该文章是博主在计算机网络课程学习中的知识点、书、和老师讲义内容整理。

参考书籍：《计算机网络（第8版）》——谢希仁

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文章目录

前言一、概述1.计算机网络概述2.互联网概述3.互联网的组成4.计算机网络在我国的发展5.计算机网络的类别6.计算机网络的性能7.计算机网络的体系结构二、物理层1.物理层的基本概念2.数据通信的基础知识3.信道的极限容量4.物理层下面的传输媒体5.信道复用技术6.数字传输系统和宽带接入技术等内容三、数据链路层1.数据链路层的基本概念2.使用点对点信道的数据链路层3.PPP协议4.使用广播信道的数据链路层——局域网的数据链路层5.使用广播信道的以太网6.扩展的以太网7.高速以太网8.虚拟网络设备工作原理9.虚拟局域网总结

前言

计网的知识点比较多，需要按照逻辑将所有点串在一起，并且需要经常复习和记录！！！

以“网络体系结构为主线，按照网络分层结构自底向上”逐层学习计算机网络基本原理和技术。

要特别注意本博客中的斜体处理的字，关键词！！！

一、概述

1.计算机网络概述

计算机网络在信息时代的作用

（1）21 世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。

（2）网络现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。

（3）网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。

（4）发展最快的并起到核心作用的是计算机网络计算机网络的产生

（1）计算机网络源于计算机技术与通信技术相结合

（2）1946年——ENIAC（第一台电子计算机）

（3）20世纪50年代，计算机与通信技术相结合，产生了计算机网络计算机网络的定义

（资源共享观点的计算机网络定义）：以能够相互共享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合。

（1）网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享；

（2）互连的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机系统”；

（3）连网计算机在通信过程中必须遵循相同的网络协议。

2.互联网概述

互联网

（1）起源于美国的互联网（Internet）现已发展成为世界上最大的覆盖全球的计算机网络

（2）互联网 != 计算机网络 互连网 != 互联网

（3）互连网（internet）是网络的网络（多个网络通过路由器相互连接起来，构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。）

（4）互联网的前身：ARPANET

（5）TCP/IP协议是互联网上的标准互联网的具体构成

（1）主机（端系统）：运行网络应用.

（2）通信链路：光缆、铜线、无线电、卫星。传输率=带宽

（3）路由器：转发分组互联网发展的三个阶段

(三个阶段有部分重叠。)

（1）单个网络ARPANET向互连网发展，向互联网发展（1983年——互联网诞生时间）

（2）三级结构的互联网/NSFNET（主干网、地区网、校园网/企业网）

（3）全球范围的多层次ISP结构的互联网

3.互联网的组成

互联网的组成

（1）边缘部分/资源子网：（第4层以上）

由所有连接在互联网上的主机组成。

这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频、视频）和资源共享。

例如：路由器、PC机、智能手机

（2）核心部分/通信子网：（第3层以下）

由大量网络和连接这些网络的路由器组成。

这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

互联网的边缘部分

（1）处理互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机（端系统）。如web，Email。

（2）在网络边缘的端系统之间的通信方式：客户-服务器方式（C/S），对等方式（P2P）

（3）客户-服务器方式：（如Web浏览器/服务器，Email客户端/服务器）

客户和服务器都是指通信中所涉及的两个应用进程。

客户和服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。

客户——服务请求方，服务器——服务提供方。

资源通常放在服务器。

（4）对等方式：（P2P）

两台主机通信时不区分服务请求方和服务提供方。

最小化或不使用服务器。

P2P的扩展性好，分发节点，用户越多，性能越好。互联网的核心部分

互联的路由器网

（1）为降低通信线路造价，大型网络主要采用部分连接的拓扑结构。

（2）实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换、分组交换。

（3）电路交换：

数据传输前需要建立一条端到端的通路。

三个阶段：建立连接——通话——释放连接

优点：传输延迟小，数据传输速率稳定不变（线路两端具有相同的传输速率）。

缺点：建立连接时间长/线路利用率低（一旦建立连接独占线路/进行数据传输，一条连接的大部分时间都空闲）/无纠错机制。

电路交换主要是为传输语音而设计。

（4）报文交换：

整个报文作为一个整体一起发送。

在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待

信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。

这种数据传输技术称为存储转发。

缺点：报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。/大报文造成存储转发的延时过长/出错后整个报文全部重发。

