计算机网络

• 1: 计算机网络体系结构
• 1.1: 分层结构
• 1.2: 网络设备总结
• 1.3: 各层协议总结
• 2: 物理层
• 2.1: 通信概念
• 2.2: 编码和调制
• 2.3: 交换方式
• 2.4: 物理层设备
• 3: 数据链路层
• 3.1: 组帧
• 3.2: 差错控制
• 3.3: 流量控制
• 3.4: 介质访问控制
• 3.5: 局域网和广域网
• 3.6: 数据链路层设备
• 4: 网络层
• 4.1: IP
• 4.2: ICMP
• 4.3: DHCP
• 4.4: ARP
• 4.5: 路由算法
• 4.6: SDN
• 4.7: 网络层设备
• 5: 传输层
• 5.1: TCP
• 5.2: UDP
• 6: 应用层
• 6.1: 网络应用模型
• 6.2: DNS
• 6.3: FTP
• 6.4: 电子邮件
• 6.5: 万维网

1 - 计算机网络体系结构

学习思维导图：

# 计算机网络概述

## 基本概念

- 定义、组成和功能
- 分类
- 主要性能指标

## 体系结构

- 分层结构
- 网络协议、接口、服务等概念
- ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

1.1 - 分层结构

ISO/OSI 模型

OSI 参考模型 有 7 层，自下而上依次为【物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层】（记忆：物链网输会示用）。低三层统称为 通信子网，它是为了联网而附加的通信设备，完成数据的传输功能；高三层统称为 资源子网，它相当于计算机系统，完成数据的处理等功能。传输层 承上启下。

OSI 参考模型的层次结构如下图所示：

物理层

物理层的传输单位是 比特，功能是在物理媒体上为数据端设备透明地传输原始比特流，不用参与数据封装工作。为了实现该功能，物理层需要定义 硬件设备标准，如电缆类型、接口类型、电压标准等。

数据链路层

数据链路层的传输单位是 帧，两台主机之间的数据传输总是在一段一段的链路上传送的，这就需要使用专门的链路层协议。

数据链路层将网络层交来的 IP 分组封装成帧，并且可靠地传输到相邻结点的网络层。主要作用是加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造为尽可能可靠的 数据链路。数据链路层的功能可以概括为：物理寻址、组帧、差错控制、点对点流量控制、数据重发和传输管理等。

网络层

网络层（Netweork Layer）的传输单位是 数据报，它关心的是通信子网的运行控制，主要任务是把网络层的 协议数据单元（分组）从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。关键问题是对分组进行 路由选择，并实现整个网络的流量控制。

传输层

传输层（Transport Layer）的传输单位是报文段或用户数据报，传输层负责主机中两个进程之间的通信，功能是为 端到端 连接提供可靠的传输服务，为 端到端 连接提供流量控制（端到端）、差错控制、服务质量、数据传输管理等服务。

数据链路层提供的是 点到点 的通信，传输层提供的是 端到端 的通信，两者不同。点到点 可以理解为主机到主机之间的通信；端到端的通信是指运行在 不同主机内的两个进程之间的通信，只有传输层及以上各层的通信才能称为端到端。

会话层

会话层（Session Layer）允许不同主机上的各个进程之间进行会话。这 会话 这种服务主要为用户进程建立连接，并在连接上有序地传输数据，这就是 会话。

会话层负责管理主机间的会话进程，包括建立、管理及终止进程间的 检查点 机制来维持可靠会话，使通信会话在通信失效时从检查点继续恢复通信，即断点下载的原理。

表示层

表示层 主要处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。不同机器采用的 编码 和表示方法不同，使用的数据结构也不同。为了使不同表示方法的数据和信息之间能互相交换，表示层采用抽象的标准方法定义数据结构，并采用标准的 编码 形式。此外，数据压缩、加密和解密 也是表示层的功能。

应用层

应用层是 OSI 参考模型的最高层，是用户与网络的接口。应用层为特定类型的网络应用提供访问 OSI 参考模型环境的手段。因为用户的实际应用多种多样，这就要求 应用层 采用不同的应用 协议 来解决不同类型的应用要求，因此 应用层 是最复杂的一层，使用的 协议 也最多

TCP/IP 模型

TCP/IP 模型 从低到高依次为【网络接口层（对应 OSI 参考模型 中的物理层和数据链路层）、网际层、传输层 和 应用层（对应 OSI 参考模型 中的会话层、表示层和应用层）】。TCP/IP 由于得到广泛应用而成为事实上的国际标准。TCP/IP 模型 的层次结构如下图所示：

TCP/IP 模型 与 OSI 模型 的不同点在于 网络接口层 和 应用层，可以理解为 TCP/IP 模型 中这两层涵盖了 OSI 协议 中多层的功能：

学习计算机网络时，我们往往采取折中的办法，即综合 OSI 参考模型 和 TCP/IP 模型 的优点，采用一种如下图所示的只有 5 层协议 的体系结构，即我们所熟知的【物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层】。

