計算機網絡（物理層，數據鏈路層)

物理層基本概念

• 物理層的作用是儘可能屏蔽掉這些創數媒體和通信手段的差異，使得物理層上的數據鏈路層感覺不到這些差異，考慮的是如何在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流。
• 物理層上的協議稱爲物理層規程。

數據通信基礎

通信系統模型
一個通信系統可劃分爲三部分：源系統，傳輸系統，目的系統

• 源系統
  • 源點：產生要傳輸的數據（數字比特流）
  • 發送器：對數字比特流編碼（調制解調器）
  • 接收器：接收傳輸系統傳來的信號，傳換位目的設備處理的信號（解調器）。
  • 終點：目的設備
• 通信的目的是傳送消息，數據是消息的載體，信號是數據的表現。分爲模擬信號和數字信號

信道
通信電路包括髮送信道和接收信道

• 單向通信：只有一個方向的通信
• 雙向交替通信（半雙工通信）：雙方不能同時發送或者同時接收信號，最多你發我收或反過來。
• 雙向同時通信：全雙工通信
• 信源信號稱爲基帶信號，爲了解決信道傳輸的信號頻率問題，提供了對信號的基帶調製（裝換爲可以傳輸的數字信號）和 帶通調製（利用載波，將數字信號搬到高頻和轉換爲模擬信號)
• 信噪比：信噪比越大，傳輸速率界限越高。

信道複用

• 頻分複用：
  • 用戶在分配到一定的頻帶後，在通信過程中自始而終都佔用這個頻帶，所有的用戶在同樣的時間佔用不同的帶寬資源。
• 時分複用
  • 將時間劃分爲一段段等長的時分複用幀（TDM幀），所用用戶在不同的時間佔用同樣的頻帶寬度。
• 光波複用
  • 光的頻分複用，一條光纖同時傳輸多個頻率很接近的光載波信號。
• 碼分複用
  • 同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信，各個用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，不會造成干擾。
  • 每一個比特時間再劃分爲m個短的間隔的碼片，每個站被指派一個唯一的m bit的碼片序列。一個站如果要發送1則發送自己的碼片序列，發送0則發送該碼片的序列的二進制反碼。

寬帶接入技術

• 用戶要連接互聯網必須先連接某個ISP,以便獲得上網所需的IP地址。
• 寬帶： 傳輸速率達到一定高度的傳輸線路，分有線寬帶和無線寬帶。
  非對稱數字用戶線ADSL：
  • 用數字技術對現有的模擬電話用戶線改造，低頻留給傳統電話使用，高頻用於上網。下行的（ISP到用戶）帶寬遠大於上行帶寬。（調製調節器的DMT技術使用頻分複用，高頻信道較多用於下行）
  • 基於ADSL的接入網分三部分：數字用戶線接入複用器（如ADSL調制解調器），用戶線，用戶設備，ADSL成對出現，電話端局爲ATU-C ,用戶家爲ATU-R，過程：用戶電話通過電話分離器和ATU-R連接在一起，通過用戶線到端局，端局通過一個電話分離器和ATU-C接入本地電話交換機。
  • ADSL是利用用戶線兩端的ADSL調制解調器對數字信號進行調製，使得調製後的數字信號適合在原來的用戶線傳輸，而用戶線不用變化，也可以把用戶PC產生的數字信號傳輸到ISP。

**光纖同軸混合網（HFC網）

• 爲了提高傳輸的可靠性和電視信號的質量，HFC網把原優先電話網中的同軸電纜主幹部分改爲光纖。光纖從頭端接入到光纖結點，光纖結點把光信號轉換爲電信號，通過同軸電纜傳送到用戶家庭。
• 現有的模擬信號電視機需要通過機頂盒設備才能接收到數字電視信號，機頂盒設備連接在同軸電纜和用戶的電視機之間（機頂盒上內置一個電纜調制解調器，用於用戶PC接入互聯網和上行傳輸交互信息）。

FTTx技術

• 光纖到戶技術，理論上應該是光纖進入用戶家門後再把光信號轉換爲電信號。
• 實際應用中，家庭用戶用不到這麼高的上網速率且代價高，所以採用無源光網絡PON（共享光纖幹線）
  • 光線路終端OLT是連接到光纖幹線的終端設備，將收到的下行信息發送到無源的1：N光分路器，對所有用戶端的光網絡單元進行廣播（每個單元直接自己的數據），再轉換爲電信號發往用戶家，
  • ONU上行數據，先把電信號轉換爲光信號，光分路器再把各ONU的發來的上行數據彙總，發給終端OLT,再送到光纖幹線。