（5）分组交换：

将报文划分为若干个大小相等的分组（Packet）进行存储转发。

更长的报文将被分割成多个分组，每个分组中包含了部分用户数据和一些控制信息。中间节点对分组进行存储并传递给下一个节点。

·在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块

·每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包）

·依次把各分组发送到接收端

·接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文

首部的重要性：每一个分组的首部都含有地址等控制信息。/分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。/用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。

优点：高效（动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。）/灵活（以分组为传送单位和查找路由。）/ 迅速（不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。）/可靠（完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性）

缺点：分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。/分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

分组交换>报文交换

分组交换、电路交换效率大小不一定。

4.计算机网络在我国的发展

1980 年——铁道部开始进行计算机联网实验。

1989 年11 月——我国第一个公用分组交换网 CNPAC 建成运行。

1994 年 4 月 20 日——我国用 64 kbit/s 专线正式连入互联网，我国被国际上正式承认为接入互联网的国家。

1994 年 5 月——中国科学院高能物理研究所设立了我国的第一个万维网服务器。（中国互联网（Internet）之父——钱天白）

1994 年 9 月——中国公用计算机互联网 CHINANET 正式启动。

我国规模最大的5个全国范围的公用计算机网络：

(1) 中国电信互联网 CHINANET

(2) 中国联通互联网 UNINET

(3) 中国移动互联网 CMNET

(4) 中国教育和科研计算机网 CERNET

(5) 中国科学技术网 CSTNE

5.计算机网络的类别

网络的作用范围

（1）广域网 WAN (Wide Area Network)：作用范围通常为几十到几千公里。

（2）局域网 LAN (Local Area Network)：几米到几公里

（3）城域网 MAN (Metropolitan Area Network)：介于广域网与局域网之间

（4）个人区域网PAN (Personal Area Network)：范围大约在10米左右网络的使用者

（1）公用网 (public network)

（2）专用网 (private network)通信介质

（1）有线网

（2）无线网拓扑结构

（1）星形结构

（2）层次结构或树形结构

（3）总线形结构

（4）环形结构

（5）点到点部分连接的不规则形

（6）点到点全连接结构（N个节点需N*(N‐1)/2条线）

6.计算机网络的性能

速率

（1）比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。

（2）速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等

（3）速率往往是指额定速率或标称速率。带宽

（1）“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。

（2）（计算机网络）现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s(bit/s)。

（3）常用的带宽单位：

千比每秒，即 kb/s （103 b/s）

兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）

吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）

太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）吞吐量

吞吐量： (throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。即在发送者和接收者之间传送比特的速率。

瞬时：接收时的速率

平均：一段时间内的速率时延

（1）传输时延（发送时延）：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。（也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。）

（2）传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。（信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。区分(1)(2)）

铜线电缆中的电磁波传播速率：2.3乘10的5次方 km/s

光纤中电磁波传播速率：2.0乘10的5次方 km/s=2.0乘10的8次方 m/s

（3）处理时延：结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。

（4）排队时延：结点缓存队列中分组排队所经历的时延。（排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。）

在总时延中，究竟哪一种时延占主导地位，必须具体分析。例如：局域网中发送时延占主导；卫星通信中传播时延占主导。时延带宽积

表示链路可以容纳多少个比特。

又称为以比特为单位的链路长度。往返时间RTT

往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。

（当使用卫星通信时，往返时间 RTT 相对较长，是很重要的一个性能指标。）利用率

（1）信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。

（2）网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。

（3）信道利用率并非越高越好

D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延（设现在的网络利用率为U）。

信道利用率或网络利用率过高就会产生非常大的时延。

7.计算机网络的体系结构

在计算机网络的基本概念中，分层次的体系结构（或架构）是最基本的。

网络体系结构的分层结构

在网络分层结构中，第N层是第N-1层的用户，同时是第N+1层的服务提供者。（上一层是下一层的用户，下一层是上一层的服务提供者。）

分层结构的好处： 各层之间相互独立；灵活性好； 结构上可以分割；易于实现和维护；有利于促进标准化

层次结构方法包括三个内容：分层及每层功能，服务与层间接口，协议。

计算机网络体系结构的定义

计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。（计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。）