协议数据单元

在网络中，协议数据单元（PDU，Protocol Data Unit）是指在某一层协议中传输的数据单元。每一层在接收来自上一层的数据时，都会在其头部添加控制信息（称为首部 Header），然后将其当作一个新的 PDU 交给下一层处理。这就是所谓的 封装 过程。

1.2 - 网络设备总结

冲突域

冲突域 是指在以太网中，当两个设备同时发送数据时，可能发生冲突的一组网络设备所组成的区域。在这个区域内，如果两个或多个设备同时发送帧，由于 共享介质 ，就会产生数据冲突，导致通信失败，需要重新发送。

📌 冲突发生的根本原因：

以太网（尤其是早期使用 共享总线 或 集线器 的方式）采用了 CSMA/CD 协议（载波监听多路访问/冲突检测） 协议：

1. 每个设备发送前先监听是否有信号；
2. 如果发现没人发，就开始发；
3. 如果两个设备几乎同时监听到空闲并发送，就会发生 冲突 。

冲突域的边界由 二层设备（如集线器和交换机） 决定：

• 集线器（Hub）：所有端口共享同一个冲突域。连接在集线器上的设备同时发送数据会发生碰撞，因此无法隔离冲突域。
• 交换机（Switch）：每个端口形成独立冲突域，设备之间的发送不会互相干扰，从而有效隔离冲突。

广播域

广播域 指通过广播方式发送的数据包能够到达的所有主机组成的网络范围。通常，我们讨论的是 IP 层的广播域（ARP 广播也属于此类）。

在同一个 IP 广播域内，设备可以相互接收广播消息。举例来说：如果电脑 A 发送一个广播报文（例如 192.168.1.255），同一广播域内的电脑 B 和电脑 C 都能够接收到该消息。

广播域的边界由 三层设备（如路由器） 决定：

• 交换机（Switch）：仅在二层转发帧，不会阻止广播，广播帧会发送到除来源端口以外的所有端口。
• 路由器（Router）：在三层划分网络，会阻止广播，因此每个路由器接口形成一个独立的广播域。

设备功能

下表给出了不同设备的层次以及是否能够隔离冲突域和广播域：

1.3 - 各层协议总结

网络协议要素

网络协议规定了通信双方交互的规则，主要包括以下三要素：

• 语法 ：定义信息的格式和结构（如报文结构、编码方式等）
• 语义 ：规定控制信息的含义和需要完成的操作
• 时序 ：定义事件的发生顺序和通信双方的协同工作方式（如请求与响应的先后顺序）

应用层协议

应用层协议直接面向用户，为应用程序之间的通信提供服务：

传输层协议

传输层为应用进程间提供可靠或不可靠的数据传输服务：

• TCP （Transmission Control Protocol） ：面向连接，提供可靠的字节流服务，适用于要求高可靠性的应用（如 HTTP、FTP）。
• UDP （User Datagram Protocol） ：无连接，不保证可靠性，但开销小、速度快，适用于实时性要求高的场景（如 DNS、视频流）。

网络层协议

网络层负责实现数据包从源主机到目标主机的传输：

• IP （Internet Protocol） ：不可靠的无连接协议，提供数据报服务，是整个互联网的核心协议。
• ICMP （Internet Control Message Protocol） ：用于发送错误报告与网络诊断信息（如 ping 命令使用的就是 ICMP 回显请求）。
• RIP / OSPF / BGP ：路由选择协议，主要用于自治系统内部（RIP、OSPF）或之间（BGP）的路由计算
• NAT （Network Address ）：网络地址转换，在私网和公网之间转换 IP 地址

数据链路层协议

数据链路层负责将网络层传来的数据组装成帧，在链路上传输并进行差错控制：

• ARP （Address Resolution Protocol） ：地址解析协议，用于将 IP 地址解析为对应的 MAC 地址。
• PPP （Point-to-Point Protocol） ：点对点协议，用于点对点链路的数据传输，常用于拨号上网。
• HDLC （High-Level Data Link Control） ：高级数据链路控制协议，用于同步链路的帧传输，支持面向比特流的通信。

2 - 物理层

学习思维导图：

# 物理层

## 通信基础

- 信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念
- 奈奎斯特定理和香农定理
- 编码和调制
- 电路交换、报文交换与分组交换
- 数据报和虚电路

