計算機網(wǎng)絡(luò)

10多年的西峽網(wǎng)站建設(shè)經(jīng)驗，針對設(shè)計、前端、開發(fā)、售后、文案、推廣等六對一服務(wù)，響應(yīng)快，48小時及時工作處理。全網(wǎng)整合營銷推廣的優(yōu)勢是能夠根據(jù)用戶設(shè)備顯示端的尺寸不同，自動調(diào)整西峽建站的顯示方式，使網(wǎng)站能夠適用不同顯示終端，在瀏覽器中調(diào)整網(wǎng)站的寬度，無論在任何一種瀏覽器上瀏覽網(wǎng)站，都能展現(xiàn)優(yōu)雅布局與設(shè)計，從而大程度地提升瀏覽體驗。創(chuàng)新互聯(lián)建站從事“西峽網(wǎng)站設(shè)計”,“西峽網(wǎng)站推廣”以來，每個客戶項目都認真落實執(zhí)行。內(nèi)容管理

• 數(shù)據(jù)鏈路層 Data Link Layer
• • 相關(guān)概念術(shù)語
  • • link 鏈路
    • data link 數(shù)據(jù)鏈路
    • 幀 frame
    • MTU maximum transfer Unit 大傳送單元
    • PPP point to point Protcol 點對點協(xié)議
    • MAC 地址 media access control
    • 網(wǎng)橋 bridge
    • 交換機 switch
  • 成幀 規(guī)則
  • • 成幀定界
    • • 字符計數(shù)法
      • 字符填充分界符法
      • 零比特填充分界符法
      • 物理層編碼違例法
  • 差錯控制
  • • 差錯檢查
    • 糾錯機制
  • 流量控制
  • • 停止-等待協(xié)議 WT = 1 W R = 1
    • 后退N幀協(xié)議 WT >1 WR = 1 連續(xù)ARQ
    • 選擇重發(fā)協(xié)議 WT >1 WR >1
  • HDLC 協(xié)議
  • • 數(shù)據(jù)鏈路的類型：
    • 數(shù)據(jù)傳送操作方式
    • 語法： 數(shù)據(jù)和命令格式
    • 語義： 數(shù)據(jù)幀類型
    • 同步： 事件順序

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本文為計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)考試的書本內(nèi)容詳細總結(jié)

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之前專欄分享過自頂向下的分析方法，本文采用常規(guī)的自底向上的方法從物理層到應(yīng)用層對計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的內(nèi)容、概念進行系統(tǒng)復習，總結(jié)；而計算類型題目本文暫不涉及

本文內(nèi)容來自cfeng自我理解，可能有誤，歡迎指正~

數(shù)據(jù)鏈路層 Data Link Layer

物理層的物理鏈路Link是一條點到點的物理線路，中間沒有交換結(jié)點， 一條物理鏈路只是一條物理路徑的組成部分

數(shù)據(jù)鏈路 data Link： 除了物理的鏈路之外，還需要有通信協(xié)議控制物理鏈路的數(shù)據(jù)傳輸，如果把實現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到倆路上，就構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈路

數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能： 將不可靠的物理鏈路轉(zhuǎn)為可靠的數(shù)據(jù)鏈路，數(shù)據(jù)鏈路（邏輯鏈路） = 物理鏈路 + 數(shù)據(jù)鏈路層的通信協(xié)議

一般的適配器都是包含了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的功能

鏈路層的主要設(shè)備就是二層交換機、網(wǎng)橋，鏈路層的數(shù)據(jù)PDU為幀F(xiàn)rame

鏈路層的三個基本問題：成幀規(guī)則、 差錯控制（檢錯糾錯）、流量控制

相關(guān)概念術(shù)語 link 鏈路

一個結(jié)點到相鄰結(jié)點的物理鏈路

data link 數(shù)據(jù)鏈路

把實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈路； link + 通信協(xié)議

幀 frame

一個數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸單元， 由一個數(shù)據(jù)鏈路層的首部和攜帶的數(shù)據(jù)加上尾部構(gòu)成的協(xié)議數(shù)據(jù)單元

MTU maximum transfer Unit 大傳送單元

幀的數(shù)據(jù)部分的長度上限 【移動通信中針對MAC層數(shù)據(jù)分布占比不到一半，有相關(guān)幀聚合和塊確認技術(shù)】

PPP point to point Protcol 點對點協(xié)議

用戶計算機和ISP進行通信時，使用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，PPP規(guī)定的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)：首部、數(shù)據(jù)部分、尾部

