Este artículo hace referencia a "Computer Network" (séptima edición) editado por Xie Xiren, la publicación del blog es solo para uso educativo, utilizada para grabar notas
La capa de interfaz de red incluye la capa de enlace de datos y la capa física.
La capa física considera cómo transmitir flujos de bits de datos en medios de transmisión conectados a varias computadoras, en lugar de referirse a medios de transmisión específicos . El papel de la capa física es proteger estas diferencias en los medios de transmisión y los métodos de comunicación tanto como sea posible, de modo que la capa de enlace de datos sobre la capa física no sienta estas diferencias. La tarea principal de la capa física es determinar algunas características relacionadas con la interfaz del medio de transmisión ( características mecánicas, características eléctricas, características funcionales, características del proceso ) y la conversión del modo de transmisión (conversión en serie y en paralelo).
La señal generada por la fuente a menudo se denomina señal de banda base. La señal de banda base a menudo contiene más componentes de baja frecuencia o incluso componentes de CC, y muchos canales no pueden transmitir tales componentes de baja frecuencia o componentes de CC. Para resolver este problema, la señal de banda base debe ser Para ser modulado. La modulación se puede dividir en dos categorías: codificación (modulación de banda base) y modulación de paso de banda . La codificación solo transforma la forma de onda de la señal de banda base. Las codificaciones comunes son:
- Sistema sin retorno a cero: el nivel positivo representa 1, el nivel negativo representa 0.
- Sistema de retorno a cero: el pulso positivo representa 1, el pulso negativo representa 0.
- Codificación Manchester: la transición hacia arriba en el centro del período de bits representa 0, y la transición hacia abajo en el centro del período de bits representa 1
- Codificación diferencial de Manchester: siempre hay una transición en el centro de cada bit, y hay una transición al comienzo del bit para representar 0, y viceversa 1.
La frecuencia de la señal generada por la codificación de Manchester es mayor que el sistema sin retorno a cero, pero tiene la capacidad de sincronizarse La frecuencia del reloj se extrae de la forma de onda) .
La modulación de paso de banda requiere el uso de una onda portadora para la modulación, moviendo el rango de frecuencia de la señal de banda base a una banda de frecuencia más alta y convirtiéndola en una señal analógica. Los métodos de modulación comunes incluyen modulación de amplitud, modulación de frecuencia y modulación de fase. De hecho, para lograr una velocidad de transmisión de información más alta, se utilizará un método de modulación híbrida de fase-amplitud multisistema técnicamente más complejo, como la modulación de amplitud en cuadratura QAM.
La multiplexación es un concepto básico en tecnología de comunicación. Varias tecnologías de multiplexación son ampliamente utilizadas para canales en redes de computadoras. Las tecnologías de multiplexación comunes incluyen multiplexación por división de frecuencia, multiplexación por división de tiempo y multiplexación estadística por división de tiempo.
En la multiplexación por división de frecuencia, después de que los usuarios se asignan a una determinada banda de frecuencia, estas bandas de frecuencia se ocupan durante todo el proceso de comunicación. Todos los usuarios de la multiplexación por división de frecuencia ocupan diferentes recursos de ancho de banda al mismo tiempo. La desventaja es que cuando el número de usuarios es grande, no se puede garantizar que se pueda asignar ancho de banda a todos los usuarios.
La multiplexación por división de tiempo divide el tiempo en segmentos de tramas de multiplexación por división de tiempo de igual longitud. Cada usuario de multiplexación por división de tiempo ocupa un intervalo de tiempo fijo en cada trama TDM. Todos los usuarios de multiplexación por división de tiempo están en diferentes momentos. Ocupar el mismo ancho de banda.
Sin embargo, la utilización del canal de multiplexación por división de tiempo no es alta, porque cuando el usuario no tiene datos para enviar, el intervalo de tiempo asignado al usuario en el marco de multiplexación por división de tiempo solo puede estar inactivo, y otros usuarios no pueden usarlo incluso si tienen datos para enviar todo el tiempo. Estos espacios de tiempo libre.
La multiplexación estadística por división de tiempo es una multiplexación por división de tiempo mejorada, que puede mejorar significativamente la utilización del canal. El usuario envía los datos al búfer de entrada del concentrador en cualquier momento, y luego el concentrador escanea el búfer de entrada en secuencia, coloca los datos de entrada en el búfer en el marco de división de tiempo estadístico y salta el búfer sin datos. Multiplexación estadística por división de tiempo El número de intervalos de tiempo en cada cuadro es menor que el número de usuarios conectados al concentrador, por lo que si todos los usuarios envían datos al concentrador sin detenerse, el concentrador debe ser incapaz de manejarlo y los búferes configurados internamente se desbordarán. .
Capa de enlace de datos
Los canales utilizados por la capa de enlace de datos son principalmente canales punto a punto y canales de difusión. Los canales punto a punto usan comunicación punto a punto uno a uno, mientras que los canales de transmisión usan comunicación de transmisión de uno a muchos.