## 传输介质

- 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质
- 物理层接口的特性

## 物理层设备

- 中继器
- 集线器

2.1 - 通信概念

接口特性

物理层定义了设备之间如何通过电缆、无线等物理媒介进行通信。物理层具有以下四种 接口特性：

• 机械特性：描述物理连接设备的 外部物理形态和接口规范，主要包括：
  • 接口的形状（如RJ45、USB等）
  • 接口的引脚数量和排列顺序
  • 电缆的类型（双绞线、光纤、同轴电缆等）
• 功能特性：说明各个 接口引脚具体的功能，例如：
  • 哪个引脚负责发送数据（Tx）
  • 哪个引脚负责接收数据（Rx）
  • 哪些引脚用于控制信号，如握手（RTS/CTS）
• 过程特性：定义了在数据传输过程中，各种物理信号是 如何协作完成数据通信的过程，例如：
  • 传输起始与终止的方式
  • 信号同步的机制
  • 比特之间如何区分（串行或并行）
• 电气特性：规定了物理层信号的 电气属性，包括：
  • 电压的幅值（高电平/低电平）
  • 电流大小
  • 信号的传输速率和传输距离
  • 信号的上升沿、下降沿

通信指标

信道

与 信道 相关的概念有四个，需要能够辨别这几个名词：

• 信道 (Channel)：是指进行信息传输的媒介或路径。这可能是一个物理的媒介，例如电缆，或者是无线的，如无线电波。
• 信号 (Signal)：是载有信息的物理现象。例如，电信号、光信号或无线电波。
• 信源 (Source)：产生或发送信息的设备或实体。
• 信宿 (Sink or Destination)：是指接收信息的设备或实体。

graph LR
    subgraph "信息传输过程"
        信源 -- 发送信号 --> 信道
        信道 -- 传输信号 --> 信宿
    end

    style 信源 fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style 信道 fill:#bbf,stroke:#333,stroke-width:2px
    style 信宿 fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px

    信源(信源<br>发送信息的设备)
    信宿(信宿<br>接收信息的设备)
    信道(信道<br>信息传输的媒介)
    信号(信号<br>载有信息的物理现象)

    subgraph "概念解释"
        信源 -- "产生" --> 信号
        信号 -- "通过" --> 信道
        信道 -- "传输" --> 信号
        信号 -- "被接收" --> 信宿
    end

码元

一个 码元（symbol）就是一个脉冲信号，一个脉冲信号有可能携带 1bit 数据，也有可能携带 2bit 数据、4bit 数据。

那么怎么实现一个脉冲信号就能携带多个 bit 数据呢？我们可以通过 调制技术 来实现，比如设置模拟信号中信号的频率、相位、振幅 等。

举个例子：把 振幅 分成四种，低（00）、中（01）、高（10）、很高（11），这样我发一个脉冲信号，它的振幅是低，那就说明发送的是 00（也就是 2bit），它的振幅是中（01），发送的就是 01（也就是 2bit）… 以此类推

graph LR
    A["脉冲信号（码元）"] --> B["振幅 = 低"] --> C["比特 00"]
    A --> D["振幅 = 中"] --> E["比特 01"]
    A --> F["振幅 = 高"] --> G["比特 10"]
    A --> H["振幅 = 很高"] --> I["比特 11"]

    style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style C,E,G,I fill:#bbf,stroke:#333,stroke-width:2px

波特

波特（Baud）是数据通信中的一个术语，用来表示符号（或码元）传输速率。具体来说，波特率（Baud rate）指的是每秒钟传输的码元（symbol）的数量。

码元和 波特率：一个码元可以携带一个或多个比特的信息。波特率是指每秒钟传输多少个这样的码元。例如，如果 波特率 为 1000 波特，这意味着每秒可以传输 1000 个码元。

波特率 与 比特率：波特率和比特率的关系取决于每个码元携带的比特数。

• 一个码元能携带 1bit 数据，那么 比特率 = 波特率。
• 一个码元能携带 2bit 数据，那么 比特率 = 2 倍的 波特率。
• 一个码元能携带 4bit 数据，那么 比特率 = 4 倍的 波特率。

速率

速率（Rate）是指连接到计算机网络上的节点在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率、数据率或比特率，单位为 b/s（比特／秒）或 bit/s（有时也写为 bps )。

当数据率较高时，可用 kb/s（k = $10^3$ ）、Mb/s（M = $10^6$ ）或 Gb/s（G = $10^9$ ）表示。通常把最高数据传输速率称为 带宽。

速率可以用两种指标来衡量：

• 比特率：每秒传输的比特数量
• 波特率：每秒传输的波特数量

一个码元可以包含多个比特，如果一个码元携带 $n$ 比特的信息量，则 波特率 M 对应的 比特率 为 $Mn$ bit/s

带宽

带宽（Bandwidth）在通信领域中，指通信线路能够通过的信号频率范围，单位为赫兹（Hz）。 在计算机网络中，带宽通常被引申为通信线路的数据传输能力，即数字信道所能达到的 最大数据传输速率，其单位为比特每秒（b/s）。