只是檢錯，不糾錯，不進行流量控制，可以支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，PPPoE為寬帶上網(wǎng)的主機使用的鏈路層協(xié)議

MAC 地址 media access control

媒體訪問控制，設(shè)備的物理地址，硬件地址， 定義網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的位置，網(wǎng)絡(luò)層負責管理IP地址，鏈路層管理的就是MAC地址，一個主機只會有一個MAC地址， 每個網(wǎng)絡(luò)位置有一個專屬IP地址 【所以主從架構(gòu)時，clone虛擬機后，需要修改網(wǎng)卡，其中除了IP，最主要就是MAC地址需要重新NAT分配】

網(wǎng)橋 bridge

物理層應(yīng)對信號衰減使用中繼器，網(wǎng)橋就是在鏈路層實現(xiàn)中繼的設(shè)備，連接兩個及以上的局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備

交換機 switch

廣義上的交換機指的是通信系統(tǒng)中完成信息交換的設(shè)備，在這里二層交換機時工作在數(shù)據(jù)鏈路層的集線器， 實質(zhì)就是一個多接口的網(wǎng)橋 【 物理層的設(shè)備為集線器】； 三層交換機可以工作在網(wǎng)絡(luò)層

成幀 規(guī)則

成幀規(guī)則是數(shù)據(jù)鏈路層需要研究的問題，封裝成幀framing： 在IP分組前后分別添加首部后尾部，構(gòu)成一個幀，例如PPP協(xié)議定義的

成幀定界

構(gòu)成幀之后需要考慮幀如何定界，也就是幀開始和幀結(jié)束，常用的定界方法：

字符計數(shù)法

發(fā)送放利用首部的一個字段作為幀長字段，按字符計數(shù)， 幀長字段 = 幀包含的字符數(shù) + 1

接收方利用幀長字段接收，計算得知結(jié)束位置

如果幀長字段出現(xiàn)錯誤，造成后面所有的數(shù)據(jù)都接收錯誤，無法檢錯，無法糾錯； 只是適合高可靠鏈路

字符填充分界符法

面向字符同步傳輸， 一次發(fā)送一個數(shù)據(jù)塊幀， 每一幀**使用兩個不同的特殊字符作為開始和結(jié)束的標志

如果數(shù)據(jù)幀丟失了標志字符，下一個幀還是可以正確接收， PPP協(xié)議的簡化

數(shù)據(jù)部分不會出現(xiàn)SOH和EOH等定界控制字符， 但是如果出現(xiàn)了非文本文件數(shù)據(jù)，可能會出現(xiàn)SOH和EOH的字符，造成定界錯誤

解決辦法就是數(shù)據(jù)部分的SOH和EOH字符前面都統(tǒng)一加上ESC轉(zhuǎn)義字符【和java中處理一樣】

零比特填充分界符法

面向bit流的同步傳阿叔，數(shù)據(jù)庫包含任意長度和組合的bit流， 和上面的字符填充分界法類似，只需要在開始和結(jié)束填充特殊的位模式（01111110）， 通過該模式識別邊界

