导图社区 计算机网络第三章链路层
计算机网络部分详细思维导图，链路层为网络层提供服务，链路管理可建立、维持和释放，本图适合计算机相关专业期末复习，考研学习等。
计算机网络部分详细思维导图，网络应用模型分为C/S模型和P2P模型，本图适合计算机相关专业期末复习，考研学习等。
计算机网络部分详细思维导图，传输层提供端到端的通信（进程与进程），本图适合计算机相关专业期末复习，考研学习等。
计算机网络部分详细思维导图，网络互联是通过路由器进行网络互联和路由选择，异构网络的链路层和物理层均不同，本图适合计算机相关专业期末复习，考研学习等。
社区模板帮助中心，点此进入>>
互联网9大思维
组织架构-单商户商城webAPP 思维导图。
域控上线
python思维导图
css
CSS
马克思主义原理
计算机操作系统思维导图
计算机组成原理
IMX6UL(A7)
链路层
1. 功能
I. 为网络层提供服务
i. 无确认无连接
如以太网
ii. 有确认无连接
如无线通信
iii. 有确认面向连接
不存在无确认的面向连接的服务
II. 链路管理
建立，维持和释放
III. 帧定界，帧同步，透明传输
1. 帧定界
分组两端加上首部和尾部以确定帧的界限
2. 帧同步
接收方能识别帧的开始与结束
3. 透明传输
可以传输任意比特组合
IV. 流量控制
限制发送方的数据率，使其小于等于接收方的数据接收率
注意与传输层的区别
传输层是端到端的流量控制
链路层是点对点的
V. 差错控制
使发送方知道接收方是否正确接收其发送的数据
包括
位错
接收方可以由CRC发现，发送方通过ARQ重传出错的帧
帧错
可由定时器和编号机制解决
2. 组帧
I. 字符计数法
在帧头部用一个计数字段标明帧内字符数
包括自身占用的一个字节
缺点
计数字段一旦出错，接受方将无法识别帧的开始结束
II. 字符填充的首尾定界符法
用特殊字符来标明帧的开始和结束
比如转义字符
接收方收到数据后，删掉转义字符即可
III. 零比特填充法的首尾标志法
只要遇到5个1，就在其后面加一个0
用0111110标志帧的开始和结束
易由硬件实现
IV. 违规编码法
例如：曼彻斯特编码中只用到了“高低”和“低高”，而“低低”和“高高”未使用
可用“低低”和“高高”来实现帧的首尾定界
3. 差错控制
I. 比特差错
传输过程中0-1，1-0
II. 检错编码
i. 奇偶校验码
设置检验元使1的个数为奇数/偶数
只能检测奇数个比特错（偶数个错误1的奇偶性不变）
ii. 循环冗余校验
生成多项式
双方约定，最高位和最低位必须为1
过程
1. 在帧尾加上（生成多项式的位数减1）个0
2. 再与生成多项式模2除（异或）
3. 将所得的余数（生成多项式位数-1，不足补0）加到帧尾
III. 纠错编码
海明码
设n为有效信息位，k为检验位的位数，n和k应满足：
n+k<=2^k-1
推论
检查d位
d+1位码距
纠正d位
2*d+1位码距
4. 流量控制与可靠传输机制
I. 停止等待协议
发送方发一个，确认一个，才能发下一个
特点
确认帧不需要序号
窗口大小
swnd=rwnd=1
II. 后退N帧协议（GBN）
当发送方发送了N个帧后，发现N个帧的前一个帧发生超时，则发送方必须重传这N+1个帧（即接收方只能按顺序接收帧）
一次可发送多帧，有累计确认机制
只需重发最后一个正确接收的帧之后的所有未被确认的帧
假设采用n比特对帧编号
1=<swnd<=2^n-1，rwnd=1
III. 选择重传（SR）
接收方可以先收下序号不连续的帧，待从下界开始的帧序号连续时再交付给上层
一次可发送多帧，可以只重传超时或者错误的帧
swnd+rwnd<=2^n
