计网
1. 概述
2. 物理层
3. 链路层
4. 网络层
5. 传输层
6. 应用层
7. 一些问题
8. 计网软件编程——Ethernet&ARP

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3. 链路层

链路：从一个结点到相邻结点的一段物理线路

数据链路：将实现协议的硬件和软件加到连路上构成数据链路

• 通信协议控制在链路上的数据传输

3.1 链路层功能

3.1.1 为网络层服务

提供三种服务

• 无确认的无连接服务

• 有确认的无连接服务

• 有确认的有连接服务

  有连接就一定要确认

3.1.2 链路管理

用于面向连接的服务，数据链路连接建立、维持和释放的过程

3.1.3 组帧、帧同步、透明传输

3.1.4 差错控制

保证每一帧有且仅有一次正确地交付给接收方

3.1.5 流量控制

限制发送方的数据流量，使其发送速率不超过接收方的接收能力

• 链路层：控制两结点间数据链路上的流量
• 运输层：从源端到目的端间的流量

流量控制需要反馈机制的支持，即发送方需知道什么情况下可以接着发送下一帧，什么情况下暂停发送等待反馈信息

可靠传输

可靠传输：发送端发送啥，接收端接收啥

链路层的可靠传输与差错控制、流量控制是交织在一起的

• 在计算机网络中，数据的传输过程可能引起数据的丢失，出错等，因此一个可靠传输需要实现差错控制，确认和自动重传请求是实现差错控制的机制

确认：接收方向发送方反馈接收到正确的帧

超时重传：发一个帧启动相应的计时器，超时为收到确认，则发送方重发该帧

自动重传请求（ARQ）：接收方请求发送方重发出错帧的机制

3.1.6 介质访问控制

为使用介质的每个结点隔离同一信道上其他结点传输的信号

信道划分：把原来的一条广播信道，逻辑上分为几条用于结点间通信的互不干扰的信道

3.2 流量控制

流量控制基本基本方法是由接收方控制发送方的速率

3.2.1 原理

a. 停止-等待流量控制基本原理

发送方每发送一帧，都要等待接收方的应答信号，才能发送下一帧；接受方收到一帧，发送一个反馈信号，表示可以接受下一帧

b. 滑动窗口

发送窗口：发送方维护着一组连续的允许发送的帧的序号

接受窗口：接收方维护着一组连续的允许接受的帧的序号

发送方行为

• 发送方有可以发送的帧，才能发送
• 发送方每收到一个确认帧，发送窗口就向前滑一个帧
• 当发送窗口内没有可以发送的帧，发送方会停止发送，等待确认帧

接收方行为

• 接收方收到帧后，将窗口前移一，并发回确认帧

• 在接收方，落在接收窗口外的帧会被丢弃

性质

• 接收窗口为1时，可保证有序接收
• 在链路层的滑动窗口协议中，窗口大小是固定的

3.2.2 协议

a. 停等协议(单帧滑动窗口)

适用于网络传输可靠性差且分组易丢失的情况

b. 后退N帧协议GBN

发送窗口大小 $1\le W_T\le 2^n-1$

• 帧的编号为 n bit，假设发送窗口大小为 $2^n$，当收到 $AC{K}_0$ 时，无法确认是首部的0号帧还是尾部的0号帧

c. 选择重传协议SR

$接收窗口W_R+发送窗口W_T\le 2^n$ ，且 $接收窗口W_R\le 发送窗口W_T$ 发送窗口在接收窗口更新后才更新，故一般情况 $W_R=W_T$

性能指标

$发送周期=发送时延+RTT$ ：开始发送数据到接收到第一个ACK

• RTT：发送的数据的传播时延+ACK的传播时延

$信道利用率=\frac{发送时延}{发送周期}=\frac{\frac{发送数据量}{发送速率}}{发送周期}$ ：发送方在一个发送周期内发送数据的有效时间占发周期的比例

