差错接收
前向纠错FEC
接收端不但能发现差错，而且能确定比特串的错误位置，从而加以纠正
纠错编码
核心思想
附加足够的冗余信息使接受方能够推导出发送方实际送出的应该是什么样的比特串
海明码
1.确定海明码的位数
2.确定校验位的分布
3.分组以形成校验关系
4.校验位取值
5.校验检查
帧错：帧的丢失、重复、失序等错误
流量控制与可靠传输
流量控制机制
流量控制并非数据链路层独有的功能； 数据链路层控制的是相邻两结点之间的； 传输层控制的是源端到目的端之间的
停止-等待机制
接收到应答信号后才能发送下一帧
滑动窗口机制
发送窗口
接收窗口
可靠传输机制
通常使用确认和超时重传两种机制
自动重传请求(ARQ)
停止-等待ARQ
后退N帧ARQ
选择性重传ARQ
又称连续ARQ协议，是滑动窗口技术与请求重发技术的结合
单帧滑动窗口与停止等待协议
发送窗口=1，接收窗口=1
发送方和接受方各设立一个帧缓冲区
多帧滑动窗口与后退N帧协议(GBN)
发送窗口(W)>1，接收窗口=1
如采用n比特对帧编号，则1≤W≤2^n-1
接收方只允许按顺序接收帧
多帧滑动窗口与选择重传协议(SR)
发送窗口>1，接收窗口>1,最大值都为2^(n-1)
加入否定帧(NAK)
缓冲区的数目=窗口大小
信道效率/信道利用率
(L/C)/T
L:一个发送周期内发送Lbit的数据
C:发送方的数据传输速率
L/C为有效数据发送时间
T:发送周期，发送方从开始发送数据到收到第一个确认帧为止
信道吞吐率
信道利用率*发送方的发送速率
介质访问控制(子层) 使广播信道逻辑上变为点对点信道
概念
为使用介质的每个结点隔离来自同一信道上其他结点所传送的信号，以协调活动结点的传输；在广播信道中采取措施是两结点之间的通信不会互相干扰
静态划分信道
信道划分
频分多路复用(FDM)
时分多路复用(TDM) 统计时分多路复用(STDM)
TDM会平均用户的传输速率
波分多路复用(WDM)
光的频分多路
码分多路复用(CDM)
码片
每个比特时间划分成m个短的时间槽
码分多址(CDMA)
每个站点被指派一个唯一的m位的码片序列， 发送1时发送该序列，发送0时发送该序列的反码
各个站点的码片序列相互正交
规格化内积
计算
动态分配信道
随机访问
核心思想：胜利者通过争用期获得信道，从而获得信息的发送权，实质上是一种将广播信道转化为点到点信道的行为
ALOHA协议
纯ALOHA协议
基本思想：当网络中任何一个站点需要发送数据时，可以不进行任何检测就发送数据。若一段时间未收到确认，那么该站点就认为传输过程发生了冲突。随机等待一段时间后再发送
吞吐量S，网络负载G：S=Ge^(-2G)
时隙ALOHA协议
把所有站点在时间上同步起来，并将时间划分为一段段等长的间隙，规定每个间隙开始时才能发送一个帧。碰撞的处理策略同上
S=Ge^(-G)
CSMA(载波侦听多路访问)协议
核心思想：每个站点发送前先侦听一下共用信道
1-坚持CSMA
不坚持CSMA
p-坚持CSMA
CSMA/CD(碰撞检测)协议
适用于总线型和半双工网络环境
已应用于有线连接的局域网
载波监听：发送前监测
碰撞检测：边发送边侦听
先听后发-边听边发-冲突停发-随机重发
争用期：2倍的往返时延
最小帧长=总线传播时延*数据传输速率*2 (小于该帧均视为无效帧)(数据小可填充字段)
以太网规定51.2us为争用期长度，争用期内未发生冲突则成功抢占信道
二进制指数退避算法
确定基本的退避时间（争用期）
定义参数k，k=min[重传次数，10]
随机选取一个数r=[0，1，2，2^k-1]，退避r倍的基本退避时间
重传16次仍不能成功，则放弃
