《计算机网络》学习笔记（2）——物理层和数字链路层

一：物理层

1：基本概念

（1）目的：在各种传输媒体上传输数据比特流

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。用于物理层的协议常称为物理层规程。

（2）任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性，完成传输方式的转换。

特性：

机械特性
电气特性
功能特性
过程特性

转化：并行传输转换为串行传输

2：数据通信

（1）基本概念

消息：通信的目的是传送消息，如话音、文字、图像、视频等都是消息。
数据：是运送消息的实体，通常是有意义的符号序列。
信号：是数据的电气或电磁的表现。

模拟信号，或连续信号：代表消息的参数的取值是连续的
数字信号，或离散信号：代表消息的参数的取值是离散的

码元：代表数字信号不同离散数值的基本波形称为。
信道：表示向某一个方向传送信息的媒体，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

基带信号：来自信源的信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，无法被信道传播，需要调制。
调制可分为两大类。

基带调制（编码）：仅仅对基带信号的波形进行变换（仍是数字信号），使它能够与信道特性相适应。

不归零制：正电平为1，负电平为0
归零制：正脉冲为1，负脉冲为0
曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0,位周期中心的向下跳变代表1，也可反过来定义。（产生的信号频率高，具有自同步能力）
差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0, 而位开始边界没有跳变代表1。

带通调制：使用载波把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，经过载波调制后的信号称为带通信号。

调幅(AM),即载波的振幅随基带数字信号而变化。如0或1分别对应于无载波或有载波输出。
调频(FM),即载波的频率随基带数字信号而变化。如0或1分别对应于频率或力。
调相(PM),即载波的初始相位随基带数字信号而变化。如0或1分别对应于相位0度或180度。

限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：

信道能够通过的频率范围：在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。
如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
信噪比：所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。
可以用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

（2）数据通信模型

组成：源系统（发送方）+ 传输系统（传输网络）+ 目的系统（接收方）

源系统的组成：源点+发送器

源点：又称为源站，或信源。产生要传输的数据。
发送器：以调制器为代表。对源点生成的数字比特流进行编码。

目的系统的组成：终点+接收器

终点：获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。
接收器：以解调器为代表。接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为数字比特流。

传输系统：可能是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

（3）：通信方式

单向通信：又称为单工通信，只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。（无线电广播、有线电广播、电视广播）
双向交替通信：又称为半双工通信，通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)
双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

（4）：信道复用技术

定义：原本需要用很多条单独信道分别通信，如果在发送端使用一个复用器，就可以让大家合起来使用一个共享信道进行通信。在接收端再使用分用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点。

方式：

频分复用：用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带，在同样的时
间占用不同的带宽资源。
在使用频分复用时，若每一个用户占用的带宽不变，则当复用的用户数增加时，复用后的信道的总带宽就跟着变宽。
时分复用：将时间划分为一段段等长的时分复用帧，每一个用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙，更有利于数字信号的传输。
在使用时分复用时，每一个时分复用帧的长度是不变的，则当复用的用户数增加时，复用后的信道的时隙宽度就变窄。
统计时分复用STDM：是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率，使用STDM帧来传送复用的数据。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。（集中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇地工作）
在每个时隙中的短时隙还必须有用户的地址信息。
使用统计时分复用的集中器也叫做智能复用器，它能提供对整个报文的存储转发能力
波分复用WDM：就是光的频分复用，使用一根光纤来同时传输多个波长（频率）很接近的光载波信号，使光纤的传输能力可成倍地提高。但光信号传输了一段距离后就会衰减，因此对衰减了的光信号必须进行放大才能继续传输。
波分复用的复用器又称为合波器。
码分复用CDM：每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。