$信道吞吐率=信道利用率\times 发送方的发送速率$

$窗口数=\frac{发送周期}{单帧发送时延}$

3.3 介质访问控制

3.3.1 随机介质访问控制

介质由一个用户独占

胜者通过争用获得信道，从而获得发送信息的发送权

a. ALOHA协议

b. CSMA协议

c. CSMA/CD

检测到冲突，立即停止发送

d. CSMA/CA

即使发生冲突，也要坚持发完

3.3.2 轮询介质访问控制

有差错检测，不产生冲突，独占带宽

3.4 局域网

3.4.1 局域网的概念

小范围，如一个学校一个公司，将各种计算机、外部设备和数据库系统通过连接介质互相连接起来

特点

• 一个单位拥有，地理范围和站点数都有限
• 所有站点共享总带宽
• 较低的时延和误码率
• 各站为平等关系
• 能进行广播和组播

分类：

• 以太网：802.3
• 令牌网：802.5
• 无线局域网：802.11

在IEEE802中，各结点间只有唯一的链路，不需要进行路由选择和流量控制，所以不设置网络层

a. 拓扑结构

星形

• 中心是控制中心，任两结点通信只需要两步
• 传输速度快
• 可靠性差
• 中心结点故障敏感

总线形

• 单点故障小
• 是常用的拓扑结构

环状结构

• 单点故障敏感

• 时延长

• 不便扩充

  拓扑建好，通信方向即确定

b. 传输介质

双绞线为主流传输介质；同轴电缆，光纤

c. 介质访问控制方式

总线形：CSMA/CD；令牌总线

环形：令牌环

3.4.2 IEEE802.3

基带总线形局域网标准，描述MAC子层的实现方法

MAC子层：向上层屏蔽对物理层访问的差异，提供对物理层的同一访问接口

• 介质访问控制方式：CSMA/CD

• 信息以广播方式发送

• 无连接方式

• 尽最大努力交付数据，提供不可靠服务

  不对帧编号，不要求接收方发送确认

• 提供不可靠服务，尽最大努力交付

  只保证无差错接收，不提供流量控制

a. 以太网传输介质

xBASEy:

• x表示传输速率，如10BASE表示10Mb/s
• -T：对应UTP
• -FL：光纤快啊FastLine(肯定不是这个含义，能记住就行)

b. 网卡

用于主机与局域网的连接，网卡上装有处理器和存储器

网络适配器(Adapter)，网络接口卡(NIC)

功能

• 连接局域网、计算机和传输介质的接口
• 实现计算机与传输介质的物理连接和电信号匹配
• 组帧与拆帧
• 帧的发送与接收
• 介质访问控制
• 数据的编码解码（物理层性质，用于差错控制）
• 数据缓存（流量控制）

MAC地址

每块网卡都有唯一代码，MAC地址48个bit ：前24厂家地址

每个字节用 - 或 : 隔开：02-60-8c-e4-b1-21

以太网总线上是广播通信，网卡从网络上接收到一个帧，首先硬件检查MAC帧的目的MAC地址，若是本站的，则收下，不是则丢弃

c. 帧格式

MAC帧：前导码+以太网帧

前导码

• 前：接收端与发送端时钟同步
• 后：帧开始定界符

MAC帧不需要帧结束定界符，以太网发送帧，各帧之间必须有一定间隙，所以其后到达的比特流一定属于一个MAC帧，不需要结束定界符

链路层上的以太网帧，必须加首部和尾部

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地址字段(6+6B)：网卡的MAC地址

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类型(2B)：指出数据域的数据交个哪个协议处理，网络层协议

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数据(46-1500B)：

最少46B，由于CSMA/CD限制，以太网MAC帧数据部分最小为64B，最大1500B

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校验码(4B):

目的地址+类型字段+数据字段，32位CRC校验

3.4.3 IEEE802.11

无线局域网的标准

介质访问控制：CSMA/CA

3.4.4 令牌环网

3.5 广域网

广域网是覆盖范围广长距离网络，任务是长距离运送主机发送的数据

组成：结点交换机+链路

讨论的两个问题

• 路由选择：搜索分组从某个结点到目的结点的最佳传输路由，构造路由表

• 分组转发：根据路由表构造转发表，通过转发表转发分组

3.5.1 与局域网异同

a. 联系

局域网通过广域网和另一个相隔很远的局域网通信，广域网就是用交换机组成的更大的局域网

广域网与局域网都是互联网的构件，从互联网角度，二者等价

连接到同一个局域网或广域网的主机在该网内通信时，只需使用其网络的物理地址

b. 区别

3.5.2 协议

3P协议保证帧没有传输错，但不保证可靠传输

3P协议与HDLC异同

相同点

• 都是全双工协议
• 透明传输
• 差错检测，无纠错

3.6 链路层设备

3.6.1 冲突域与广播域

冲突域：同一冲突域中的每一个结点都能收到所有被发送的帧，即同一时间只能有一台设备发送的范围

广播域：同一广播域中的结点能收到任一设备发出的广播帧，即若一个站点发出一个广播信号，所有能收到这个信号的设备范围为一个广播域

3.6.2 网桥