兩個數(shù)據(jù)幀只需要一個位模式， 如果丟失，只需要在數(shù)據(jù)流中掃描下一個位模式

物理層編碼違例法

數(shù)據(jù)為不可能出現(xiàn)bit編碼作為幀起始或者結(jié)束定界符

比如曼徹斯特編碼，一個碼元中間電平跳變表示0，正向跳變； 1 負向跳變； 差分曼徹斯特編碼： 中間比跳變， 0表示開始有跳變，1表示開始無跳變

比如 4B/5B 編碼方案： 4bit映射為5bit， 剩余的一半16bit可以作為幀定界符

差錯控制

通信的任務(wù)是高效無差錯傳送數(shù)據(jù)，但是任何通信線路都不可避免出現(xiàn)噪聲

信道中的比特差錯： 隨機差錯（隨機熱噪聲）、 突發(fā)差錯（沖擊噪聲）

突發(fā)差錯的長度： 差錯發(fā)生的第一個碼元到有錯的最后一個碼元間所有碼元個數(shù)；

誤碼率P = 錯誤bit數(shù)/ 總bit數(shù) 【碼元數(shù)】

差錯檢查

差錯控制編碼： 數(shù)據(jù)位k + 校驗位r， 數(shù)據(jù)幀中有校驗字段

校驗碼分為檢錯碼和糾錯碼

• 檢錯碼會自動發(fā)現(xiàn)差錯，主要用在高可用、誤碼率低的場景【光纖鏈路】， 偶爾發(fā)生錯誤就重傳
• 糾錯碼 不僅能夠發(fā)現(xiàn)差錯而且能就診，主要用在錯誤發(fā)生比較頻繁的信道【無線鏈路】

編碼效率R = k / k + r； 也就是編碼中數(shù)據(jù)位所占的比例

漏檢率： 某bit位出錯但接收者無法檢測到的概率

常見的檢錯碼：

• 奇偶校驗： 1位奇偶校驗

  增加1位 校驗位， 使數(shù)據(jù) + 校驗位的1的個數(shù)為奇數(shù)或者偶數(shù)

• 簡單校驗和： 主要用于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層

  發(fā)送方進行16位二進制補碼求和運算，計算結(jié)果取反， 隨數(shù)據(jù)一同發(fā)送，接收方也會16位二進制補碼求和運算（包含校驗和）， 結(jié)果不是全1，那么錯誤【正負得0】

• 循環(huán)冗余校驗 CRC: 數(shù)據(jù)鏈路層廣泛使用

  發(fā)送方將要方式弄個得數(shù)據(jù)位被除數(shù)（左移m位），選擇一個預定的二進制數(shù)（m + 1位）作為除數(shù)， 利用二進制模2除法運算得到一個余數(shù)，作為CRC校驗碼，一起發(fā)送給接收方， 接收方以發(fā)送的數(shù)據(jù) - CRC校驗碼位被除數(shù)，選同樣的二進制碼作為除數(shù)，余數(shù)為0，表明無錯，注意CRC運算 模2除法3規(guī)則就可以快速計算

預定的二進制碼（除數(shù)），國際編碼，不是任意的，最高位和最低位為1，以多項式表示，G(x)， 發(fā)送數(shù)據(jù)長度大于生成多項式表示的二進制碼長度

CRC-8 : G(x) = X^8 + X^2  + x + 1  -----  100000111

除數(shù)的位數(shù)等于最高次冪 + 1； 比如這里就是9位， 然后x^8  x^2 x^0(1)，表示從右邊0位開始第幾位為1， 這里就是0，1，2，8位
被除數(shù)移動 最高次 冪位，這里移動8位

CRC計算： D = 1010001101 , M = 5， G = X^5 + X^4 + X^2 + 1， R = ?， 實際傳輸數(shù)據(jù)是？
這里除數(shù)G = 110101

數(shù)據(jù)D 左移M位，就是5位， 101000110100000

CRC 模2 除法： 

首先需要注意：

>模2減法： 異或操作， 被除數(shù) 和 商 * 除數(shù) 的減法 是 異或操作 【相同得0，相異得1】

>所得余數(shù)都需要舍棄首位

>若被除數(shù) 以及 之后舍去首位的余數(shù)R 的首位為1 ， 商1； 首位為0，商0
1 1 0 1 0 1 0 1 1 0

————————————————————————————————

1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0
1 1 0 1 0 1
——————————————————————————————————————  這里被除數(shù)首位為1，商1，之后異或
  1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0   舍去首位，現(xiàn)在的R首位1，商1
  1 1 0 1 0 1
 ————————————————————————————————————
    0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0   異或之后舍去首位，現(xiàn)在R首位0，商0
    0 0 0 0 0 0
 ——————————————————————————————————————
      1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0  商0之后異或就是被除數(shù)舍去首位即可， 商1
      1 1 0 1 0 1
 ————————————————————————————————————————————
        0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0    首位0，商0， 直接去掉首位
            👇
          1 1 1 1 1 0 0 0 0 0     首位1，商1
          1 1 0 1 0 1
   ——————————————————————————————————————
   		    0 1 0 1 1 0 0 0 0  首位0，商0
   		     ↓
   		      1 0 1 1 0 0 0 0  首位1，商1
   		      1 1 0 1 0 1
   ————————————————————————————————————————
                 1 1 0 0 1 0 0  首位1，商1
                 1 1 0 1 0 1
        ————————————————————————————————————
        		  0 0 1 1 1 0  首位0，商0
                    ↓
                     0 1 1 1 0  【5位，和M一樣，不需要再除】
                     