3：传输媒体

导引型传输媒体：双绞线、同轴电缆、光纤
非导引型传输媒体：无线、红外、大气激光。

4：传输标准

最初在数字传输系统中使用的传输标准是脉冲编码调制PCM。
现在高速的数字传输系统使用同步光纤网SONET （美国标准）或同步数字系列SDH （国际标准）。

5：宽带接入技术

（1）：非对称数字用户线——ADSL技术

定义：用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。
ADSL把低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
ADSL是借助于在用户线两端安装的ADSL调制解调器对数字信号进行了调制，使得调制后的数字信号的频谱适合在原来的用户线上。
特点：ADSL的下行（从ISP到用户）带宽远远大于上行（从用户到ISP）（ADSL并不适合于企业）
影响：ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越
大），还与实际的用户线上的信噪比密切相关。

（2）：光纤同轴混合网——HFC网

定义：光纤同轴混合网(HFC)是在有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网。
HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，从头端连接到光纤结点，在光纤结点光信号被转换为电信号，然后通过同轴电缆传送到每个用户家庭。用户只要把自己的PC连接到电缆调制解调器（它安装在电视机的机顶盒里面），就可方便地上网了。
特点：HFC网具有双向传输功能，而且扩展了传输频带。

（3）：光纤到户——FTTx技术

定义：实现光纤到户，把光纤一直铺设到用户家庭附近，把光信号转换为电信号。
通过在光纤干线和用户之间，铺设一段中间的转换装置即光配线网ODN，使得多个用户能够共享一根光线干线。
为了有效地利用光纤资源，在光纤干线和用户之间广泛使用无源光网络PON。无源光网络无须配备电源，其长期运营成本和管理成本都很低。最流行的无源光网络是以太网无源光网络EPON和吉比特无源光网络GPON。

二：数字链路层

1：点对点信道

（1）：基本概念

链路（物理链路）：就是从一个结点到相邻结点的一段物理线路（有线或无线），而中间没有任何其他的交换结点。
数据链路（逻辑链路）：当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输。（常用的方法是使用网络适配器来实现这些协议）
帧：点对点信道的数据链路层的协议数据单元，可以装入IP数据报。

（2）：通信步骤

结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧。
结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层。
若结点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取出IP数据报上交给
上面的网络层；否则丢弃这个帧。

1：封装成帧：
过程：

发送端在收到网络层的IP数据报后，在其前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个完整的帧。
在发送帧时，是从帧首部开始发送。
接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束。

首部和尾部具有两个作用：

确定帧的界限。（当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时，帧定界可以用特殊的帧定界符。）
当数据在传输中出现差错时，帧定界符的作用更加明显。
包括许多必要的控制信息。

2：透明传输
透明传送数据”表示无论什么样的比特组合的数据都能够通过这个数据链路层，数据链路层对这些数据来说是透明的。由于帧的开始和结束的标记是使用专门指明的控制字符，因此，所传输的数据中的任何8比特的组合一定不允许和用作帧定界的控制字符的比特编码一样。
方法
1）：字节填充 / 字符填充

发送端可以在控制字符前加上转义字符。如果转义字符也出现在数据当中，那么解决方法仍然是在转义字符的前面插入一个转义字符。
在接收端的数据链路层在把数据送往网络层之前删除这个插入的转义字符

2）：零比特填充

发送端只要发现有5个连续1，则立即填入一个0。
接收端在收到一个帧时，每当发现5个连续1时，就把这5个连续1后的一个0删除

3：差错检测（一般是比特差错）

比特差错
帧丢失、帧重复或帧失序

比特在传输过程中可能会产生差错：1可能会变成0,而0也可能变成1。
关系：在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率。误码率与信噪比有很大的关系。如果设法提高信噪比，就可以使误码率减小。
方法：循环冗余检验CRC (Cyclic Redundancy Check)检错技术

在发送端，先把数据划分为组，在每组的数据M的后面添加供差错检测用的n位冗余码(帧检验序列 FCS)，然后构成一个帧（M+n）发送出去。
用二进制的模2运算进行2”乘M的运算，得到(M+n)的数除以除数P得到商Q和余数R。R就是冗余码。
在接收端，把接收到的数据以帧为单位进行CRC检验：把收到的每一个帧都除以同样的除数P （模2运算），然后检查得到的余数R==0