例子：如果家里的宽带带宽是 100Mb/s，表示网络在理想情况下，每秒最多可以传输 100兆比特 的数据，相当于大约 12.5MB/s 的下载速度。

在考题中偶尔涉及到带宽和吞吐量的区别：

• 带宽：理论上的最大传输速率，就像是一条高速公路的最大车道数。
• 吞吐量：实际传输速率，受到网络拥塞、协议开销、设备性能等因素影响，往往低于带宽。

举例：虽然网络带宽是 100Mb/s，但在高峰时段可能只能达到 70Mb/s，这 70Mb/s 就是实际的吞吐量。

时延

时延（Delay）指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需要的总时间，它由 4 个部分构成，分别为：发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。

1. 发送时延 ：也称 传输时延。节点将分组的所有比特推向（传输）链路所需的时间，即从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间。

   • 发送时延 = 分组长度 (bit) / 发送速率 (bit/s)

2. 传播时延 ：电磁波在信道（传输介质）中传播一定的距离需要花费的时间，即一个比特从链路的一端传播到另一端所需的时间。

   • 传播时延 = 信道长度 (m) / 电磁波在信道上的传播速率 (m/s)

3. 处理时延：数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间。例如，分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等。

4. 排队时延：分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。路由器确定转发端口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就产生了 排队时延。

因此，数据在网络中经历的总时延就是以上 4 部分时延之和：总时延＝发送时延＋传播时延＋处理时延＋排队时延。

时延带宽积

时延带宽积（Bandwidth-Delay Product，简称 BDP）指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特，因此又称以比特为单位的链路长度，即

如下图所示，考虑一个代表链路的圆柱形管道，其长度表示链路的传播时延，横截面积表示链路带宽，则 时延带宽积 表示该管道可以容纳的比特数量。

奈奎斯特定理

奈奎斯特定理 说明了在 无噪声干扰、带宽有限 的理想低通信道中的数据极限传输速率。当实际传输速率小于等于该速率时，可以实现无码间串扰的数据传输。

奈奎斯特定理的 核心思想 是： 即使在没有噪声的理想信道中，信道的带宽仍然限制了其数据传输能力。为了避免相邻码元之间的干扰（即码间串扰），每秒钟最多只能传输有限数量的码元，这个数量与带宽直接相关。

奈奎斯特用一个公式精确地描述了信道的极限传输速率：

$C=2W\cdot {\log }_{2}V$

其中：

• $C$ 是信道容量，单位是比特每秒 (bps)，表示无噪声条件下的最大传输速率；
• $W$ 是信道带宽，单位是赫兹 (Hz)，表示信道允许通过的最高频率范围；
• $V$ 是每个码元可采用的不同离散电平数量；
• ${\log }_{2}V$ 表示每个码元可以携带的比特数（因为 \(V\) 种电平可以表示 \(\log_2 V\) 比特信息）；
• $2W$ 表示每秒最多传输的码元数（波特率，baud/s）。

公式中的含义：

1. 带宽 (\(W\)) 越大，单位时间内可传输的码元数越多；
2. 每个码元的电平数 (\(V\)) 越多，所携带的信息量越大。

因此，在理想无噪声信道中，极限传输速率取决于带宽和码元的离散电平数。

香农定理

香农定理 说明了在 有噪音干扰、带宽有限 的信道中的数据极限传输速率，当实际传输速率小于等于改速率时，可以做到不产生误差。

香农定理的 核心思想 是： 即使信道中存在噪声，只要信息传输速率低于某个极限值（即信道容量），就一定可以通过某种编码方式实现几乎无差错的传输。这个极限值取决于信道的带宽和 信噪比。

香农用一个公式精确地描述了信道极限传输速率：

其中：

• $C$ 是信道容量，单位是比特每秒 (bps)，表示信道理论上的最大传输速率。
• $B$ 是信道带宽，单位是赫兹 (Hz)，表示信道可用的频率范围。
• $S$ 是信号功率，表示信号的强度。
• $N$ 是噪声功率，表示信道中噪声的强度。
• $\frac{S}{N}$ 是 信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR），通常以线性形式表示（不是分贝 dB）。

公式中的含义：

1. 带宽 ( $B$ ) 越大，信道容量 ( $C$ ) 越大：这意味着更宽的信道可以传输更多的数据。
2. 信噪比 ( $\frac{S}{N}$ ) 越大，信道容量 ( $C$ ) 越大：这意味着信号相对于噪声越强，传输速率就越高。

2.2 - 编码和调制

在计算机网络中，编码 和 调制 是数据传输的两个关键过程，它们的目标都是为了让 数字信息（如二进制的 0 和 1）能够有效、准确地在 物理介质（如双绞线、光纤、无线电波等）上传输。

编码类型

编码（encoding）指的是把 数字信号（0 和 1）转换成适合在 传输介质 上传输的电信号或光信号。常见的编码方式有以下几种：

可以通过通过以下口诀记忆以上编码方法：

调制方法

调制方法 指的是把 编码后 的 数字信号 转换为 模拟信号（如正弦波），以适应 物理信道（如无线电波）的传输。

调制方法主要了解以下四种：

1. ASK (幅度偏移键控 - Amplitude Shift Keying)
2. FSK (频率偏移键控 - Frequency Shift Keying)
3. PSK (相位偏移键控 - Phase Shift Keying)
4. QAM (象限幅度调制 - Quadrature Amplitude Modulation)