La diferencia entre un enlace y un enlace de datos: un enlace es una línea física desde un nodo a un nodo adyacente, sin ningún otro nodo de conmutación en el medio; y un enlace de datos es un software utilizado para implementar la interacción de datos en la capa de enlace Hardware (hardware y software que controla protocolos de transferencia de datos y enlaces de comunicación), lo común es un adaptador de red.
Otros dividen el enlace en un enlace físico y un enlace lógico.El enlace físico es el enlace mencionado anteriormente, y el enlace lógico es el enlace de datos anterior, que es el enlace físico más el protocolo de comunicación necesario.
Cuando se transmiten datos en la capa de enlace de datos, la unidad de datos es una trama. Cuando se van a enviar datos, la capa de enlace de datos envía los datos desde la capa de red para formar una trama y los envía al enlace; mientras recibe datos, Los datos en el marco se sacan y se entregan a la capa de red. Cada marco de datos contiene información de control (encabezado de marco), que indica a qué host se enviarán estos datos de marco y desde qué host. También hay un código de verificación al final de la trama para verificar si esta trama de datos ha cambiado durante la transmisión.
Existen muchos tipos de protocolos de capa de enlace de datos, pero hay tres problemas básicos que son comunes: encapsulación y enmarcado, transmisión transparente y detección de errores .
- La encapsulación es agregar encabezado y avance antes y después de un dato, formando así un marco. Una función importante del encabezado y el avance es delimitar el marco (determinar los límites del marco). La unidad de transmisión máxima se refiere al límite superior de la longitud de la parte de datos.
- Transparencia significa que cualquier dato se puede transmitir en la capa de enlace de los dos hosts.
- La detección de errores es detectar si se producen errores durante la transmisión de datos. En la actualidad, la verificación de redundancia cíclica CRC se usa ampliamente en la capa de enlace de datos.
Si los datos recibidos por la capa de enlace de datos pueden pasar la verificación CRC, continuará transmitiéndose a la capa superior; de lo contrario, se descartará directamente y no se desperdiciarán recursos de red. La comprobación aquí solo puede ser la comprobación de errores de bits más básica, y para la pérdida de cuadros, la repetición de cuadros y el cuadro fuera de secuencia, necesita el protocolo de la capa superior para lograrlo .
Protocolo punto a punto PPP.
Los usuarios de Internet generalmente tienen que conectarse a un ISP para acceder a Internet.El protocolo PPP es el protocolo de capa de enlace de datos que se usa cuando la computadora del usuario se comunica con el ISP.
El formato de marco PPP se muestra en la figura. El campo de bandera F se especifica como 0x7E, el campo de bandera indica el inicio o el final de una trama, y el campo de bandera es el delimitador de la trama PPP. Se necesita un campo de marca entre dos cuadros consecutivos. Si aparecen dos campos de bandera consecutivos, indica que se trata de un cuadro vacío.
Cuando el campo de protocolo es 0x0021, el campo de información de la trama PPP es el paquete IP. Cuando es 0xc021, son los datos LCP del protocolo de control y 0x8021 indica que estos son los datos de control de la capa de red.
FCS es una secuencia de verificación de trama utilizando CRC.
Transparencia PPP se utiliza en la transmisión asincrónica (transmisión de bytes), el carácter de escape se define como 0x7D y utiliza el relleno de bytes.
Convierta 0X7E bytes que aparecen en el campo de información en 2 bytes (0X7D, 0X5E), convierta 0X7D que aparecen en el campo de información en orden de 2 bytes (0X7D, 0X5D) y convierta los caracteres de control en el código ASCII Secuencia de 2 bytes (0x7D, 0X20 + valor original).
El protocolo PPP se utiliza para la transmisión síncrona (una serie de bits se transmiten continuamente). El protocolo PPP utiliza un método de relleno de cero bits para lograr una transmisión transparente. Escanee todo el campo de información primero al enviar. Si encuentra que hay 5 1 consecutivos, complete un 0 inmediatamente. Puede asegurarse de que no haya 6 1 consecutivos en el campo de información (6 1 consecutivos en 0x7E, de modo que no se equivoque. Piense en ello como el delimitador del marco).
Flujo de trabajo del protocolo PPP. Cuando el usuario marca para acceder al ISP, se establece una conexión física desde la computadora del usuario al ISP. En este momento, la computadora del usuario envía una serie de protocolos de control de enlace LCP (negociación de algunos parámetros de configuración) al ISP para establecer una conexión de enlace de datos. Luego, se requiere la configuración de la capa de red y el protocolo de control de red NCP asigna una dirección IP temporal a la computadora personal del usuario al que se accede recientemente. De esta manera, la computadora personal del usuario se convierte en un host con una dirección IP en Internet.
Use la capa de enlace de datos del canal de transmisión.
Los dos estándares de Ethernet: Ethernet V2 y 802.3 son diferentes: 802.3 especifica que el tercer campo de la trama MAC es "longitud / tipo". Cuando el valor de este campo es mayor que 0x6000, significa "tipo", que es exactamente el mismo que Ethernet V2. Cuando la longitud es inferior a 0x6000, indica la longitud.
