计算机网络知识点总结

3、数据链路层

3.1概述

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发 。

3.2三个基本问题

(1) 封装成帧

就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。

(2) 透明传输

当传输的数据中含有首部和尾部的字符时，需要进行转义（用字节填充解决，给数据中的特殊字符前面填充转义字符）

(3) 差错控制

传输过程中可能产生比特差错，1变成0，0变成1等情况，在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比值称为误码率，误码率与信噪比有很大的关系；

为了保证数据传输的可靠性，在计算机传输数据的过程中，必须采用各种差错检验措施（循环冗余检验CRC）；FSC为CRC后的结果，帧检验序列FSC是指在数据后面加上冗余码（FSC），循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同；

CRC:是一种常用的检错方法；

FSC:是添加在数据后面的冗余码，FSC可以用CRC得出，而CRC并非是得出FSC的唯一途径；

3.3点对点信道及协议（PPP）

1、概念

现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。一对一的通信。

2、功能

(1) 简单：在同一条物理链路上进行点对点的数据传输，对数据链路层的帧不进行纠错，不需要序号，不需要流量控制。

(2) 封装成帧：加入帧界定符。

(3) 透明性：字节填充法。

(4) 多种网络层协议：在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议（如IP和IPX等）的运行。

(5) 多种链路类型：PPP必须能够在多种类型的链路上运行，例如串行或并行链路。

(6) 差错检测：接收方收到一个帧后进行CRC检验，若正确就收下这个帧，反之则丢弃。

(7) 检测连接状态：自动检测链路是否处于正常工作状态。

3、PPP协议组成

(1) 提供一个将IP数据报封装到串行链路的方法。IP数据报在PPP帧中就是信息部分，长度受最大传送单元MTU的限制。PPP支持异步链路（无奇偶校验的8比特数据）和面向比特的同步链路。

(2) 链路控制协议LCP（Link Control Protocol）

当线路不再需要时，挑出这些线路，测试它们，商议选择，并仔细地再次释放链路控制协议。

(3) 一套网络控制协议NCP（Network Control Protocol）

其中每一个协议支持不同的网络层协议，如IP、OSI的网络层等。

(4) 认证协议

最常用的包括口令验证协议PAP（Password Authentication Protocol）和挑战握手验证协议CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol）。

4、PPP帧格式

5、PPP协议的工作状态

PPP通讯是两个端点之间的通讯，每一端必须首先发送LCP packets数据来设定和测试数据链路，当链路建立后，peer才可以被认证，认证完成后，再通过发送NCP packets来选定网络层协议，这些后续的通讯就可以在网络层进行了

3.4局域网数据链路层

1、局域网的特点

局域网最主要的特点：就是网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

注：在局域网刚刚出现时，局域网比广域网具有较高的数据率、较低的时延和较小的误码率。但随着光纤技术在广域网中普遍使用，现在的广域网也具有很高的数据率和很低的误码率。

2、局域网的主要优点

(1)具有广播功能，从一个站点可方便地访问全网。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。

(2)便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活地调整和改变。

(3)提高系统的可靠性(reliability)、可用性(availibility)、生存性(survivability)。

3、局域网按网络拓扑的分类

星形网：由于集线器(hub)的出现和双绞线大量用于局域网中，星形以太网和多级星形结构的以太网获得了非常广泛的应用。

环形网： 最典型的就是令牌环形网(token ring)，简称为令牌环。

总线网：各站直接连在总线上。总线两端的匹配电阻吸收在总线上传播的电磁波信号的能量，避免在总线上产生有害的电磁波反射。总线网可使用两种协议：(1)传统以太网使用的CSMA/CD。(2)令牌传递总线网，即物理上是总线网而逻辑上是令牌环形网。前一种总线网现在已演变为星形网，而后一种令牌传递总线网早已退出了市场。

树形网： 树形网是总线网的变形，都属于使用广播信道的网络，但这主要用于频分复用的宽带局域网。

3.5 以太网

1、以太网的两个标准

（1）DIX Ethernet V2：是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约，取代了其他局域网技术如令牌环、FDDI和ARCNET。

（2）IEEE 802.3[W-IEEE802.3]：为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：**逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。**与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的 。

2、适配器

（1）网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或**“网卡**”。

（2）适配器的重要功能：

​ 1、进行串行/并行转换。

​ 2、对数据进行缓存。

​ 3、在计算机的操作系统安装设备驱动程序。

​ 4、实现以太网协议。

（3）适配器和局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的，而适配器和计算机之间的通信则是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行的。

(4) 计算机的硬件地址——MAC地址，就在适配器的ROM中。

(5) 计算机的软件地址——IP地址，就在计算机的存储器中

3、最小帧长与最大帧长

以太网的帧开销是18字节，是“目的MAC（6）＋源MAC（6）＋Type（2）＋CRC（4）”。以太网最小帧长为64字节，那么IP报文最小为46字节，而局域网规定IP最大传输单元1500字节，实际上加上以太网帧的18字节，就是1518字节。

4、为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施

（1）较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。

（2）对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。

5、以太网提供的服务

（1）不可靠的交付，即尽最大努力的交付。

（2）站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。

（3）如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

3.6 CSMA/CD协议

1、概念

CSMA/CD是英文carrier sense multiple access/collision detected 的缩写，可把它翻成“载波监听多路访问/冲突检测”

（1）多点接入：表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

（2）载波监听：是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。

（3）碰撞检测：就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。

2、使用CD协议的以太网工作过程

(1) 准备发送：适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部，组成以太网帧，放入适配器的缓存中。但在发送之前，必须先检测信道。

(2) 检测信道：若检测到信道忙，则应不停地检测，一直等待信道转为空闲。若检测到信道空闲，并在96比特时间内信道保持空闲（保证了帧间最小间隔），就发送这个帧。

(3) 在发送过程中仍不停地检测信道，即网络适配器要边发送边监听。两种情况

​ (a) 发送成功：在争用期内一直未检测到碰撞。这个帧肯定能够发送成功。

​ (b) 发送失败：在争用期内检测到碰撞。这时立即停止发送数据，并按规定发送人为干扰信号。适配器接着就执行指数退避算法，等待r倍512比特时间后，返回到步骤（2），继续检测信道。但若重传达16次仍不能成功，则停止重传而向上报错。

3、使用CD协议的以太网特性

（1）使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。

（2）每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。0

（3）这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。

3.7 CSMA/CD和交换机

1、概述

（1）以太网访问控制用的是CSMA/CD，即载波侦听多点接入/ 冲突检测，是以广播的方式将数据发送到所有端口；

（2）交换机能主动学习端口所接设备的MAC地址，在获知该端口的MAC 地址后，就会把传送给目标设备的直接发送到该端口而不是广播出去。

2、以太网交换机的特点

（1）以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。

（2）交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。

（3）以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。

平均通信量远小于以太网的最高数据率。

3.7 CSMA/CD和交换机

1、概述

（1）以太网访问控制用的是CSMA/CD，即载波侦听多点接入/ 冲突检测，是以广播的方式将数据发送到所有端口；

（2）交换机能主动学习端口所接设备的MAC地址，在获知该端口的MAC 地址后，就会把传送给目标设备的直接发送到该端口而不是广播出去。

2、以太网交换机的特点

（1）以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。

（2）交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。

（3）以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。