數據鏈路層

數據鏈路層在物理層和網絡層之間，兩個主機在互聯網通信中，看作是在鏈路層平動傳輸，實際上是U形傳輸方式。

學習目標

• 數據鏈路層的點對點信道和廣播信道，以及使用的ppp協議
• 三個基本問題：封裝成幀，透明傳輸，差錯檢測
• 以太網的MAC層的硬件地址
• 適配器，轉發器，集線器，網橋，以太網交換機

點對點信道的數據鏈路層

數據鏈路和幀

• 鏈路（link)：一個結點到另一個結點的物理線路。
• 數據鏈路：把實現通信協議的硬件和軟件加到鏈路，構成數據鏈路，（使用網絡適配器實現協議）
• 幀：點對點信道的數據鏈路層的協議數據單元。
• 兩個結點的點對點信道通信中， 該層把網絡層的數據構成幀在發送到鏈路，以及把接受到的幀中的數據取出並上傳網絡層。通信流程如下
  • 結點A的數據鏈路層把網絡層的IP數據報添加首尾封裝成幀
  • 結點A把幀發送給結點B的數據鏈路層
  • 結點B的數據鏈路層接收到幀，判斷無差錯才提取IP數據報，上交給網絡層，錯誤則丟棄。

三個基本問題

• 封裝成幀 : 在網絡層數據前後添加首尾
  • 首尾用於幀定界（特殊字符），當傳輸中出錯，可以補發數據

• 透明傳輸：幀的結束和開頭的標誌使用特殊字符，使得數據部分不可見
  • 當傳輸文本文件時，數據部分不會出現SOH,EOT等控制字符，都可以在幀中傳輸
  • 當傳輸非ASCII碼的文本文件時，如果數據部分有幀首尾標識符，則出現幀的邊界出錯，爲了實現透明傳輸，在首尾控制字符進行字節填充（插入一個轉移字符ESC，數據部分的轉義字符前後也要插入，當接收端接收兩個轉義字符則刪除一個）。
• 差錯檢測： 比特數據流在傳輸過程中可能出錯，爲了提高數據傳輸的可靠性，必須採用差錯檢測措施。
  • 循環冗餘檢測CRC
    • 在發送端，先把數據分組（M個比特的數據）在M後添加n尾冗餘碼，然後構成幀發送（M+n個比特）
    • 接收端接收到CRC檢驗後，無錯則接收，有錯則丟棄。
  • 幀檢驗序列FCS

點對點協議PPP

因特網用戶通常都通過連接到某個ISP接入因特網，ppp協議就是用戶計算機和ISP通信時使用的數據鏈路層協議。由三個組成部分

• 一個將IP數據報封裝到串行鏈路的方法
• 一個用於建立，配置，測試數據鏈路連接的鏈路控制協議LCP。
• 一套網絡控制協議NCP。

PPP協議幀格式
IP數據報前四個字段，後兩個字段。 定界字段-地址字段-控制字段-協議字段-IP數據報-FCS字段-定界字段

• 爲實現透明傳輸的字節填充
  • 異步傳輸，使用字節填充
  • 同步傳輸，使用零比特傳輸
    PPP協議工作狀態
• 用戶接入ISP，建立一條由用戶PC到ISP的物理連接，
• 用戶PC發送LCP分組（封裝多個ppp幀）,建立LCP連接
• 網絡層配置，網絡控制協議NCP給新接入的用戶分配一個臨時的IP地址。
• 用戶PC成爲因特網的一個由IP地址的主機。
• 通信完畢，NCP釋放網絡層連接，收回IP地址，LCP釋放數據鏈路層連接，最後釋放物理層連接。

