计算机网络复习系列文章传送门:
第一章 计算机网络概述
第二章 物理层
第三章 数据链路层
第四章 网络层
第五章 传输层
第六章 应用层
第七章 网络安全
计算机网络整理-简称&缩写
前言
给大家整理了一下计算机网络中的重点概念,以供大家期末复习和考研复习的时候使用。
参考资料是王道的计算机操作系统和西电的计算机操作系统。
三、数据链路层
3.1 数据链路层的基础概念
数据链路层是在物理层和网际层之间的协议,提供相邻结点的可靠数据传输,为从网络层提供服务、链路管理、帧定界、帧同步与透明传输、流量控制、差错控制。
3.2 帧
3.2.1 帧的概念
帧为数据链路层的协议数据单元,由帧头,数据,帧尾组成。帧头包含源MAC地址,目的MAC地址,类型。
3.2.2 组帧/封装帧的方法
字符计数法:在帧的头部使用一个计数字段来标明帧内字符数。
首位定界法:字符填充(采用特殊字符前用转义字符填充)零比特填充法(数据区每遇到五个1就填充一个0)。
违规编码法:局域网IEEE802标准采用,曼彻斯特编码中,“高-低”表示1,“低-高”表示0,则可以采用“高高/低低”来定界帧的起始和终止。
3.2.3 差错控制
检错编码:奇偶校验码(只能检查奇数位出错情况)、CRC循环冗余码。纠错编码:海明码。
CRC循环冗余码:设除数为n位,则阶数位n-1阶,在被除数后加n-1个0,遵从同0异1的原则找出余数FCS,最后用余数FCS替换n-1个0,则这串位CRC循环冗余码。
海明码:n位有效信息的位数,k位校验位的位数,则应满足,若信息位为D1,D2,D3,D4,则校验位为三位,即P1,P2,P3,对应海明码为H1,H2,H3,H4,H5,H6,H7。规定Pi在海明码的位,其余按序填充,则海明码的各具体分布为:P1,P2,D1,P3,D2,D3,D4,所以D1在H3上,由P1(H1),P2(H2)(1+2=3)校验,D2在H5上,由P1(H1),P3(H4)(1+4=5)校验,D3在H6上,由P2(H2),P3(H4)(2+4=6)校验,D4在H7上,由P1(H1),P2(H2),P3(H4)(1+2+4=7)校验,按照对校验位按照异或原则(同0异1),P1=D1异或D2异或D4,P2=D1异或D3异或D4,P3=D2异或D3异或D4。记得倒过来写H7,H6,H5,H4,H3,H2,H1,把得到的P1,P2,P3放到相应的位置。校验原理,S1=P1异或D1异或D2异或D4,S2=P2异或D1异或D3异或D4,S3=P3异或D2异或D3异或D4,若S1,S2,S3的指为000,则无差错,若S1,S2,S3为100,则说明H1出错,取反即可得到纠错目的。
3.3 流量控制、可靠传输、滑动窗口
信道利用率=,
,时间T内发送L比特数据,C为发送方传输率,T为发送周期。
流量控制采用单帧滑动窗口与停止-等待协议、多帧滑动窗口与后退N帧协议(GBN)、多帧滑动窗口与选择重传协议(SR)。
滑动窗口的重要性质:只有接收方收到一个确认帧后时,发送窗口才有可能向前滑动;停等协议的发送窗口=1,接受窗口=1,后退N帧发送窗口>1,接受窗口=1,选择重传协议发送窗口>1,接受窗口>1。只有接受窗口为1时,可以保证帧的有序接受,在数据链路层中滑动窗口在传输过程中是固定的。
若采用n比特的对帧编号,则GBN协议的发送窗口大小应满足
,在SR协议中
。
3.4 以太网中的数据帧中的MAC和LLC
MAC对接物理层,LLC对接网络层。
MAC子层叫做介质访问控制子层,用来决定广播信道中信道分配的协议属于MAC子层。作用:数据帧的封装/卸载,帧的寻址和识别,帧的接收语发送,链路的管理,帧的差错控制等。MAC子层的存在屏蔽了不同的物理链路层种类的差异性。1.组帧拆帧,2.比特差错检测,3.寻址,4.竞争处理,5.屏蔽不同物理层的差异。
LLC子层叫做逻辑链路控制子层,LLC子层的主要功能为传输可靠性保障和控制,数据包的分段与重组,数据包的顺序传播。1.建立和释放数据链路层逻辑链接(无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送),2.提供与高层接口,3.差错控制,4.给帧加序号。