 所以余數(shù)就是 0 1 1 1 0， 放在D的后面5位替代之前的全0

被除數(shù)首位為1時，商為1；被除數(shù)首位為0時，商為0；

每一步得到的余數(shù)都要拋棄首位；

若新的被除數(shù)首位(即已拋棄首位的余數(shù))為0，除數(shù)為0；

余數(shù)位最高次冪位，M位，不夠前面補0

可以檢測出全部單一位出現(xiàn)差錯， r為生成G(X最高冪次，CRC可以檢測出突發(fā)差錯長度小于等于R的所有突發(fā)性錯誤

糾錯機制

• 反饋重發(fā)糾錯法ARQ： 接收方檢測出錯誤， 丟棄幀，發(fā)送方重傳 【發(fā)送方對幀進行編號，接收方反饋出錯幀的序號，發(fā)送發(fā)重發(fā)】， 同時發(fā)送方需要緩存已發(fā)送的數(shù)據(jù)幀
• 前向糾錯法FEC： 接收方利用糾錯碼（漢明碼）檢錯并且糾錯， 不需要重發(fā)數(shù)據(jù)幀，同時因為編碼效率低，算法復雜，很少使用，無線鏈路適合使用

流量控制

為了解決發(fā)送方的發(fā)送速率和接收方交付速率的匹配問題，一般采用： 利用接收方交付速率控制發(fā)送方的發(fā)送速率，鏈路層采用 固定大小的滑動窗口

連續(xù)ARQ協(xié)議： 后退N幀協(xié)議和選擇重發(fā)協(xié)議，實現(xiàn)流量控制 + 差錯控制

固定大小滑動窗口奇數(shù)包括： 停止-等待協(xié)議、后退N幀協(xié)議、選擇重發(fā)協(xié)議

停止-等待協(xié)議 WT = 1 W R = 1

不進行流量控制，發(fā)送方將所有數(shù)據(jù)全部發(fā)送給接收方，需要接收隊列足夠大， 進行流量控制之后【隊列有限】， 發(fā)送一個Data后需要返回ACK，再發(fā)送下一個幀

重發(fā)定時器不能設(shè)定時間過短，不然還沒有ACK幀還沒有受到久發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)， 停止-等待協(xié)議引入1bit 的序號字段解決； 數(shù)據(jù)幀的每一個序號 都是0，1交替出現(xiàn)在數(shù)據(jù)幀中

但是這里的缺點就是效率低， 連續(xù)ARQ協(xié)議： 發(fā)送方在等待接收方返回第一個ACK應(yīng)答前，再連續(xù)發(fā)送7個幀

后退N幀協(xié)議 WT >1 WR = 1 連續(xù)ARQ

發(fā)送方可以一次性發(fā)送多個幀，同時等待ACK應(yīng)答，

發(fā)送方發(fā)送一個幀后，不會停下來等待ACK，而是可以連續(xù)再發(fā)送若干數(shù)據(jù)，同時啟動重發(fā)定時器；

如果重發(fā)定時器超時前，受到ACK，繼續(xù)發(fā)送后面的數(shù)據(jù)幀， 如果沒有受到，那么從該幀到后面繼續(xù)發(fā)送的所有幀都重發(fā)

就是發(fā)送方和接收方都有一個窗口，發(fā)送方只能發(fā)送窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)幀，對發(fā)送端進行速率控制

窗口大?。?在沒有受到ACK之前發(fā)送方最多可以發(fā)送的幀的個數(shù)

接收窗口控制接收方接收哪個數(shù)據(jù)幀， 只有數(shù)據(jù)幀號和接收窗口序號一致才會接收，否則丟棄， 正確處理，交付上層，窗口向前移動，發(fā)送ACK