实体、协议、服务和服务访问点

（1）实体(entity) ：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

（2）协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。

协议的三要素：

·语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应，即“讲什么” 。

·语法：数据与控制信息的结构或格式，即“怎么讲” 。

·同步：事件实现顺序的详细说明。

在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。

要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。

（3）本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。

协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。

服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。

（4）同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)

法律上的国际标准（OSI/RM）——七层协议体系结构

物理层：在物理介质上透明地传输比特流

数据链路层：为穿越物理链路的信息提供可靠的传输手段，为数据块发送提供必要的同步，差错控制和流量控制

网络层：主要任务是如何将分组从源传送到目的地

运输层：提供可靠的、透明的端到端数据传输，并提供端点间的错误校正和流量控制

会话层：为应用程序间的通信提供对话控制机制

表示层：定义了两个应用之间进行交换的数据格式

应用层：提供给用户访问OSI环境的手段

事实上的国家标准（TCP/IP）——四层协议体系结构

讲述原理的五层协议（不是一个标准！用来学习）——五层协议的体系结构

计算机1向计算机2发送数据：

计算机1：

（1）应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层PDU（协议数据单元）。

（2）应用层 PDU 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文

（3）运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为IP 数据报（或分组）

（4）IP 数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧

（5）数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体

（6）电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层

计算机2：

（7）物理层接收到比特流，上交给数据链路层

（8）数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层

（9）网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层

（10）运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层

（11）应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程

（12）计算机2收到计算机1发类的应用程序数据

二、物理层

1.物理层的基本概念

物理层的基本概念

（1）物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

（2）物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。

（3）用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。物理层的主要任务

主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。

（1）机械特性 ：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。

（2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

（3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

（4）过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

一些典型的物理层标准接口：LPT、USB、RJ45、EIA RS-232-C

2.数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

一个数据通信系统包括三大部分：

（1）源系统（或发送端、发送方），包括源点（源站、信源）、发送器

（2）传输系统（或传输网络），包括接收器（目的站、信宿）、终点

（3）目的系统（或接收端、接收方）有关信道的几个概念

（1）单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。单行道

（2）双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。独木桥

（3）双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

调制分为两大类：双行道

（4）基带信号（基本频带信号）：来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。

（5）基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码(coding)。

（6）带通调制：使用载波(carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

（7）带通信号：经过载波调制后的信号。常用编码方式

（1）不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。

（2）归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。

（3）曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。

（4）差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1。

曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。基本的带通调制方法（二元调制方法）

（1）调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。

（2）调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。

（3）调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

复杂多元制：正交振幅调制QAM

3.信道的极限容量

（1）任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

（2）码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。奈式（Nyquist）准则

理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud （W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)）

每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。（Baud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送 1 个码元。）波特率与比特率的关系

1 Baud = （log2M） bps（其中，M表示一个码元中能表示的离散性信号或电平的个数；）

一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）。信噪比

信噪比(dB) = 10 log10(S/N) (dB)香农公式

信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s

（W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；S 为信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率。）补充

（1）实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。

（2） 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

（3）波特 != 比特。波特是码元传输的速率单位（每秒传输多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。比特是信息量的单位。

4.物理层下面的传输媒体

传输媒体（传输介质）

传输媒体可以分为导引型（有线）和非导引型（无线）

在有线介质中，电磁波沿着物理通路呈导向性传播。

无线介质可以传播电磁波，但并不为它们导向。

（1）导引型传输媒体有：双绞线、同轴电缆、光纤等

（2）非导引型传输媒体一般指自由空间（大气、真空）双绞线

(1)非屏蔽双绞线（UTP）

优点：容易安装，价格低。/尺寸较小，节省空间。

缺点：易受电磁干扰/传输距离短

一般布于星型结构

(2)屏蔽双绞线（STP）

优点：对所有类型的外界干扰更有效阻止。

缺点：安装费用和难度更大，屏蔽线更粗，更昂贵。

5个种类的UTP标准：

最常用的UTP是5类线（CAT5）。同轴电缆

（1）同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编制的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及绝缘保护层所组成。