3.5 介质访问控制方法
数据链路层的介质访问控制都是点对点的通信,常见的介质访问控制方法有静态划分信道:信道划分介质访问控制(在物理层),动态划分信道:随机访问介质访问控制和轮询介质访问控制。静态划分在网络负载重的地方共享信道效率高,公平,负载较低的地方共享信道利用率低。随机访问介质访问控制在负载低的地方效率较高,负载高的地方的地方会引起冲突。
随机访问介质控制分为:ALOHA协议(纯ALOHA协议,时隙ALOHA协议),载波监听多路访问CSMA协议(1-坚持,非坚持,p坚持),载波监听多路访问/碰撞检测CSMA/CD协议,载波监听多路访问/碰撞避免CSMA/CA协议。
3.5.1 载波监听多路访问/碰撞检测CSMA/CD协议
应用于以太网,先听后发,边听边发,冲突停发,随机重发,以太网规定51.2微秒为一个争用期长度(2t),对于10Mb/s的以太网,争用期可以发送512bit,即64B,所以以太网的最小帧长为64B。
CSMA/CD协议采用二进制指数退避算法来解决碰撞问题,k为重传次数,k不超过10,k=min{重传次数,10},从离散的[0,1,…,]随机选一个r,则避退时间为2rt,当重传次数>=16次时,则抛弃此帧并向高层报错。
3.5.2 载波监听多路访问/碰撞避免CSMA/CA协议
应用于无线局域网,采用预约信道,ACK帧和RTS/CTS帧来避免碰撞。
3.5.3 CSMA/CD与CSMA/CA两者区别
两者主要区别:1、CSMA/CD可以检测冲突,但不能避免,CSMA/CA发送数据时不能检测信道上有无冲突,只能尽量避免。2、传输介质不同。CSMA/CD协议用于总线型以太网,CSMA/CA用于无线局域网802.11a/b/g/n等。3、检测方式不同。CSMA/CD采用电缆中电压的变化来检测,CSMA/CA采用能量检测、载波检测和能量载波检测混合三种检测方式来检测信道是否空闲。
3.5.4 令牌传递协议
应用于令牌环局域网(物理是星型拓扑,逻辑为环形拓扑),应用于网络负载较重,通信量较大的网络中。令牌传递协议为轮询访问介质控制,只有得到令牌才可以传输数据,否则等待。
3.6 局域网
3.6.1 局域网的基本概念
局域网LAN指在较小的区域内将各种计算机、外部设备、数据库等系统用双绞线,同轴电缆等链接起来,组成资源和信息共享的计算机互联网络。局域网主要使用广播信道和广播技术,注重数据传输。IEEE802标准定义局域网的模型,提供无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送。
局域网的特点:1、网络为一个单位所拥有,地理范围和站点数目有限。2、所有站点共享带宽。3、可靠性高,较低延迟和较低误码率。4、能进行广播和组播。
局域网的主要拓朴结构有:星型、环形、总线型、星型和总线型复合结构。
局域网的介质控制方法主要有CSMA/CD、令牌总线、令牌环。
局域网的分类:以太网(最主要的局域网,逻辑拓扑为总线型,物理拓扑为星型或拓展星型,IEEE802.3)、令牌环网(逻辑拓扑为环形,物理拓扑为星型,IEEE802.5)、光线分布数字接口FDDI(逻辑拓扑为环形,物理拓扑为双环型,IEEE802.8)。
局域网对应OSI参考模型中的两层:物理层和数据链路层(主要),编码方式采用曼彻斯特编码。
3.6.2 以太网
IEEE802.3标准定义的以太网逻辑拓扑为总线型,物理拓扑为星型或拓展星型,提供无连接、不可靠服务,介质为光纤、双绞线。以太网的最小帧长为64B,以太网的MAC帧由目的地址(6B),源地址(6B),类型(2B),数据,FCS(4B)组成,MAC地址的长度为6B,所以数据最小为46B,最大为1500B。
高速以太网:100BASE-T以太网(100Mb/s)支持全双工、半双工,在全双工下不使用CSMA/CD;吉比特(1Gb/s)支持全双工、半双工,全双工下不使用CSMA/CD;10吉比特以太网只支持全双工,不使用CSMA/CD。