CSMA/CA(碰撞避免)协议
广泛应用于802.11无线局域网
发送时广播告知其他结点，让其他结点在某段时间内不要发送 碰撞避免：降低碰撞发生的概率 所有站完成发送后，必须在等待一段很短的时间(继续监听)，才能发送下一帧
帧间间隔(IFS):即上述短时间
SIFS(短IFS)
最短的IFS，用来分隔属于一次对话的各帧，使用SIFS的帧类型有ACK帧、CTS帧、分片后的数据帧，以及所有回答AP探询的帧等
PIFS(点协调IFS)
中等长度的IFS，在PCF操作中使用
DIFS(分布式协调IFS)
最长的IFS，用于异步帧竞争访问的时延
算法步骤
1）若站点最初有数据要发送(不是发送不成功重传)，且检测到信道空闲，在等待时间DIFS后，就发送整个数据帧
2）否则，站点执行CSMA/CA退避算法，选取一个随机回退值。一旦检测到信道忙，退避计时器就保持不变。只要信道空闲，退避计时器就进行倒计时
3）当退避计时器减到0时(这时信道只可能是空闲)，站点就发送整个帧并等待确认
4）发送站若收到确认，就知道已发送的帧被目的站正确接收。这是若发送第二帧，从2）开始
隐蔽站
A、B相聚太远互相听不到对方
请求发送RTS控制帧：预约信道
允许发送CTS控制帧：在CTS指明的时间内抑制发送
CSMA/CD&CSMA/CA的区别
CD可以检测冲突，但无法避免； CA发送数据的同时不能检测信道上有无
传输介质不同：CD用于总线型以太网；CA用于无线局域网802.11a/b/g/n等
检测方式不同：CD通过电缆中电压的变化来检测；CA采用能量检测、载波检测、能量载波混合检测三种方式检测信道是否空闲
轮询访问：令牌传递协议
用于令牌环局域网； 适合负载很高的广播信道
一个令牌沿着逻辑上的传递通路循环，当站点拿到令牌时才能发送数据，发完一帧释放以便其他站使用
设备
局域网交换机/以太网交换机
本质
多端口的网桥(分隔网段，隔离冲突域)，工作在数据链路层
原理
检测从以太端口来的数据帧的源和目的地的MAC地址，与内部的动态查找表对比，若没有则将源地址写入查找表，将数据帧发给相应的端口
特点
每个端口都直接与单台主机相连，一般都工作在全双工方式
能同时连通多对窗口，使每对相互通信的主机都能像独占信道媒体那样，无碰撞地传输数据
即插即用，内有自学习算法
交换效率高且独占传输媒体地带宽
对于传统的10Mb/s的共享式以太网，使用交换机时，N个端口的交换机的总容量是N*10Mb/s
还可以方便的实现VLAN，既可以隔离冲突域，又可以隔离广播域
广域网
基本概念
PPP协议
使用串行线路通信的面向字节的协议，应用在直接连接两个结点的链路上
组成部分
链路控制协议(LCP)
用于建立、配置、测试、管理数据链路
网络控制协议(NCP)
允许采用多种网络层协议
一个将IP数据报封装到串行链路的方法
标志字段F
地址字段A
控制字段C
协议段：说明信息段运载的是什么种类的分组
信息段：0-1500B；因为PPP是点对点的， 无需采用CSMA/CD，顾没有最小帧限制
帧检验序列FCS
注意点
PPP只提供差错检测，也不使用序号和确认机制
仅支持点对点，不支持多点
只支持全双工链路
两端可以使用不同的网络层协议
PPP是面向字节的，信息字段出现与标志字段一样的字符组合时
在异步线路中(默认)，采用字节填充法
在SONET/SDH等同步线路，采用比特填充
局域网
基本概念与体系结构
指在一个较小的地理范围(如一座学校)内，将各种计算机、外部设备和数据库系统等通过双绞线、同轴电缆等介质hu互相连接起来，组成资源和信息共享的计算机互联网络
为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限