rwnd<=swnd
swnd（max）=rwnd（max）=2^（n-1）
信道吞吐率
发送速率*信道利用率
5. 介质访问控制
I. 采取一定的措施，使两对节点之间的通信不会发生相互干扰的情况
II. 信道划分介质访问控制
多路复用
将多个信号组合在一条物理信道上传输，使多个计算机或终端共享信道资源
分类
1. 频分多路复用（FDM）
将信道总带宽分割成若干与传输单个信号带宽相同的子信道，每个子信道传输一种信号
只共享时间
2. 时分多路复用（TDM）
将信道按时间划分成若干时间片，轮流分配给多个信号使用
统计时分多路复用（STDM）
采用STDM帧，动态分配时隙（传统是固定分配时隙），传输速率最大可以达到总带宽
只共享空间
3. 波分多路复用（WDM）
在一根光纤上传输多种不同波长的光信号
4. 码分多路复用（CDM）
采用不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式
优点
既共享空间，又共享时间
码分多址
目的站利用链路上收到的序列与不同发送方的码片向量作规格化内积，即可得对应站的发送的数据
规格化内积
内积 / 码片向量维数
用户不能做到想发就发，也不能占用信道的全部带宽
静态划分
III. 随机访问介质访问控制
谁通过争用获得了信道，谁就有信息的发送权
1. ALOHA协议
I. 纯ALOHA协议
任一节点可以不检测冲突就直接数据发送
想法就发
超时未收到确认就认为发生了冲突
冲突后重传时间
各站等待一个随机的时间（再冲突同理）
网络吞吐量很低
II. 时隙ALOHA协议
控制想发就发
将各站时间同步起来，并将时间划分为一段段等长的时隙，规定只能在每个时隙开始时才能发送帧
吞吐量是纯ALOHA协议的两倍
2. CSMA协议
a. 1-坚持CSMA
若侦听到信道忙，继续侦听，一旦空闲，立即发送数据（概率1）
b. 非坚持CSMA
I. 先侦听信道，如果空闲，立即发送；如果忙碌，停止监听。等待一个随机时间再重复上述过程
c. P-坚持CSMA
若检测到信道空闲，以概率p发送数据，以概率1-p推迟到下一个时隙（在下一个时隙仍然采用这种方式），直到数据发送完成或检测到信道忙（直接跳到下一个时隙）
3. CSMA/CD
i. 工作过程
1.“先听后发”
2.“边听边发”
3.“冲突停发”
4.“随机重发”
半双工
ii. 适用
总线型以太网
iii. 检测方式
电压变化
iv. 争用期
端到端的往返时延（2τ）
以太网规定的争用期
2τ=51.2us
对于10Mb/s的以太网来说，最短帧长即512bit（64B）,若在64B发送完后都未检测到冲突，那么一定发送成功了（检测到冲突一定在64B以内）。因此长度小于64B的帧均无效。对于长度小于64B的数据，在MAC子层通过填充字节使其长度达到64B
v. 最短帧长
数据传输率*2τ
vi. 解决冲突的方法
二进制指数退避算法
定义参数k=min{重传次数，10}
退避时间
从0~2^k-1中随机选择一个整数r
退避时间=r*2τ
当重传次数达16 次时仍未成功，说明网络非常拥挤，则抛弃此帧，并向高层发送错误报告
4. CSMA/CA
发送数据前，先广播告知其它节点不要发送数据，以免碰撞
无线局域网
能量检测，载波检测，两者混合
iv. 注意事项
冲突避免不是指完全避免冲突，而是降低发送冲突概率
CSMA/CA仍然采用二进制指数退避算法
不使用退避算法的情况
当且仅当信道空闲且当前数据帧是要发送的第一个数据帧时
v. 避免冲突的方法
I. 预约信道
交换RTS/CTS帧
RTS/CTS帧主要用于解决无线网中的“屏蔽站问题”
II. ACK帧