2.3 - 交换方式

交换

交换方式 是指在通信网络中，数据从发送方传输到接收方时，网络节点（如交换机、路由器）处理和转发数据的方式。它决定了数据传输的路径、资源分配和效率。交换方式是通信网络设计的核心，直接影响网络的性能、时延和资源利用率。

电路交换、报文交换 和 分组交换 是三种主要方式，其中分组交换又可以进一步分为 数据报和虚电路 两种方式：

电路交换

电路交换（Circuit Switching）是一种传统的通信方法，其中在发送方和接收方之间建立一个专用的通信路径（电路），该路径在整个通信过程中保持不变，其过程如下：

1. 连接建立：发送方发起请求，通过交换设备（如电话交换机）在网络中为通信双方寻找并分配一条固定路径，建立端到端的专用电路。这需要信令系统协调。
2. 数据传输：电路建立后，数据（语音、视频等）通过这条固定路径连续传输。整个通信期间，路径保持独占，即使没有数据传输，资源也不会释放。
3. 连接释放：通信结束后，发送方或接收方发出终止信号，交换设备拆除电路，释放占用的资源（如带宽、端口）供其他用户使用。

电路交换的典型应用是 传统电话网络（PSTN）。其优缺点如下：

• 优点：
  • 稳定性：一旦建立连接，通信是连续且稳定的。
  • 低延迟：由于路径是专用的，数据传输没有竞争，延迟较低。
• 缺点：
  • 资源浪费：路径在整个通信过程中被独占，即使没有数据传输时，资源仍然占用。
  • 建立时延：建立连接需要时间，初始延迟较高。

报文交换

报文交换（Message Switching）不需要建立专用路径，整个报文作为一个单元传输，节点存储并转发整个报文。其过程如下：

1. 报文发送：发送方将完整的数据消息（大小可变，可能包含文本、文件等）发送到网络中的第一个节点（通常是交换机或路由器）。
2. 存储转发：每个节点接收整个报文，存储在缓冲区，检查目标地址后，选择下一跳节点转发。报文在网络中逐跳传输，直到到达接收方。
3. 接收与处理：接收方收到完整报文后，进行处理或存储。

报文交换主要用于早期的电报和一些数据网络中。报文交换的优缺点如下：

• 优点：
  • 灵活性：不需要建立专用线路，可以动态选择路径。
  • 适应性：适合于突发性的数据传输。
• 缺点：
  • 高延迟：每个节点都需要存储和转发整个报文，增加了延迟。
  • 资源占用：大报文可能占用较多的存储资源。

分组交换

分组交换（Packet Switching）将数据分成小的分组（或数据包），每个分组独立传输，并可能通过不同路径到达目的地。其过程如下：

1. 数据分割：发送方将消息拆分为多个分组，每个分组附带头部信息（如源地址、目标地址、序列号）。
2. 分组传输：每个分组独立在网络中传输，节点（路由器）根据头部信息选择最佳路径，分组可能走不同路径到达目的地（动态路由）。
3. 存储转发：每个节点接收分组，存储后快速转发到下一跳，分组大小小，处理速度快。
4. 重组与接收：接收方收到所有分组后，根据序列号重新组装成原始消息。如果有分组丢失，可请求重传。

分组交换已经广泛应用于互联网，比如当前的 IP 协议就是分组交换的一种实现。

分组交换是对报文交换的一种改进，它具备如下优点：

• 高效性：网络资源按需分配，多个通信可以共享同一物理路径。
• 鲁棒性：分组可以通过不同路径传输，网络故障时能自动选择替代路径。
• 适应性强：适合于多种类型的数据传输（语音、视频、数据等）。

其缺点与报文交换类似，由于分组可能通过不同路径到达，可能导致抖动和延迟。

对比

• 电路交换 通过建立专用物理电路实现连续数据传输，资源独占但效率低，适合实时通信如电话；
• 报文交换 以整个消息为单位存储转发，无需预连接但时延高，适合低频大数据传输；
• 分组交换 将数据拆分为小分组独立传输，资源共享且效率高，适合现代互联网，但需处理分组丢失或乱序问题。

下图包含三种交换方式传输的时空图，横向表示距离，纵向表示时间：

需要能够图中的那一部分是 传播时间，哪一部分是 传输时间，这一部分内容可以和 数据链路层信道利用率 对比学习。

传输时间计算

电路交换 的传输时间包含 连接建立 和 数据传输的时间：

1. 建立时间：在进行数据传输之前，需要建立一个专用的电路连接，这个过程会产生一定的延迟。设立连接时间为 $T_{\text{setup}}$ 。

2. 传输时间：一旦电路建立，数据传输时间主要取决于数据量和带宽。传输时间 $T_{\text{transmission}}$ 可以用公式表示为：

   $$T_{\text{transmission}}=\frac{\text{数据大小}}{\text{带宽}}$$

3. 总传输时间：总传输时间包括建立时间和传输时间：

   $$T_{\text{total}}=T_{\text{setup}}+T_{\text{transmission}}$$

报文交换 和 分组交换 的场景更加复杂一些，我们需考虑多种时延 以及 不同链路之间的带宽差异。 但是两者的思路类似，不同点在于报文和分组的大小不同，这里以分组交换来进行说明。