凡是接收端数据链路层接受的帧均无比特差错，接收端丢弃的帧虽然曾收到了，但最终还是因为有差错被丢弃。但这还不是可靠传输。

对于通信质量良好的有线传输链路，数据链路层协议不使用确认和重传机制，即不要求数据链路层向上提供可靠传输的服务。如果在数据链路层传输数据时出现了差错并且需要进行改正，那么改正差错的任务就由上层协议（例如TCP协议）来完成。
对于通信质量较差的无线传输链路，数据链路层协议使用确认和重传机制，数据链路层向上提供可靠传输的服务。

2：点对点协议

特点：PPP协议只支持点对点的链路通信和全双工链路。

简单
封装成帧
透明性
差错检测
检测连接状态
多种网络层协议（如IP和IPX等）
多种类型链路
最大传送单元
网络层地址协商
数据压缩协商

组成：

一个将IP数据报封装到串行链路的方法。PPP既支持异步链路(无奇偶检验的8比特数据)，也支持面向比特的同步链路。IP数据报在PPP帧中就是其信息部分。这个信息部分的长度受最大传送单元MTU的限制。
一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP （通信的双方可协商一些选项）。
一套网络控制协议NCP，其中的每一个协议支持不同的网络层协议。

帧格式：

PPP帧的首部和尾部分别为四个字段和两个字段。

首部的第一个字段和尾部的第二个字段都是标志字段F，标志字段表示一个帧的开始或结束。如果出现连续两个标志字段，就表示这是一个空帧，应当丢弃。
首部的第四个字段是2字节的协议字段，当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。若为0xC021，则信息字段是PPP链路控制协议LCP的数据，而0x8021表示这是网络层的控制数据。
尾部中的第一个字段(2字节)是使用CRC的帧检验序列FCS。
信息字段的长度是可变的，不超过1500字节。

PPP帧的填充：

异步传输（逐个字符地传送）——字节填充：PPP把转义符定义为0x7D，把信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为2字节序列(0x7D, 0x5E)。
若信息字段中出现一个0x7D的字节(即出现了和转义字符一样的比特组合)，则把0x7D转变成为2字节序列(0x7D, 0x5D)。
若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。
同步传输（一连串的比特连续传送）——零比特填充：在发送端，先扫描整个信息字段，只要发现有5个连续1，则立即填入一个0。因此经过这种零比特填充后的数据，就可以保证在信息字段中不会出现6个连续1。接收端在收到一个帧时，先找到标志字段F以确定一个帧的边界，接着再用硬件对其中的比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就把这5个连续1后的一个0删除，以还原成原来的信息比特流。

工作状态

当用户拨号接入ISP后，就建立了一条从用户PC到ISP的物理连接。
用户PC向ISP发送一系列的链路控制协议LCP分组（封装成多个PPP帧），以便建立LCP连接。这些分组及其响应选择了将要使用的一些PPP参数。
接着还要进行网络层配置，网络控制协议NCP给新接入的用户PC分配一个临时的IP地址。这样，用户PC就成为因特网上的一个有IP地址的主机了。
当用户通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。接着，LCP
释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

