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物理层
通信方式
根据信息在传输线上的传送方向，分为以下三种通信方式：
- 单工通信：单向传输
- 半双工通信：双向交替传输
- 全双工通信：双向同时传输
带通调制
模拟信号是连续的信号，数字信号是离散的信号。带通调制把数字信号转换为模拟信号。
数据链路层
元素:
定义：
功能：
- 为网络层提供服务。无确认无连接服务，有确认无连接服务，有确认面向连接服务。（有连接一定有确认）
- 链路管理。连接的建立、维持、释放。（面向连接）
- 组帧。
- 流量控制。发送的快慢。
- 差错控制（帧错、位错）
基本问题
1. 封装成帧
将网络层传下来的一段数据前后添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。作用：
- 帧定界：确定帧的边界。
- 帧同步：接收方能从接受的二进制比特流中区分帧的开始和结束。
IP数据报的最大传送单元MTU。不同协议不同。MTU只是数据部分，帧长包括首部和尾部。
2. 透明传输
在传送比特流中可以传任意比特组合而不引起帧边界的判断错误。也就是帧的控制信息和数据信息没有歧义，出现一样的必须采用方法取消歧义。
通过组帧方法实现。
组帧的方法：
主要用零比特填充法和违规编码法
- 字符计数法：第一个计算要传的位数。问题：第一个错就全错。
- 字符填充法：SOH开始，EOT结束。8bits。问题：数据出现定界符前加上转义字符ESC。复杂，不兼容。
- 零比特填充法：SOH和EOT都是01111110，问题：在发送端的数据部分，每遇到5个1就添一个0 ，接收端每5个1去掉一个0。
- 违规编码法：曼彻斯特编码。 前高后低是1，前低后高是0，出现高高、低低时就是定界帧的起始和终止。
3. 差错检测
差错是由噪声引起的。
噪声两类：随机热噪声（全局性，提高信噪比），冲击噪声（局部，差错检测）。
差错两类：帧错，位错/比特错（差错控制=检错编码+纠错编码）
链路层为什么需要差错控制：在信息传输过程中，如果出现错误，可以及时将错误的包丢弃，以免继续传送，浪费资源。
差错控制：
-
检错编码：
- 奇偶校验码：n-1个信息元和1个校验元。如果是奇校验，保证1的个数时奇数，偶校验同理。检错能力50%。
- 循环冗余码CRC ：要传的数据/生成多项式 = 商…余数。最终传的数据：要传的数据+余数（也叫FCS帧检验序列/冗余码）。接收端：接收的数据/生成多项式 = 商…余数，余数是0，则数据没错。
-
纠错编码：海明码。只能发现双比特错，纠正单比特错。原理：动一发而牵全身
冗余编码：数据发送时，附加了一定的冗余位，遵循一定规则。
流量控制和可靠传输
1、链路层流量控制和传输层流量控制的区别：
链路层是点对点，相邻节点之间的。接收方收不下，不回复确认。窗口大小在发送过程中是固定的。
传输层是端到端：两个主机之间的。接收端给发送端一个窗口公告。窗口大小在发送过程中不固定的。
2、流量控制协议
- 停止等待协议：发送窗口和接收窗口都为1。序号可以用1bit表示。有差错情况：
- 接收端出错或数据帧丢失。超时重传
- 确认帧丢失。超时重传
- 确认帧迟到。发送端都丢弃重复确认帧
- 后退N帧协议GBN：发送窗口最大为2^n - 1，接收窗口1。增加序号范围，增加缓存大小。可以累计确认。
- 上层调用：上层发送数据时，发送方先检查发送窗口是否已满。若未满，则产生一个帧并将其发送。若已满，发送方将数据返回上层，表示上层窗口已满。（实际实现，发送方可以缓存这些数据，等窗口不满时再发）
- 累计确认。对于接收方的ACK n，指的是n帧和之前的都收到了。其他帧都会丢弃掉。
- 超时：若出现丢失和时延过长，发送方重传所有已发送但未收到确认的帧。
- 窗口的大小w应该满足 1<=w<=2^n - 1，其中n是帧编号需要的比特数。窗口太大，接收方会无法确认新帧和旧帧。
- 选择重传协议SR：发送窗口N，接收窗口N，N<=2^(n-1)。加大接收窗口，设置接收缓存，缓存乱序到达的帧。
- 上层调用：和GBN一样。
- 确认：若收到ACK，假如该帧序号在窗口内，SR发送方标记该帧为已接收。若该帧序号为发送窗口下界（最左的第一个窗口），则窗口前移到最小未确认序号处。若窗口移动了，则发送窗口内所有未发生帧。
- 超时：每一个帧都有自己的定时器，一次超时事件后，只重传一个帧。
- 接收策略：接收方对失序的帧会先缓存，并发送该帧确认（收到谁确认谁）。直到最左边的帧都收到后，才将一批帧交付给上层，并滑动窗口。如果收到序号外的帧（小于窗口下界的帧），就返回一个确认。
信道分类
1. 广播信道
一对多通信，所有主机共享通信介质。早期的总线以太网、无限局域网。常用于局域网。
所有的节点都在同一个广播信道上发送数据，因此需要有专门的控制方法进行协调，避免发生冲突（冲突也叫碰撞）。
主要有两种控制方法进行协调，一个是使用信道复用技术，一是使用 CSMA/CD 协议。
拓扑结构：总线型、星型（逻辑总线型）。
2. 点对点信道
一对一通信。