3.6.3 无线局域网IEEE802.11
使用802.11的局域网又称WIFI,在MAC层采用CSMA/CA协议。帧头格式包括帧控制(2B)、生存周期ID(2B)、地址1(接收端RA,6B)、地址2(发送端TA,6B)、地址3(目的地址DA,6B)、序列控制(2B)、地址4(源地址SA,6B)。
最小构件为基本服务集BSS。一个服务集包括一个基站和若干移动站,所有站在本BSS可以直接通信,跨站通信必须通过本BSS的基站。AP则为基本服务集中的基站,AP名称则为WiFi名称,即服务集标识符。安装AP时为AP分配一个服务集标识符和一个信道。一个服务集覆盖的地理范围叫做一个基本服务区,一个基本服务区不超过100m。
3.7 广域网
3.7.1 广域网的基本概念
广域网通常指覆盖范围很广的长距离网络,广域网是因特网的核心,注重资源共享,对应OSI参考模型的网络层(主要)、数据链路层、物理层。广域网可与i链接不同类型的网络,既可以连接局域网,也可以连接广域网,通常由路由器来连接。广域网用一些结点交换机(结点交换机在单个网络中转发分组,路由器在多个网络构成的互联网中转发分组,交换机的功能是分组转发)及连接这些交换机的链路构成,提供点对点的连接,为了保证网络的可靠性,一个结点交换机通常与多个结点交换机相连。
3.7.2 局域网与广域网的区别
3.7.3 广域网数据链路层控制协议
广域网中重要的问题是路由选择和分组转发,路由选择协议负责搜索分组到某个结点到目的结点的最佳传输路由,以便构造路由表,然后路由表再构造出转发分组的转发表,分组是通过转发表转发的。
PPP协议
PPP协议是使用串行线路通信的面向字节的协议,通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据,应用于直接连接的两个结点的链路中,因为PPP是点对点的,因此无需采用CSMA/CD协议。PPP协议支持异步线路(字节填充法)和同步线路(比特填充法).
PPP协议由三个部分组成,链路控制协议LCP(用于建立、配置、测试和管理线路),网络控制协议NCP(PPP协议允许采用多种网络层协议,但需要相应的NCP来配置,为网络层协议建立和配置逻辑连接),一个将IP数据报封装到串行线路的方法(PPP帧中的信息部分受最大传送单元MTU限制)。
PPP帧包括标志字段F(1B,0x7E,前后都有,出现在数据段要采用控制转义字符0x7D),地址字段A(1B,0xFF),控制字段C(1B,0x03),协议字段(2B,用于表示信息段运载的是啥网络层协议)IP数据报,FCS(2B),标志字段F(1B),IP数据报大小为0~1500B
PPP协议工作状态
当链路处于静止时,不存在物理层连接,当线路检测到载波信号时,建立物理链路,线路变为建立状态,此时LCP开始商定,商定成功时进入身份验证状态,双发身份验证(PAP,CHAP)通过后,进入网络状态,采用NCP配置网络层,配置成功后进入打开状态,就可以进行数据传输,当传输完后线路转终止状态,载波停止后回到静止状态。
PPP协议注意:1、PPP协议只保证无差别的接受(CRC校验),提供检错但不提供纠错功能,是不可靠的协议传输,因此也不采用序号和确认机制。2、PPP仅支持点对点协议,不支持多路。3、PPP只支持全双工。4、PPP两端可以运行不同的网络层协议,因为NCP的存在可以使用同一个PPP进行通信,5、PPP是面向字节的,默认为异步线路采用字符填充法,也支持在同步线路用硬件来完成比特填充。
HDLC协议
HDLC高级数据链路控制协议是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议,所有帧采用CRC检验,对信息帧进行顺序编号,可防止漏收或重份,传输可靠性高。采用全双工通信。数据报文可透明传输,用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现。