接收方累計確認： ACKn表示確認n-1號幀，希望下次受到n號幀

接收窗口，就是一個Index從0號幀開始向后移動， 準備接收Index位置的幀

后退N幀協(xié)議中，序號字段為Kbit位， 則幀序號空間為[0， 2^K -1]； 從0開始

• 如果序號字段K bit， 發(fā)送窗口大值為2^k -1， 可以保證該協(xié)議任何情況不出錯

比如3bit， 那么窗口序號空間0 ----- 7， 大發(fā)送7個幀保證不出錯

選擇重發(fā)協(xié)議 WT >1 WR >1

選擇重發(fā)協(xié)議的發(fā)送窗口和后退N幀協(xié)議一樣，但是接收窗口長度大于1，一次可以接收多個幀

如果接收的4號幀出錯，只是對4號幀重傳， ==選擇重發(fā)協(xié)議，發(fā)送窗口大值<= ^k - 1，和上面的要求一樣，這樣才能保證正確

可以看到上面三種協(xié)議：

停止-等待協(xié)議，序號比特位1， 序號空間[0,1]， 發(fā)送窗口和接收窗口大小都是1

而后退N幀協(xié)議，接收

而選擇重發(fā)協(xié)議 K， 2^k -1 ，發(fā)送窗口和接收窗口大小都是2^K -1

HDLC 協(xié)議

數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議需求： 發(fā)送方和接收方的標識，支持可靠性通信，支持點到點，支持半雙工和全雙工操作

停止-等待協(xié)議效率低， 面向bit 型協(xié)議 數(shù)據(jù)幀通用，效率高

HDLC協(xié)議： 高效率、高可靠性，傳輸任意bit

• 三種類型的站： 主站【全面管理數(shù)據(jù)鏈路】、次站【受控主站】、復合站【具有主站和次站的雙重功能】
• 兩種鏈路結(jié)構(gòu)
• 三種數(shù)據(jù)傳送操作方式

數(shù)據(jù)鏈路的類型：

• 非平衡式鏈路結(jié)構(gòu)： 由一個主站和多個次站連接而成，實現(xiàn)點到點或者多點通信，雙工通信 【主站控制，發(fā)送命令幀，將次站置于某種狀態(tài)，次站響應(yīng)主站狀態(tài)，交換數(shù)據(jù)和控制信息】

• 平衡式鏈路結(jié)構(gòu)： 兩個復合站點點對點連接而成，通信方式為雙工， 都具有數(shù)據(jù)傳輸和鏈路控制能力

數(shù)據(jù)傳送操作方式

• 正常響應(yīng)方式NRM: 非平衡式鏈路結(jié)構(gòu)，只有得到主站允許，才能傳送數(shù)據(jù)，傳送完成之后停止

• 異步響應(yīng)方式ARM： 適用于非平衡鏈路結(jié)構(gòu)，次站不一定在接收到主站允許即可進行數(shù)據(jù)傳輸，次站可以一次發(fā)送多幀，將自己的信息發(fā)送給主站

• 異步平衡方式ABM: 適用于平衡鏈路結(jié)構(gòu)，復合站自主決定數(shù)據(jù)傳輸，不需要得到另外一個復合站的允許，可以發(fā)送狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)

語法： 數(shù)據(jù)和命令格式

HDLC的單位為Frame

• 標志字段F， 6個1加2個0，一共8bit， 找到標志字段就可以確定幀的位置， 使用的應(yīng)該是bit填充分界規(guī)則
• 控制字段實現(xiàn)對于數(shù)據(jù)鏈路的檢測和控制（流量）
• FCS 校驗字段： 采用16位的CRC冗余校驗碼，標志字段不校驗
• 地址字段就是接收方或者發(fā)送方地址

組地址（點到多點）： 一個地址可以分配給多個站點

廣播地址（點到多點）： 全1 ， 鏈路所有站點都可以受到

地址全0， 不分配給任何站點，測試使用

語義： 數(shù)據(jù)幀類型

HDLC利用控制字段前兩個bit位定義三種類型幀：

I 幀 （信息幀）： 可靠通信時數(shù)據(jù)幀，面向連接

S 幀 （ 監(jiān)控幀） ： 實現(xiàn)流量控制和差錯控制

U幀 （ 無編號U幀）： 設(shè)置鏈路操作方式

同步： 事件順序

鏈路的建立和拆除

確認可靠通信服務(wù)

選擇重發(fā)

數(shù)據(jù)幀的封裝/拆封

LAN1 ---->路由器【 以太口 ETH IP  HDLC 串口】 ---->WAN --->路由器【...】  ---->LAN2

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