下面举一个比较全面的例子来说明一下，网络中有 A、B、C、D 四个结点，其中链路的带宽分别为 $B_1$ 、 $B_2$ 、 $B_3$ 。 在从结点 A 发送分组至结点 D 的过程中，总时间主要包含三种时延：传播时延、传输时间 和 排队时间。

首先，假设信号传播速度为 $\text{speed}$ ，A 到 D 之间的距离为 $L$ ，则：

假设每个分组的大小为 $P$ ，则 A → B 的传输时间为 $P/B_1$ ，B → C 的传输时间为 $P/B_2$ ，C → D 的传输时间为 $P/B_3$ 。由下图可知，不同链路间的分组传输存在流水线的 overlap 现象，A 向 B 发送完第一个分组后即可发送第二个分组。 在这种情况下，如果 A 向 D 传输 $k$ 个分组的话，则总传输时间受限于带宽最低的链路，若 $B_1$ 为链路最低的带宽的话，则：

上述公式是一种特殊的情况，如果 $B_i<B_j<B_k<\cdots$ 的话则

一般排队时间在试题中都不需要考虑，所以 总时间 为传输时间和传播时延之和：

数据报和虚电路

在 分组交换 中，根据分组的路由和连接方式，分组交换分为数据报（Datagram）和虚电路（Virutal Circiut）两种模式：

• 数据报 ：一种 无连接 的分组交换方式，每个分组（数据报）独立传输，包含完整的源地址和目标地址，网络根据每个分组的头部信息动态选择路由路径。
• 虚电路 ：一种 面向连接 的分组交换方式，在通信开始前建立一条逻辑路径（虚电路），所有分组沿此路径传输，模拟电路交换的稳定连接。

下表对比了数据报和虚电路的特性：

数据报和虚电路是两种不同的通信服务模型，适用于不同的通信需求和网络类型。数据报适合于互联网等不保证可靠传输的环境，而虚电路适合于对可靠性要求较高的电路交换和 ATM 等网络。选择合适的通信模型取决于应用需求和网络设计。

2.4 - 物理层设备

集线器

定义：集线器（Hub）是一个 物理层设备，用于将多台计算机或其他网络设备连接在一起，从而形成一个单一的网络段。

工作方式：当一个设备通过集线器发送数据时，数据会被 广播到 集线器的所有其他端口。每个连接到集线器的设备都会收到这些数据，但只有目标设备才会处理它。集线器本身不会分析或查看传输的数据。

局限性: 由于集线器将数据广播到所有设备，所以它可能导致 网络拥塞。因此，在大型或流量较大的网络中，集线器已经被交换机所取代，交换机能够智能地将数据转发到目标设备。

中继器

定义：中继器是一个 物理层设备，用于 放大 或 再生 数字 信号。

工作方式：在以太网或其他类型的网络中，数据在电缆上只能传输一定的距离，超过这个距离，信号会减弱或退化。中继器放置在这种距离的两端，用于接收退化的信号，放大或再生它，然后将它传输到下一段电缆。

应用：中继器被用于 扩展网络 的物理范围，超出了单一段 电缆 或 物理媒体 的限制。

网络适配器

定义：网络适配器 (Network Adapter)，也称为网络接口卡（NIC）或简称 网卡，是一种硬件组件，用于 连接计算机到一个网络。

工作方式：网络适配器为计算机提供了一个或多个网络连接端口，它将计算机的 数字数据 转换为可以在物理媒体（例如双绞线、光纤或无线电波）上传输的 信号。同样，当信号从网络到达网络适配器时，它会将这些信号转换回计算机可以理解的数字数据。

物理地址：每个网络适配器都有一个唯一的 物理地址，称为 MAC 地址。这个地址在生产时被烧录到设备中，用于在局域网内唯一地识别设备。

电缆

• 双绞线 (Twisted Pair)：双绞线由一对绝缘的铜线组成，两线之间呈螺旋形地绞在一起。
• 光纤 (Fiber Optic)：光纤是由极细的玻璃或塑料纤维制成的，用于传输光信号。
• 同轴电缆 (Coaxial Cable)：同轴电缆由一个中心铜导线、一个绝缘层、一个金属屏蔽和一个外部的塑料或橡胶覆盖层组成。