i. 所有站点在正确接收发给自己的数据帧（除广播和组播帧）后，都要向发送方回一个ACK帧
ii. 发送方发完数据帧后在规定的时间内如果未收到ACK帧，则认为发送失败，则重发该帧
IV. 轮询访问介质访问控制：令牌
i. 令牌
i. 一组特殊比特组合而成的帧
ii. 工作过程
1. 令牌在各节点间以固定次序交换
2. 若环上某站要发送数据，必须的到令牌
3. 发送帧包含目的地址，以标识目的站。但是帧经过所有站时（不管是否发往本站），都进行转发，直到回到始发站，并由始发站撤销
4. 某站发完数据后，自己产生新的令牌，继续向下传递
iii. 适合
负载很高的信道（冲突可能性很大）
1. 帧经过所有站时（不管是否发往本站），都进行转发，直到回到始发站，并由始发站撤销
2. 物理拓扑不一定是一个环（逻辑上必须是一个环）
6. 局域网
1. 局域网的基本概念和体系结构
三种特殊的局域网
i. 以太网
I. 简介
IEEE802.3标准
逻辑拓扑：总线型
物理拓扑：星型或拓展星型
广播通信
II. 服务
尽最大努力交付
不可靠服务
III. 传输介质
1. 10BASE5
基带同轴电缆（粗缆）
总线型
最大段长：500m
最多节点数：100
（10表示数据率为10Mb/s）
2. 10BASE2
基带同轴电缆（细缆）
最大段长：185m
最多节点数：130
3. 10BASE-T
UTP
星型
最大段长：100m
最多节点数：2
4. 10BASE-FL
光纤对
点对点
最大段长：2000m
IV. MAC帧（V2标准）
i. 以太网前导码（8B）
用于双方时钟同步
（在物理层添加）
组成
前同步码（7B）
帧开始定界符（1B）
（MAC帧不需要结束符）
ii. 组成
目的地址（6B）
物理地址
源地址（6B）
类型（2B）
哪个协议来处理
数据（46B~1500B）
整个IP数据报
（分组）长度：46B~1500B（MTU）
填充（0~46字节）
当数据部分太短时填充
校验码（4B）
检验范围：前面（目的地址...数据部分结束）所有
iii. 长度
64B（CSMA/CD算法得知）~1518B
iv. 与802.3标准的MAC帧的不同之处
类型域被替换成了数据域的长度
V. 其它以太网
高速以太网（速率超过100Mb/s）
i. 100BASE-T
双绞线
全/半双工
最大长度：100m
全双工模式下不使用CSMA/CD协议
支持共享式和组网式两种方式
ii. 吉比特以太网（向后兼容）
iii. 10吉比特以太网
光纤
仅全双工
VI. 注意事项
无线局域网中，即使传送过程中发生冲突，也要把整个帧发送完毕
有线局域网中，若传送过程中发生冲突，立即停发
ii. 令牌环
IEEE802.5标准
逻辑拓扑：环形
物理拓扑：星型
令牌环网工作原理
令牌沿着环形总线在入网计算机间依次传递，只有获得令牌后才能发送数据帧
源站发送完数据后，产生新的令牌，继续向下传递
iii. FDDI
IEEE802.8标准
物理拓扑
双环结构
链路层划分
i. 媒体介入控制MAC子层
主要功能
1. 组帧和拆帧
2. 比特传输的差错检测，寻址
实现
网络接口卡（NIC）
（存在唯一介质访问控制（MAC）地址（物理地址），供网桥和交换机使用），但工作在物理层
ii. 逻辑链路控制LLC子层
1. 向网络层提供服务（无连接（有无确认），有连接）
2. 高速传送，帧编号
传输驱动程序
7. 广域网
1. 地位
因特网的核心地位
与局域网处于同等地位（不是包含关系）
2. 重要协议
I. PPP协议
i. 特点
是使用串行线路通信的面向字节的协议，直接应用在相邻结点之间
链路控制协议（LCP）