Para hacer que la capa de enlace de datos se adapte mejor a múltiples estándares LAN (como 802.3, 802.4, 802.5, etc.), IEEE dividió la capa de enlace de datos de la LAN en dos subcapas, a saber, control de enlace lógico y control de acceso a medios MAC El contenido relacionado con el acceso a los medios de transmisión se coloca en la subcapa MAC, mientras que la LLC no tiene nada que ver con los medios de transmisión, es decir, los medios de transmisión y la red de área local de la subcapa MAC son transparentes para la subcapa LLC.
Ahora que Ethernet ha logrado un monopolio en el mercado de LAN, el protocolo Ethernet V2 se usa a menudo en Internet en lugar de LAN en el estándar IEEE802.3, por lo que el papel de LLC ha desaparecido.
La conexión entre la computadora y la LAN externa es a través de un adaptador de comunicación. El adaptador tiene la función de cadena de datos y conversión paralela, y también tiene la capacidad de almacenar datos en caché.
Protocolo CSMA / CD El
Ethernet anterior conectó muchas computadoras a un bus. Cuando un host envía datos, todas las computadoras en el bus pueden detectar estos datos. Para realizar una comunicación uno a uno en el bus, cada adaptador de computadora tiene una dirección diferente de otros adaptadores. Cuando envíe una trama de datos, escriba la dirección de la estación receptora en la cabecera de la trama. El adaptador solo puede recibir esta trama de datos si la dirección de destino en la trama de datos coincide con la dirección de hardware almacenada en la ROM del adaptador.
Ethernet adopta las siguientes medidas para garantizar la comunicación normal del dispositivo: adopta un método de trabajo sin conexión más flexible y puede enviar datos directamente sin establecer una conexión. El adaptador no numera las tramas de datos enviadas, ni requiere que la otra parte envíe una confirmación, es decir, una entrega no confiable ; siempre que haya una computadora en el bus que envíe datos, los recursos de transmisión del bus están ocupados, y solo se puede permitir uno a la vez La computadora envía datos; de lo contrario, las computadoras interferirán entre sí. Ethernet adopta el protocolo CSMA / CD, es decir, detección de colisión / acceso multipunto con detección de portadora.
Ethernet envía datos utilizando la codificación Manchester. La mayor ventaja de utilizar este método de codificación es la capacidad de sincronizar (puede obtener señales de sincronización), para que sepa cuándo se transmitirán los datos.
El acceso multipunto en el protocolo significa que esta es una red de bus. Muchas computadoras están conectadas a un bus en un modo de acceso multipunto; la supervisión del operador es detectar si otras computadoras en el bus también están enviando; la detección de colisión es enviar mientras se envía. Monitor . La detección de colisión es detectar el cambio del voltaje de la señal en el canal para determinar si otras estaciones también están enviando datos al enviar datos. Cuando varias estaciones envían datos en el bus al mismo tiempo, la amplitud del cambio de voltaje de la señal en el bus aumentará (superpuestos entre sí).
Ethernet de tipo bus solo puede realizar una comunicación bidireccional alterna (comunicación semidúplex). Cada estación necesita monitorear si se están transmitiendo datos en el bus antes de enviarlos por sí misma para obtener el derecho de uso; también necesita monitorear durante un tiempo mientras transmite datos para confirmar que ninguna otra estación también está usando el bus en este momento. Cuando se detecta una colisión, el dispositivo emisor suspende el envío de datos y espera un momento aleatorio para enviar los datos nuevamente. Si la retransmisión 16 veces no tiene éxito, el cuadro se descarta y se informa a la capa superior.
El acuerdo especifica que el tiempo de retroceso básico es 2t para el período de contención, y el período de contención específico es 51.2us. Para Ethernet de 10Mbit / s, se pueden enviar datos de 512bit, es decir, 64 bytes, durante el período de contención. Por lo tanto, cualquier trama con una longitud inferior a 64 bytes es una trama no válida cancelada debido a una colisión . Al recibir este marco no válido, debe descartarse inmediatamente. Si los datos transmitidos por todas las capas de red son inferiores a 46 bytes (64 bytes-14 encabezado de trama-4 bytes FCS) bytes, debe completarse. Al mismo tiempo, Ethernet también estipula que el intervalo mínimo entre cuadros es de 9.6us. Esto es para hacer que el búfer de recepción de la estación que acaba de recibir el cuadro de datos sea claro y se prepare para el próximo cuadro .
La Ethernet que usa el hub sigue siendo una red de bus lógicamente, y cada estación comparte el bus lógico, usando el protocolo CSMA / CD.
La expansión de Ethernet incluye concentradores, puentes y conmutadores. Entre ellos, el concentrador pertenece a la extensión de la capa física, o el tipo de bus, que rara vez se usa ahora; el puente y el conmutador se extienden a través de la capa de enlace de datos Ethernet, y la máquina interactiva es un puente de interfaz múltiple. El conmutador tiene paralelismo, es decir, puede conectar varios pares de interfaces al mismo tiempo, de modo que múltiples pares de hosts se comunican al mismo tiempo.Los hosts que se comunican entre sí son medios de transmisión exclusivos, que transmiten datos sin colisión。