双绞线（twisted pair cable）的结构如上图所示，“双绞线”之所以叫“双绞线”，是因为它的结构真的就是两根 绝缘铜线 按照一定方式互相“绞”在一起。 这种“绞合”结构是为了 抗干扰，让数据传输更加 稳定可靠。

光纤（fiber optic）的结构如上图所示，光纤利用光在里面的 反射 来传输数据。相比电信号，它的 抗干扰能力 更强、传输速度 更快、距离 也更远，非常适合 高速 的数据通信。

同轴电缆（coaxial cable）的结构如上图所示，它由 中心铜导体、绝缘层、金属屏蔽层 和 外护套 组成。 其中，金属屏蔽层可以有效减少外界电磁干扰，同时也防止信号向外泄漏。

同轴电缆常用于有线电视、宽带接入和一些局域网连接，具有抗干扰能力强、传输稳定的特点。

3 - 数据链路层

学习思维导图：

# 数据链路层

## 数据链路层的功能

## 组帧

## 差错控制

- 检错编码
- 纠错编码

## 流量控制和可靠传输机制

- 流量控制、可靠传输和滑动窗口
- 停等协议
- 回退N帧
- 选择性重传协议

## 介质访问控制

- 信道划分
- 随机访问：ALOHA, CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA
- 轮询访问

## 局域网

- 基本概念和体系结构
- 以太网和IEEE 802.3
- 无限局域网和IEEE 802.11
- VLAN

## 广域网

- 基本概念
- PPP协议

## 数据链路层设备

- 以太网交换机和工作原理

数据链路层功能

1. 封装数据帧（Frame Encapsulation）：
   • 数据链路层将来自网络层的数据包封装成数据帧，这包括将源和目标地址添加到帧头部，以便在物理介质上的传输。
2. 数据帧传输（Frame Transmission）：
   • 数据链路层负责将数据帧从一个物理节点传输到另一个物理节点。这可能涉及到点对点的传输（例如，以太网）或多点广播传输（例如，Wi-Fi）。
3. 物理地址寻址（Physical Addressing）：
   • 数据链路层使用物理地址（通常是 MAC 地址）来标识设备。这些地址用于确定数据帧的目标设备。
4. 帧同步和定界（Frame Synchronization and Framing）：
   • 数据链路层确保接收端可以正确识别和分离不同的数据帧。这通常通过在帧的起始和结束位置使用特殊的比特模式来实现。
5. 流量控制（Flow Control）：
   • 数据链路层可以控制发送端的数据传输速率，以防止接收端不堪重负而丢失数据。这确保了适当的数据流量管理。
6. 差错检测和纠正（Error Detection and Correction）：
   • 数据链路层使用差错检测技术（如 CRC 校验）来检测帧在传输过程中是否受到损坏。一些数据链路层协议还可以进行错误纠正，尝试修复损坏的数据。

3.1 - 组帧

数据链路层的主要功能之一就是 组帧。

帧（frame）代表数据链路层的数据发送单位，在接收到来自于网络层的报文（packet）时如何为其添加帧头和帧尾，并且以何种方式进行 帧定界（接收方区别连续不同的帧）。

组帧的关键就在于 帧定界，也就是对于接收方来说，它能够以某种方式区分连续收到的不同帧。
从这个角度出发，组帧 方式可以被分为以下几种：

字符计数法

字符计数法 是在帧的首部设置一个计数字段，用来指示该帧中包含的字符（或字节）数量。

当接收方开始读取一帧时，首先读取位于 帧首部的计数字段。通过该字段的数值，接收方即可知道该 帧的总长度（即后续应读取的字符数）。随后，接收方按照得到的长度继续读取剩余的数据，直至完整地接收完本帧。

首位定界字符法

首位定界字符法即 使用特殊控制字符标志帧的开始和结束。

但是使用这种方式可能出现如下问题：就是 首位定界字符 可能会在帧内部出现，这个时候就会造成歧义。

所以当特殊字符出现在帧的数据部分时，需要用 转义字符 ESC 来对特殊字符进行转义，同样，ESC 出现在数据部分同样需要转义。

以上图为例，假设我们使用 FLAG 作为 首位定界字符 的话（注意这里 FLAG 只是字符名称，不是表示字符是 FLAG），那么当 FLAG 出现在数据部分时，我们需要对 FLAG 进行转义，需要注意的是，因为我们使用 ESC 作为转义字符，所以当数据中出现 ESC 时，我们也需要对转义字符自己进行转义。

零比特填充法

零比特填充法（Bit Stuffing）与首位定界字符法思路类似。

用 01111110 作为一个新的数据帧的开头，这里的关键在于要对数据帧内容中与 01111110 相同的部分进行转义，转义的方式如下：

• 在 发送方：
  • 每当数据中出现 连续 5 个 '1' 时，
  • 就自动插入一个 '0'，避免形成 6 个连续的 '1'（即避免形成 01111110）。
• 在 接收方：
  • 每当检测到 连续 5 个 '1' 后跟着一个 '0'，就去掉这个 '0'，还原原始数据。
  • 在传送的比特流中可以传送任意比特组合，而不会引起对帧边界的判断错误。零比特填充法 很容易由硬件来实现，性能优于字符填充法。