（2）同轴电缆分为基带同轴电缆(50欧姆)、宽带同轴电缆(75欧姆)

（3）基带同轴电缆分为粗缆和细缆。光纤

（1）光纤（optical fiber）即光导纤维。利用光导纤维作为光的传输介质，以光波为信号载体的光纤通信。由于可见光的频率非常高，约为 10^8 MHz 的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

（2）光纤的结构

纤芯：具有高折射率的纯玻璃

包层：具有较低折射率的玻璃或塑料制成

护套：塑料制成的保护套

（3）光纤的工作原理

（4）光纤模式类型

多模光纤（存在色散现象，适于中短距离中小容量的通信）

单模光纤（传输距离远；衰减小；传输速率高；但价格昂贵；适于大容量远距离通信）

（5）在光纤通信中常用的三个波段的中心分别位于850nm，1300nm，1500nm

（6）光纤通信的优点：

·通信容量非常大。

·传输损耗小，中继距离长。

·抗雷电和电磁干扰性能好。

·无串音干扰，保密性好。

·体积小，重量轻非导引型传输媒体

（1） 将自由空间称为“非导引型传输媒体”。

无线电波（全向）/地面微波（定向）/卫星微波（定向）/红外传输（定向）/激光（定向）

（2）有一些无线电频段是可以自由使用的。——ISM

5.信道复用技术

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。在同一介质上，同时传输多个有限带宽信号的方法，被称为多路复用。多路复用提高了线路利用率。

频分复用FDM

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（这里的“带宽”是频率带宽）。

（老师上课举的例子：一个足球场看作是总带宽资源，频分复用就是所有足球队在同一时间在足球场的不同区域活动）时分复用TDM

时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。（TDM帧）

（时分复用就是足球场的固定区域，一会让第一个队使用，一会让第二个队使用，并且周期交替）

每一个用户所占用的时隙是周期性的出现（其周期就是TDM帧的长度）

TDM帧也成为等时信号。

统计时分复用STDM（不固定分配时隙，按需动态分配时隙）波分复用WDM

波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。码分复用CDM

（1）常用的是码分多址 CDMA(Code Division Multiple Access)。

（2）各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。这种通信方式是扩频通信的一种。

（3）CDMA重要特点：给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交。

（4）CDMA——同样的时间占用同样的频带宽度。

6.数字传输系统和宽带接入技术等内容

见《计算机网络（第8版）》第二章相关内容，在本博客不重点介绍。

三、数据链路层

1.数据链路层的基本概念

数据链路相关几个概念

（1）结点：主机和路由器

（2）链路：沿着通信路径连接相邻结点的通信信道

（3）数据链路：除了物理链路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。

（4）第2层数据封装单元：帧。

（5）数据链路层：负责从一个结点到一个相邻结点的链路上传输帧。（ISO定义：数据链路层的目的是为了提供功能上和规程上的方法，以便建立、维护和释放网络实体间的数据链路。）两种链路类型（信道类型）

（1）点对点（信道）：这种信道使用一对一的点对点通信方式。

包括：PPP拨号访问、在以太网交换机与主机间的点对点链路

（2）广播（信道）/共享链路/媒介：这种信道使用一对多的广播通信方式（过程比较复杂）。

包括：传统以太网、802.11无线局域网、卫星通信数据链路控制要解决的问题:

如何在有差错的线路上进行无差错的传输。数据链路层的主要功能：

（1）链路管理

（2）成帧

（3）流量控制

（4）差错控制

（5）透明传输链路层通过“适配器”（网络接口卡NIC）实现。

2.使用点对点信道的数据链路层

数据链路层的三个基本问题：

（1）封装成帧

（2）透明传输

（3）差错检测

封装成帧

（1）封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。

（2）首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界（确定帧的界限）。

（3）每一种链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限——最大传输单元MTU。

（4）用控制字符进行帧定界：

帧开始符：SOH（00000001）

帧结束符：EOT（00000100）

透明传输

（1）数据部分不管出现什么字符，都可以放在帧传输过去，这样的传输才是透明传输。

（2）透明的含义：数据链路层没有什么妨碍数据传输的东西，对这些数据来说数据链路层就像“看不见”一样。

（3）SOH/EOT这样的字符会出现“误判”，误认为数据部分的SOH/EOT为帧的边界。

解决：

字节填充（字符填充）：在发送端的数据链路层中出现控制字符SOH/EOT前面插入一个转义字符“ESC”（00011011），而在接收端的数据链路层在把数据送往网络层之前删除插入的转义字符。如果转义字符也在数据部分，就在转义字符前插入一个转义字符，碰到两个转义字符，删除前面的一个。

差错检测

（1）在传输过程中可能会产生比特差错，1和0转变。

（2）在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率成为误码率BER。

（3）检错码：能发现出错，不能校正 / 纠错码：能发现并自动校正

（4）数据链路层常用——循环冗余校验CRC（Cyclic Redundancy Check）。

（5）奇偶校验码只能检验奇数个错。

循环冗余校验码CRC（检错码）

注意：

（1）只用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。

（2）无差错接受的含义：凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错。也就是说：凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错（有差错的帧就丢弃而不接受）。

（3）要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。

（4）这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数，那么出现检测不到的差错的概率就很小。

（5）无比特差错 != 无传输差错

在数据链路层使用 CRC 检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。（本博客涉及的数据链路层协议都不是可靠传输的协议。）