因为不会发生碰撞，因此也比较简单，使用 PPP 协议进行控制。常用于广域网。
3. 介质访问控制
采用一定的措施，使得两对节点之间的通信不会互相干扰
信道复用技术
- 频分复用FDM
- 时分复用TDM
- 统计时分复用STDM
- 波分复用WDM
- 码分复用CDM
CSMA/CD 协议
基本原理是：所有节点都共享网络传输信道，节点在发送数据之前，首先检测信道是否空闲，如果信道空闲则发送，否则就等待；在发送出信息后，再对冲突进行检测，当发现冲突时，则取消发送。
CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。
- 多点接入 ：说明这是总线型网络，许多主机以多点的方式连接到总线上。
- 载波监听 ：每个主机都必须不停地监听信道。在发送前，如果监听到信道正在使用，就必须等待。
- 碰撞检测 ：在发送中，如果监听到信道已有其它主机正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲，但是由于电磁波的传播时延的存在，还是有可能会发生碰撞。
记端到端的传播时延为 τ，最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞，称 2τ 为 争用期 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
当发生碰撞时，站点要停止发送，等待一段时间再发送。这个时间采用 截断二进制指数退避算法 来确定。从离散的整数集合 {0, 1, …, (2k-1)} 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。
PPP 协议
互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网，PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。
PPP 的帧格式：
- F 字段为帧的定界符
- A 和 C 字段暂时没有意义
- FCS 字段是使用 CRC 的检验序列
- 信息部分的长度不超过 1500
MAC 地址
MAC 地址是链路层地址，长度为 6 字节（48 位），用于唯一标识网络适配器（网卡）。
一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器，因此就有两个 MAC 地址。
局域网
局域网是一种典型的广播信道，主要特点是网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术，目前以太网占领着有线局域网市场。
可以按照网络拓扑结构对局域网进行分类：
以太网
以太网是一种星型拓扑结构局域网。
早期使用集线器进行连接，集线器是一种物理层设备， 作用于比特而不是帧，当一个比特到达接口时，集线器重新生成这个比特，并将其能量强度放大，从而扩大网络的传输距离，之后再将这个比特发送到其它所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧，那么就发生了碰撞。
目前以太网使用交换机替代了集线器，交换机是一种链路层设备，它不会发生碰撞，能根据 MAC 地址进行存储转发。
以太网帧格式：
- 类型 ：标记上层使用的协议；
- 数据 ：长度在 46-1500 之间，如果太小则需要填充；
- FCS ：帧检验序列，使用的是 CRC 检验方法；
交换机
交换机具有自学习能力，学习的是交换表的内容，交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。
正是由于这种自学习能力，因此交换机是一种即插即用设备，不需要网络管理员手动配置交换表内容。
下图中，交换机有 4 个接口，主机 A 向主机 B 发送数据帧时，交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B，先查交换表，此时没有主机 B 的表项，那么主机 A 就发送广播帧，主机 C 和主机 D 会丢弃该帧，主机 B 回应该帧向主机 A 发送数据包时，交换机查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1，就发送数据帧到接口 1，同时交换机添加主机 B 到接口 2 的映射。
虚拟局域网
虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组，只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息。
例如下图中 (A1, A2, A3, A4) 属于一个虚拟局域网，A1 发送的广播会被 A2、A3、A4 收到，而其它站点收不到。
使用 VLAN 干线连接来建立虚拟局域网，每台交换机上的一个特殊接口被设置为干线接口，以互连 VLAN 交换机。IEEE 定义了一种扩展的以太网帧格式 802.1Q，它在标准以太网帧上加进了 4 字节首部 VLAN 标签，用于表示该帧属于哪一个虚拟局域网。