HDLC站:主站(负责控制链路,发出帧为命令帧);从站(受控于主站,按主站命令进行操作,发送帧为相应帧);复合站(既能发送,又能接收命令帧和响应帧,并且负责整个链路的控制)。
HDLC三种操作方式:1、正常响应方式:从站发送数据需要得到主站同意;2、异步平衡方式:每一个复合站都可以实现对其他站的数据传输。3、异步响应方式:从站无需得到主站允许即可发送。
HDLC的控制字段C按照第一位或第二位的取值不同分为三类,信息帧I(第一位为0,用来传输数据信息或使用捎带技术对数据确认),监督真S(一二位分别为1,0,用于流量控制和差错控制,对信息帧的确认,请求重发,请求暂停等),无编号帧U(一二位均为1,用于对链路的建立、拆除等控制功能)。
PPP帧和HDLC帧的区别:1、PPP协议面向字节,HDLC协议面向比特。2、PPP帧比HDLC帧多一个2B的协议字段。3、PPP协议不用序号和确认机制,只保证无差别接受(用硬件进行CRC检验),而端到端的差错检验由高层协议负责。HDLC协议的信息帧采用了编号和确认机制,能够提供可靠传输。4、HDLC和PPP都只支持全双工,都可以实现对数据的透明传输。
3.8 数据链路层设备
物理层拓展以太网通过光纤调制器和光纤解调器,也可以通过集线器来扩展冲突域,但效率变低了。数据链路层的以太网拓展利用网桥和以太网交换机。
3.8.1 网桥
两个或多个以太网通过网桥连接后,就成为一个更大的以太网,而组成的每一个以太网就称为一个网段。网桥工作在数据链路层的MAC子层,则可以使以太网各个网段成为隔离开的冲突域。
网桥特点:1、必须具有寻址和路径选择功能,以确定帧的传输方向。2、从源网络接收帧,以目的网络的介质访问控制协议向目的网络转发帧。3、网桥在不同或相同的LAN中存储并转发帧必要时还应进行链路层上的数据转换。4、网桥基本不对接收到的帧做修改。5、网桥应该由足够打的缓冲空间,因为帧的到达速率可能高于转发速率。
网桥的优点:1、过滤通信量。2、扩大物理范围。3、可以使用不同的物理层。4、可以互联不同的局域网。5、可靠性增强。6、性能更加高。缺点:1、存储转发增加了时延。2、MAC子层没有流量控制功能(流量控制需要编号机制,编号机制在LLC子层)。3、不同的MAC子层的网段桥接在一起,需要进行帧的格式转换。4、广播信息过多时会产生广播风暴。
网桥具有路由选择功能。按照路径选择算法不同,分为透明网桥和源路由网桥。透明网桥使用一种生成树算法,选择的不是最佳路由。源路由网桥选择是最佳路由。
3.8.2 局域网交换机
实质上是多口的网桥,工作在数据链路层。利用以太网交换机可以方便的实现虚拟局域网VLAN,VLAN不仅可以隔离冲突域,也可以隔离广播域。
交换机Switch原理:检测从以太端口来的数据帧的源和目的地址MAC地址,然后在系统内哦不动态查找表进行比较,若数据帧的MAC地址不在查找表内,则将该地址加入查找表,并且将数据帧发馊给相应的目的端口。
交换机的特点:1、以太网交换机连接的主机都是独占传输媒体,无碰撞的传输数据。2、以太网交换机是通过自学习算法建立转发表的。3、总线以太网使用CSMA/CD协议,以半双工方式工作,而以太网交换机不使用共享总线,没有碰撞问题,因此不使用CSMA/CD协议,一般工作在全双工方式。
3.8.3 广播域、冲突域
广播域:网络中能收到任一设备发出的广播帧的所有设备的集合。简单就是如果一个站点发送一个广播信号,所有能接受到这个信号的设备范围成为广播域。广播域是基于第二层(数据链路层),广播域可以跨网段。
冲突域:在同一个冲突域中每个结点都能够收到被转发帧,简单就是同一时间只能有一个设备发送信息的范围。冲突域是基于第一层(物理层)。
网段:一般指一个计算机网络中使用同以物理层设备能够直接通信的部分。
Hub所有端口都在同一个广播域,冲突域内。Switch所有端口都在同一个广播域内,而每一个端口就是一个冲突域。文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-713265.html
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