链路静止：用户PC和ISP的路由器之间并不存在物理层的连接。
链路建立：当用户PC通过调制解调器呼叫路由器时(通常是在屏幕上用鼠标点击一个连接按
钮)，路由器就能够检测到调制解调器发出的载波信号，建立了物理层连接。
LCP配置：用户PC发送LCP的配置请求帧（PPP帧），其协议字段置为LCP对应的代码，而信息字段包含特定的配置请求（配置选项包括链路上的最大帧长、所使用的鉴别协议的规约、不使用PPP帧中的地址和控制字段），链路的另一端可以发送以下几种响应（配置确认帧、配置否认帧、配置拒绝帧）
LCP鉴别：在这一状态，只允许传送LCP协议的分组、鉴别协议的分组以及监测链路质量的分组。（若使用口令鉴别协议PAP或CHAP，则需要发起通信的一方发送身份标识符和口令）
NCP配置：PPP链路的两端的网络控制协议NCP根据网络层的不同协议互相交换网络层特定的网络控制分组。现在的路由器都能够同时支持多种的网络层协议。
链路打开：链路的两个PPP端点可以彼此向对方发送分组。两个PPP端点还可发送回送请求LCP分组和回送回答LCP分组，以检查链路的状态。
链路终止：数据传输结束后，可以由链路的一端发出"终止请求LCP分组"请求终止链路连接，在收到对方发来的终止确认LCP分组后终止，如果链路出现故障，也会终止。

3：广播信道（一对多的通信）

（1）使用广播信道的局域网

特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

优点：

具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。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。
便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
提高了系统的可靠性，可用性，生存性。

传输媒体：

双绞线
光纤

共享信道的方式

静态划分信道：频分复用、时分复用、波分复用和码分复用
动态媒体接入控制/多点接入：信道并非在用户通信时固定分配给用户。

随机接入：所有的用户可随机地发送信息但是无法同时发送。
受控接入：用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制。

代表——传统以太网

定义：以太网是一种基带总线局域网。
特点：局域网的数据链路层拆成两个子层，即逻辑链路控制LLC 子层和媒体接入控制MAC子层（后来LLC子层逐渐消失）。
连接方式：计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器，在适配器上面装有处理器和存储器(包括RAM和ROM)。
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。
适配器的一个重要功能就是要进行数据串行传输和并行传输的转换，另外适配器还要能够实现以太网协议。
工作方式：适配器接收和发送各种帧时不使用计算机的CPU，这时CPU可以处理其他任务。
计算机的硬件地址就在适配器的ROM中，
而计算机的软件地址——IP地址则在计算机的存储器中。

接收：当适配器收到有差错的帧时，就把这个帧丢弃而不必通知计算机。当适配器收到正确的帧时，它就使用中断来通知该计算机并交付协议栈中的网络层。
发送：当计算机要发送IP数据报时，就由协议栈把IP数据报向下交给适配器，组装成帧后发送到局域网。

更好的工作方式：

釆用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。
适配器对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认，对有差错帧是否需要重传则
由高层来决定。
以太网采用最简单的随机接入，但有很好的协议用来减少冲突发生的概率——CSMA/CD。
当以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率时可以减少以太网发生碰撞的次数。
以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号，方便接收端提取同步信号。
但是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。

CSMA/CD协议（半双工通信）
实质：
1：载波监听——就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机也在发送。不管在发送前，还是在发送中，每个站都必须不停地检测信道。在发送前检测信道，是为了获得发送权。在发送中检测信道，是为了及时发现有没有其他站的发送和本站发送的碰撞。
2：碰撞检测——即适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。一旦发现总线上出现了碰撞，其适配器就要立即停止发送并继续发送32比特或48比特的人为干扰信号，通知所有用户，然后再等待一段时间，以太网使用截断二进制指数退避算法来确定碰撞后重传的时机。
协议规定基本的退避时间为争用期2r即51.2us，对于10M/s的计算机可以发送512bit即64字节。
以太网规定了一个最短帧长64字节（可填充）即512 bit，避免在发送完毕之前没有检测出碰撞。
以太网还规定了帧间最小间隔为9.6us，即96比特时间。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。
过程：

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。
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。
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。如果在争用期内一直未检测到碰撞则成功，否则，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比特时间后检测信道。若重传达16次仍不能成功，则停止重传而向上报错。
以太网每发送完一帧，一定要把己发送的帧暂时保留一下。如果在争用期内检测出发生了碰撞，那么还要在推迟一段时间后再把这个暂时保留的帧重传一次。