所有站点共享较高的总带宽
较低的时延和较低的误码率
各站为平等关系而非主从关系
能进行广播和组播
拓扑结构
星形
环形
总线形
星形和总线形复合
传输介质
以双绞线为主，可以使用双绞线、同轴电缆、光纤等多种
介质访问控制方法
CSMA/CD
主要用于总线形
令牌总线
令牌环
主要用于环形
特殊局域网的拓扑实现
以太网(目前使用范围最广的局域网)
逻辑拓扑是总线，物理拓扑是星形或拓展星形
令牌环(IEEE802.5)
逻辑拓扑是环形，物理拓扑是星形
FDDI(光纤分布数字接口，IEEE802.8)
逻辑拓扑是环形，物理拓扑是双环
逻辑链路控制子层(LLC)
向网络层提供无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送4种连接类型
介质访问控制子层(MAC)
向上层屏蔽对物理层访问的各种差异
以太网与IEEE802.3
IEEE802.3标准是一种基带总线形的局域网标准，描述物理层和数据链路层的MAC子层的实现方法
802.3局域网也称以太网
逻辑上总线形拓扑结构
信息以广播形式发送
使用CSMA/CD进行访问控制
简化了通信方式
采用无连接的工作方式，不对发送的数据帧编号，也不要求接收方发送确认，尽最大努力交付数据，提供不可靠的服务，对于差错的纠正由上层完成
发送的数据使用曼彻斯特编码的信号，每个码元的中间出现一次电压转换，接收端利用这种转换把位同步信号提取出来
传输介质与网卡
网络适配器
工作在数据链路层
和局域网的通信是通过传输介质串行
和计算机的通信是通过主板I/O总线并行
进行数据的串并转换
实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配
涉及帧的发送、介质访问控制等各种功能
工作在物理层
唯一的介质访问控制(MAC)的地址，也称物理地址
MAC帧
MAC地址：6字节，高24位为厂商代码，低24位厂商自动分配； 一般用分割的12个16进制数表示
前导码
使接收端与发送端时钟同步
前7字节为前同步码，用来快速实现MAC帧的比特同步
后一字段为帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧
类型：2字节，指出数据域中携带的数据应交给哪个协议实体处理
数据：最小值由CSMA/CD协议限制，最大值是规定
FCS校验码：范围只包括目的地址开始到数据段末尾，采用32位CRC
IEEE802.3标准
与DIX以太帧格式的不同之处在于用长度域替换了上述类型域
高速以太网
速率超过100Mb/s的以太网
100BASE-T以太网
支持全双工也支持半双工，全双工下不使用CSMA/CD
吉比特以太网(千兆以太网)
10吉比特以太网
只工作在全双工
IEEE802.11无线局域网
使用802.11系列协议的局域网又叫WI-FI
有固定基础设施(基站)的无线局域网
A-AP1-AP2-B
其中AP1-AP2是有限通信
AP就是基本服务集的基站
无固定基础设施的无线局域网(自组网络)
区别移动IP技术，是使漫游的主机可以用多种方法连接到因特网，其核心网络功能仍是基于固定网络中一直使用的路由选择协议
由一些平等状态的移动站相互通信组成的临时网络
是把移动性拓展到无线领域的自治系统，具有自己特定的路由选择协议，并且可以不和因特网相连
802.11帧(MAC帧)
数据帧
去往AP，来自AP在帧控制字段中
控制帧
管理帧
VLAN
是局域网的一种服务，把一个较大的局域网分割成几个较小的局域网
每台主机不知道自己的VID，但交换机必须知道