用于建立，配置，测试和管理数据链接
（身份验证）
网络控制协议（NCP）
为网络层协议建立和配置逻辑连接
将IP数据报封装到串行链路的方法
IP分组的长度受MTU（以太网1500B）限制
iii. 格式
开始定界符（1B）
地址字段（1B）
0xFF
控制字段（1B）
0x03
协议（2B）
分组种类
如0X0021（IP数据报）
数据部分（0~1500）
帧检验字段FCS（2B）
使用CRC（地址字段...数据部分）
结束定界符（1B）
1. 由于PPP协议是点对点式的（非总线），所以无需采用CSMA/CD,因而没有最短帧长
2. PPP检错不纠错，所以是不可靠的协议，因此没有序号字段和确认机制
3. 只支持全双工
4. 两端可运行不同的网络层协议
两端的传输速率可以不同
5. 对于实现透明传输
（默认）异步线路
字节填充法
同步线路
比特填充法（硬件完成）
6. 支持动态分配IP
II. HDLC协议
ISO制定的面向比特的协议
ii. 配置
非平衡配置
由一个主站控制整个链路的工作（从站发数据需要主站许可）
平衡配置
链路的两端的站都是复合站，每个站都可以平等地发起数据传输
iii. 站
主站
发出命令帧，负责控制链路操作
从站
发出响应帧，按主站命令操作
复合站
同时具有主站和从站的功能
iv. 格式
开始标志F（8bit）
01111110
地址字段A（8bit）
控制字段（8bit）
第一位为0
信息帧
传输数据信息
前两位为10
监督帧
流量控制和差错控制，对信息帧的确认，重发，暂停发送等
前两位为1
无编号帧
链路的建立，拆除等
数据部分（可变）
帧检验字段FCS（16bit）
使用CRC（地址字段A...数据部分）
结束标志F（8bit）
v. 数据操作方式
正常响应
非平衡
从站传输需要主站许可
异步平衡
平衡
异步响应
从站传输不需要主站许可
vi. 注意事项
对于实现透明传输
采用0比特填充法（硬件）
不依赖于任何一种字符编码集（不属于TCP/IP协议族）
全双工
可靠
使用编号和确认机制
8. 物理设备
I. 网桥
i. 工作原理
将两个或多个以太网连接成一个网段
工作在MAC子层
ii. 基本功能
1. 寻址
路径选择
2. 在不同或相同的LAN间存储转发帧
（一般存储转发类设备连接的两个网段都可以使用不同的协议）
3. 缓存空间够大
iii. 种类
1. 透明网桥
具有自学习特效
每收到一帧，就记下其源地址（不会改变）和进入网桥的端口
（即插即用设备）
使用生成树算法
确保源到目的端的路径唯一
一般不是最佳路由
（最佳路由指的是发送帧的往返时延最小，非经过的路由器最少）
2. 源路由网桥
选择的是最佳路由
源站以广播方式向目的站发送发现帧，途中每个网桥都转发此帧，最终该发现帧从多个路径到达目的站，目的站需一一发送应答帧，应答帧原路返回，途经的网桥将自己的标志记录在应答帧中，源站从中选择最佳路由
发现帧可能导致的网络严重拥塞
II. 交换机
i. 基本原理
多端口网桥
通过检查帧的源和目的MAC地址，与动态查找表比较，若不在表中，则将该地址加入表中，并发送给相应目的端口
分割冲突域
实现虚拟局域网（VLAN）
既隔离冲突域
又隔离广播域
iii. 特点
每个端口直接与主机路相连（网桥端口一般连接一个网段）
全双工方式
多个端口连接的主机独占总带宽
可以建立并发连接
iv. 种类
直通式
只检查目的地址
速度快，但缺乏安全，不支持具有不同速率的端口交换
存储转发
将帧先存储在高速缓冲，并检查数据的正确性
确认无误再转发，有误则丢弃，可靠性高，支持不同速率的端口，但延迟大
III. 共同点
能隔离冲突域，无法隔离广播域