3.PPP协议

目前使用最广泛的数据链路层协议——PPP协议（Point-To-Point Protocol）

（用户使用拨号电话线接入因特网，一般都是用PPP协议）PPP协议的三个组成部分：

（1）一个将IP数据报封装到串行链路的方法。

（2）链路控制协议LCP（Link Control Protocol）

（3）网络控制协议NCP（Network Control Protocol）PPP协议的帧格式：

（1）首部的第一个字段和尾部的第二个字段都是标志字段F，规定为0x7E。标志字段就是PPP帧的定界符。首部的地址字段A规定为0xFF，控制字段C规定为0x03。

首部的第四个字段协议字段（2字节）：

当协议字段为 0x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。

若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。

若为 0x8021，则表示这是网络控制数据。

（“协议”字段对应“接口”或“服务访问点”，值不同，对应高层协议不同）

（2）透明传输：

同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成零比特填充（和 HDLC的做法一样）。

异步传输时，就使用一种特殊的字节填充法（或字符填充法）。

（3）PPP协议不提供使用序号和确认的可靠传输。

（4）PPP协议的状态图：

4.使用广播信道的数据链路层——局域网的数据链路层

局域网概述

（1）局域网（LAN）使用广播信道。

（2）20世纪70年代末发展起来，局域网技术在计算机网络中占有非常重要的地位。

（3）局域网最重要的特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限

（4）局域网的优点：

·具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。

·便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。

·提高了系统的可靠性、可用性和生存性。局域网的三个关键技术

（1）拓扑结构（逻辑、物理）：总线形、星形、环形

（2）介质访问（媒体介入）方法 按协议实现信道共享：ALOHA、CSMA/CD和Token-passing

（3）信号传输形式：基带、宽带LAN拓扑结构：

（1）总线形：所有结点都直接连接到共享信道

（2）星形：所有结点都连接到中央结点

（3）环形：结点通过点到点链路与相邻结点连接LAN传输形式：

（1）基带传输：传送数据时，以原封不动的形式把来自终端的数据送入线路。

（2）宽带传输：在发送端，用基波脉冲对载波进行调制

（3）传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤等LAN数据链路层的两个子层

局域网对LLC子层是透明的。局域网媒体共享技术

（1）静态划分信道：频分复用/时分复用/波分复用/码分复用

（2）动态媒体接入控制（多点接入）：

·随机接入

·受控接入，如：多点线路轮询两种常见的介质访问（媒体接入）控制方法：

（1）载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）

·工作原理：发送前先监听。每个站点在发送数据之前要监听信道上是否有数据在传送。若有，则此站不能发送，需等待一段时间后重试。

·载波监听策略：

非监持策略：一旦听到信道忙，就不再监听；延迟一个随机时间后再次监听。

坚持CSMA：监听到信道忙，仍继续监听，直到信道空闲。

坚持CSMA分为：1-坚持CSMA（一听到信道空闲就立即发送数据）/p-坚持CSMA（听到信道空闲时以概率p发送数据，以概率1-p延迟一段时间后再发送）

CSMA不能解决发送中出现的冲突现象。

·CSMA/CD（带冲突检测的载波监听多路访问）：（老师总结的四句话）

发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避

注意：争用期为51.2微妙，对于10Mbit/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。

所以凡长度小于64字节（一个争用期发送比特数）的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

（2）令牌传递（令牌环、令牌总线）

5.使用广播信道的以太网

以太网的两个标准：

（1）事实上——DIX标准（DEC公司、英特尔公司、施乐公司）

（2）法律上——IEEE802.3

（两个标准的帧格式不同）

IEEE802.3规范：

传统以太网：

（1）802.3 —— 同轴电缆Ethernet

（2）802.3a —— 细缆Ethernet

（3）802.3i —— 双绞线

（4）802.3j —— 光纤

快速以太网FE：

（5）802.3u ——双绞线，光纤

千兆以太网GE：

（6）IEEE802.3z ——屏蔽短双绞线、光纤

（7）IEEE802.3ab —— 双绞线

802.3布线介质标准：

10Base5 粗同轴

10Base2 细同轴

10BaseT 双绞线

10BaseF MMF

100BaseT 双绞线

100BaseF MMF/SMF

1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF

1000BaseT 双绞线

以太网的信道利用率

只有当参数a远小于1才能得到尽可能高的极限信道利用率。

IEEE802.3/Ethernet MAC帧格式

PA： 前同步码 – 10101010序列，用于使接收方与发送方同步

SFD：帧首定界 – 10101011

DA：目的MAC地址； SA： 源MAC地址

LEN：数据长度（数据部分的字节数）（0-1500B）

Type：类型。高层协议标识

LLC PDU + Pad （Data + Pad）：最少46字节, 最多1500字节

Pad：填充字段，保证帧长不少于64字节（若Data域≥46字节，则无Pad）

FCS：帧检验序列（CRC-32）

以太网的MAC地址

（1）IEEE802标准为每个DTE规定了一个48位的全局地址，它是站点的全球唯一的标识符，与物理位置无关。——MAC地址（硬件地址或物理地址）

（2）MAC地址长度为6B（48位）。

（3）MAC地址的前3个字节（高24位）由IEEE统一分配给厂商，称为组织唯一标识符OUI，低24位由厂商分配给每一块网卡，称为扩展唯一标识符。

（4）网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址。

参考5图片IEEE802.3和以太网v2MAC帧格式：

区别：由于以太网有效帧的最大长度是1518字节（不包括开头8个字节的前同步码和帧开始定界符），因此当MAC帧的第三个字段（LEN/Type）值大于0x0600（十进制的1536），这个字段就表示“类型”。只有当这个字段值小于0x0600时才表示“长度”。

6.扩展的以太网

在物理层扩展以太网

（1）光纤

（2）中继器、集线器在数据链路层扩展以太网

（1）网桥

（2）交换机

7.高速以太网

100BASE-T以太网

（1）速率达到或超过 100 Mbit/s

（2）在双绞线上传送 100 Mbit/s 基带信号的星形拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。