使用廣播信道的數據鏈路層

局域網的數據鏈路層

• 局域網特點：
  • 網絡爲一個單位所有，且地理範圍和站點數目均有限。
  • 可以廣播通信
  • 分爲星形，環形，總線形
• 信道共享
  • 靜態劃分信道
  • 動態劃分信道
    • 隨機接入：需要協議解決碰撞
    • 受控接入
• 以太網標準
  • IEEE將數據鏈路層分爲邏輯鏈路控制LLC和媒體介入控制MAC子層。與接入到傳輸媒體有關的信息都存放在MAC層。後續LLC層基本失去作用。
• 適配器：計算機與外界局域網的連接是通過通信適配器（adapter)，適配器本來是主機箱中的一塊網絡接口板（筆記本是PCMIA卡，即個人計算機存儲器卡接口適配器），又稱網絡接口卡NIC(“網卡”)，現在基本都嵌入到主板中。
  • 適配器中裝有處理器和存儲器，而適配器和局域網是通過串行的電纜等進行傳輸，適配器和計算機之間的通信是通過主板上的IO總線以並行的方式進行，適配器的一個主要功能就是進行數據串行傳輸和並行傳輸的轉換。
  • 當計算機要發送IP數據報，就由協議棧把IP數據報向下交給適配器，組裝成幀後發送到局域網。
  • 計算機的硬件MAC地址存放在適配器（網卡），軟件地址(IP地址）存放在計算機的存儲器。

CSMA/CD協議 --廣播信道的數據鏈路層協議

• 廣播特性的一對多通信：每個計算機的適配器(網卡)擁有一個自己獨有的地址，通過適配器與外界局域網通信,在發送數據幀時，在幀的首部寫明接收站點的地址，只有硬件地址一致的接收端適配器才能接收該數據幀。
  • 第一，採用無連接的工作方式，不對數據幀編號，也不要求對方發送確認，提供的服務是盡最大努力的交付，對有差錯幀的重發交給上層決定，這是不可靠的交付。 在同一時刻，總線只能有一臺計算機發送數據，需要通過協議解決衝突，避免衝突。以太網採用CSMA/CD 協議，即載波監聽多點接入/碰撞檢測。
    • 多點接入，指總線型網路
    • 載波監聽，在發送數據前後，每個站點不斷地檢測信道
    • 碰撞檢測，邊發送邊監聽，發送有時延，所以會有衝突。發現衝突則停止發送，等待一段時間再發送。
  • 第二，以太網使用曼切斯特編碼的信號發送數據，方便接收方提取位同步信號。
  • 使用該協議，一個站點只能進行半全雙工通信
  • 以太網的端到端往返時延稱爲爭用期，站點發送數據後，經過爭用期才能確定是否發送成功。
  • 以太網使用截斷二進制指數退避算法，讓發生碰撞的站在停止發送數據後，推遲一段時間（隨機）後重新發送。

總結：
（1）準備發送：適配器從網絡層獲取一個分組，加上以太網的首尾封裝成幀，放入適配器緩存，檢測信道後發送。
（2）檢測信道：直到信道空閒並在90bit時間內保持空閒則發送幀。
（3）發送過程中邊發送邊監聽

1. 發送成功
2. 發送失敗，在爭用期檢測到碰撞，此時停止發送，執行退避算法等操作。

（4）幀在發送完後，需要保留一段時間，防止發生碰撞，以便重發。

使用廣播信道的以太網

使用集線器的星型拓撲的以太網

• 集線器特點

  • 使用集線器的以太網邏輯上還是總線型網絡，各站共享邏輯總線，各佔適配器也是採用CSMA/CD協議。同一時刻只能一個站點發送數據。
  • 集線器有多個接口，用電子器件模擬實際電纜線的工作，是個多口轉發器
  • 工作在物理層，收到1傳1，0傳0，不進行碰撞檢測。

• 以太網信道利用率

  • 碰撞發生時，以太網信道資源被浪費。
  • a = 是單程端到端時延/幀發送時間即 a = t / To ，a越小越好(得到較高的信道利用率）

  以太網MAC層

• MAC硬件地址

• 局域網中，硬件地址稱爲物理地址或MAC地址，實際上就是適配器或者適配器標識符。

  • 名字指出我們所要尋找的那個資源，地址指出那個資源在哪裏，路由告訴我們如何到達該處。名字與資源的所在地無關
  • IEEE規定了一種48位的全球地址，即每一臺計算機中固化在適配器的ROM中的地址。若更換了適配器，則同等條件的計算機的局域網地址就發生改變。如果在廣東的局域網的電腦帶到了廣西並連接某局域網，該電腦的局域網地址還是沒有改變，就像在廣東一樣。
  • 48位即六個字節，前三個字節由RA而定，世界上要生產局域網適配器的廠商必須像IEEE購買這三個字節構成的組織同一標識符OUI，後三個字節由廠商自行指派。
  • 適配器有過濾功能，從網絡上收到一個MAC幀，先檢查MAC幀的目的地址，是才接收。