对于 零比特填充法，需要记住 01111110 这种开头的比特填充方式以及具体如何进行转义。

违规编码法

违规编码法（Physcial Layer Coding Violations）使用特殊电平进行定界。比如，曼彻斯特编码 将数据比特“1”编码为“高 - 低”电平，将比特“0”编码为 “低-高” 电平对，而 “高-高” 电平对和 “低-低” 电平对是没有被使用的，所以可以用这两个电平进行帧定界。

3.2 - 差错控制

分类

• 检错编码：奇偶校验码、循环冗余码
• 纠错编码：海明码

奇偶校验码

奇偶校验码（Parity Check Code）是一种 简单高效 的错误检测机制，广泛应用于数据传输和存储系统中，用于发现 单比特错误。其核心思想是通过添加一个 校验比特（parity bit），确保数据中“1”的总数符合特定的奇偶规则。

奇偶校验码有两种常见的类型：奇校验 和 偶校验。

1. 奇校验（Odd Parity）：
   • 校验比特的值使数据（包括校验比特）中“1”的总数为 奇数。
   • 例如，若原始数据“1”的个数为 偶数，校验比特设为 1；若为 奇数，设为 0。
   • 若接收端检测到“1”的总数为 偶数，则说明传输中存在错误。
2. 偶校验（Even Parity）：
   • 校验比特确保数据中“1”的总数为 偶数。
   • 例如，若原始数据“1”的个数为 奇数，校验比特设为 1；若为 偶数，设为 0。
   • 若接收端检测到“1”的总数为 奇数，则表明数据出错。

奇偶校验码的 工作原理 如下：

• 发送端：根据奇校验或偶校验规则，计算原始数据中 “1” 的个数，设置校验比特，并将数据连同校验比特一起发送。
• 接收端：检查接收到的数据（包括校验比特）中 “1” 的总数是否符合预设的奇偶规则。若不符合，说明传输过程中可能发生了单比特错误。

奇偶校验的工作原理是发送端计算数据中所有比特的总数，并根据所选的奇偶性规则设置校验比特的值。接收端在接收数据后再次计算所有比特的总数，包括校验比特，然后检查总数是否满足所选的奇偶性规则。如果总数不符合规则，接收端将检测到错误。

循环冗余码

循环冗余校验（CRC, Cyclic Redundancy Check）是一种常用的数据完整性校验方法，广泛应用于数据传输和存储系统中，用于检测数据在传输过程中是否发生了错误。其核心思想是将数据视为一个二进制多项式，并使用特定的 生成多项式 对其进行 模 2 除法，最终所得的余数即为 CRC 校验值。

校验流程

CRC 的基本校验过程包括以下几个步骤：

• 生成多项式
  CRC 的关键是一个预先定义好的 生成多项式，通常用二进制数表示。该多项式必须在发送端和接收端之间事先达成一致。

• 计算校验码（发送端）
  发送端将待发送的数据帧看作一个二进制多项式，然后在数据末尾附加 k-1 个 0（其中 k 是生成多项式的位数），得到 扩展数据。将这组数据用 模 2 除法 除以生成多项式，得到的余数即为 CRC 校验码。

• 附加并发送
  将上述余数作为 CRC 校验码，附加在原始数据帧之后，组成完整的传输数据帧并发送。

• 校验（接收端）
  接收端收到数据后，以相同方式使用 生成多项式 进行 模 2 除法。如果计算结果的余数为 零，则说明数据在传输过程中未发生错误；否则表示数据已损坏。

发送方

假设原始数据为：1010001101，选用的生成多项式为：110101，则对应多项式形式为：\(x^5 + x^4 + x^2 + 1\)。

发送方计算 CRC 校验码的操作流程如下：

1. 扩展数据：生成多项式是 6 位，因此我们在数据尾部补上 6-1 = 5 个零，得到扩展数据：101000110100000
2. 模 2 除法计算 CRC（使用异或操作）：

              110101011
       ------------------
110101 | 101000110100000
         110101
         ------
          111011
          110101
          ------
            111010
            110101
            ------
              111110
              110101
              ------
                101100
                110101
                ------
                 110010
                 110101
                 ------
                   01110

最终余数为：01110，所以完整的数据帧为：1010001101 01110。

接收方

继续以上述例子进行说明，接收方收到的数据为：101000110101110

同样使用生成多项式 110101 进行 模 2 除法：

              110101011
       --------------------------------------
110101 | 101000110101110
         110101
         ------
          111011
          110101
          ------
            111010
            110101
            ------
              111110
              110101
              ------
                101111
                110101
                ------
                 110101
                 110101
                 ------
                      0

余数为 0，表示数据帧未被破坏，校验通过。