（3）1995年定为正式标准：IEEE 802.3u

（4）特点：

·可在全双工方式下工作而无冲突发生。在全双工方式下工作时，不使用 CSMA/CD 协议。

·MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。

·保持最短帧长不变（64字节），但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。

·争用期从原来的51.2 ms改为 5.12 ms，帧间间隔从原来的 9.6 ms 改为 0.96 ms。

（5）物理层标准：

千兆以太网

（1）提供1000Mbps数据传输速率的以太网。

（2）两种标准：

·802.3z 1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF

·802.3ab 1000BaseT 无屏蔽双绞线(5类，6类)

（3）千兆以太网引入

·载波延伸（carrier extension）

·分组突发（packet bursting）

·争用期：512字节（最短帧长仍为64字节）

（4）物理层标准：

10Gbps以太网标准：802.3ae

8.虚拟网络设备工作原理

转发器/中继器

（1）第1层网络设备。（物理层）

（2）在比特级上对网络信号进行再生和重定时，从而可以使它们可以在网络介质上传输更长的距离。

（3）连接不能形成环/四中继器原则

（4）不能对网络流量进行过滤集线器

（1）第1层网络设备。（物理层）

（2）对信号进行再生并且把它放大到所有的端口。

（3）集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。

（4）使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。

（5）集线器很像一个多端口的转发器/中继器，工作在物理层。

（6）不能对网络流量进行过滤

（7）集线器所连接的网络处于同一个大的冲突域冲突域（碰撞域）

（1）在网络内部，数据分组产生和发生冲突的这样一个区域被称为冲突域

（2）所有共享介质环境都是冲突域，一条线路可通过接插电缆、收发器、中继器和集线器与另一条线路进行连接，所有这些第1层互连设备都是冲突域的一部分网桥

（1）第2层网络设备。（数据链路层）

（2）网络互连设备。

（3）它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。

（4）当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或把它丢弃。

（5）早期使用网桥，现在主要使用以太网交换机。交换机

（1）第2层网络设备。（数据链路层）

（2）交换式集线器常称为以太网交换机 (switch) 或第二层交换机 (L2 switch)

（3）特点：

·以太网交换机实质上就是一个多接口网桥。（通常有十几个或更多的接口。）

·每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。

·以太网交换机具有并行性。（能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信。）

·相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。

·以太网交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。

·以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。

·以太网交换机使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。

（4）优点（涉及计算）

·用户独享带宽，增加了总容量。

对于普通 10 Mbit/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽 (10 Mbit/s)的N 分之一。

使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是10 Mbit/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 个接口的交换机的总容量为 N*10 Mbit/s。

·从共享总线以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、适配器等都不需要做任何改动。

·以太网交换机一般都具有多种速率的接口，方便了各种不同情况的用户。

（5）交换机只能分隔冲突域，但不能分隔广播域。

交换机可以用来网络分段，分离流量，创建更小的冲突域，使每个用户获取更多带宽

（6）交换方式：

·直通方式

·存储转发方式

·无碎片直通方式以太网交换机的自学习功能

（1）以太网交换机运行自学习算法自动维护交换表。

（2）自学习和转发帧归纳：

·交换机收到一帧后先进行自学习。查找交换表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。

·······如没有，就在交换表中增加一个项目（源地址、进入的接口和有效时间）。

·······如有，则把原有的项目进行更新（进入的接口或有效时间）。

·转发帧。查找交换表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。

·······如没有，则向所有其他接口（进入的接口除外）转发。

·······如有，则向交换表中给出的接口进行转发。

·······若交换表中给出的接口就是该帧进入交换机的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过交换机进行转发）。

（3）IEEE 802.1D 标准制定了一个生成树协议 STP (Spanning Tree Protocol)。

不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象。

9.虚拟局域网

虚拟局域网概述

（1）利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网VLAN (Virtual LAN)。

（2）虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机是属于哪一个VLAN。

（3）虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。可以解决“广播风暴”带来的性能恶化问题。帧格式：（802.3ac标准）

划分虚拟局域网的方法

（1）基于交换机接口

（2）基于计算机网卡的MAC地址

（3）基于协议类型

（4）基于IP子网地址

（5）基于高层应用或服务

总结

大家一起认真学习计算机网络，本博客仅供大家借鉴学习，请勿转载！！！

最后感谢我的计算机网络老师孔老师！！！