• MAC幀格式

  • 五個字段組成：
    • 六個字節的目的地址字段和源地址字段
    • 2個字節的協議類型字段
    • 數據字段(46-1500字節）
    • 幀檢驗序列FCS

擴展的以太網

物理擴展以太網

• 以太網主機距離不能太遠，採用光纖和一對光纖調制解調器，擴展主機和集線器之間的距離。
• 多級集線器連接，可以使得以太網地址範圍擴大；但也會使得碰撞域範圍增大（以爲一個碰撞域在一個時間只能喲個站點發送數據），碰撞機率增大。
  數據鏈路層擴展以太網
  網橋在數據鏈路層，根據MAC幀的目的地址對收到的幀進行轉發和過濾。（根據目的地址（MAC地址）決定轉發到哪個接口或丟棄。
• 網橋的結構
  • 網橋內有站表，緩存，接口，協議
  • 每個獨立的以太網都是一個網段，網橋就是通過接口，把數據在不同網段中傳輸。
  • 網橋根據轉發錶轉發幀（幀的源地址不改變）
  • 網橋是連接
• 網橋優點：
  • 過濾通信量，增大吞吐量。把多個網段連接成一個以太網，但是原來的以太網都是一個獨立的碰撞域。
  • 擴大物理範圍
  • 提高可靠性
  • 可互連不同的物理層，MAC子層。
• 缺點：
  • 增加時延
  • 緩存溢出
  • 用戶數太多，產生網絡擁堵即廣播風暴。
• 透明網橋
  • 以太網的棧點是看不到以太網上的網橋，透明網橋是一種即插即用設備（網橋接入局域網，不用人工配置轉發表就可以工作。
  • 網橋轉發的自學習法
    • 從某個站點發出的的幀到達某網橋，若沒有源地址的信息，把其源地址和進入網橋的接口加入轉發表。
    • 轉發幀：在轉發之前查找轉發表中與收到幀的目的地址有沒有相匹配的項目。沒有則通過其他接口轉發，有則判斷是不是該幀的入口地址，是則丟棄該幀（不用通過網橋就實現轉發），沒有則通過轉發表標記的接口轉發。
    • 使用生成樹算法，使得整個連通的網絡中不存在迴路，避免了轉發的幀在網絡中兜圈。
• 源路由網橋
  • 源路由網橋在發送幀時，把詳細的路由信息 放在幀的首部中。
  • 爲了發現合適路由，以廣播的形式向欲通信的目的站發送一個發現幀，發現幀到達目的站點時，沿着路由返回源站。源站根據可能路由中選擇出一個最佳路由。發現幀還可以足額頂整個網絡可通過的幀的最大長度。
• 以太網交換機 - 多借口網橋（存儲轉發）
  • 以太網交換機實質上就是多接口網橋，每個接口都直接與一個單個主句或者另一個集線器連接（普通網橋往往是接通兩個網段），全雙工方式工作，當主機需要通信，交換機可以同時接通多對接口，使得每一對相互通信的主機都能獨立佔據媒體，無碰撞地傳輸數據。
• 虛擬局域網
  • 以太網交換機可以實現虛擬局域網VLAN，由一些局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組。
  • 在VLAN中的每一個站點都可以收到同一個虛擬局域網上的其他成員發出的廣播，但是接收廣播的站點數量有限（避免廣播風暴）。
  • 通過在以太網幀中插入VLAN標識符劃分虛擬局域網，唯一標誌屬於哪一個VLAN。

快速以太網

• 速率達到或超過100Mb/s的以太網稱爲高速以太網
  100ASE-T以太網
• 雙絞線傳輸基帶信號的星型拓撲以太網，用CSMA/CD協議，又稱快速以太網。
  吉比特以太網
• 允許在1Gb/s下工作，在半雙工下使用CSMA/CD，全雙工方式下不使用。