计算机网络知识总结（二）
物理层
物理层规定传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，而提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性，主要关心如何传输信号。
物理层要解决的主要问题
- 物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。
- 给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。
- 在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。
物理层主要功能：为数据端设备提供传送数据通路、传输数据。
物理层的接口的特性
（1） 机械特性
指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
（2） 电气特性
指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
（3） 功能特性
指明某条线上出现的某一电平的电压表示何意。
（4）规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
物理层常见设备有：网卡光纤、CAT-5线（RJ-45接头）、集线器有整波作用、Repeater加强信号、串口、并口等。
数据链路层
数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。为达到这一目的，数据链路必须具备一系列相应的功能，主要有：
如何将数据组合成数据块，在数据链路层中称这种数据块为帧（frame），帧是数据链路层的传送单位；
如何控制帧在物理信道上的传输，包括如何处理传输差错，如何调节发送速率以使与接收方相匹配；
以及在两个网络实体之间提供数据链路通路的建立、维持和释放的管理。
下面着重介绍数据链路层几个重要的点：
1、封装成帧
在一段数据的前后分别添加首部和尾部就构成了一个帧(framing)。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。
帧的首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界(即确定帧的界限)，此外还有许多的必要的控制信息。各种数据链路层协议都要对帧首部和帧尾部的格式进行明确的规定。为了提高帧的传输速率，应当使帧的数据部分长度尽可能大于首部和尾部的长度。但是，每一种链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限——最大传送单元MTU(Maximum Transfer Unit)。
当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符。而ASCII码中有33个不可打印的控制字符可以用于表示帧的开始和结束。比如控制字符SOH(Start Of Header，二进制编码为0000 0001)放在一帧的最前面表示帧首部开始；控制字符EOT(End Of Transmission，二进制编码为0000 0100)放在一帧的最后表示帧的结束。
当数据在传输中出现差错时，帧定界符的作用非常显著。比如发送端尚未发送完一个帧时突然出现故障，中断了发送，但随后又恢复了正常，所以重新从头发送刚才未发送完的帧。由于使用帧定界符，接收端就知道前面接收到的数据是个不完整的帧(只有SOH而没有EOT)，必须丢弃。
透明传输
由于帧使用了专门指明的控制字符作为帧的开始和结束的标记，所以传输的数据中任何8 bit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，否则会出现帧定界错误。
当传送的帧是用文本文件组成的帧时(文本文件中的字符都是从键盘上输入的)，数据部分显然不会出现SOH或EOT之类的控制字符。可见不管从键盘上输入什么字符都可以放在这样的帧中传输过去，这样的传输就是透明传输
2、差错检验
误码率传输产生比特差错率
解决方法:循环冗余检测CRC,
即在数据组后面添加冗余码一起发送
冗余码计算特点:不能确定是哪个比特出错
使用位数越多的除数,那么检测准确率就越高
只接收无差错的数据
是不可靠的 .
3、可靠传输
停止等待：每发送完一个分组就停止发送，等待对方的确认。在收到确认后再发送下一个分组，详细的可以看书上的文字性描述，很简单，
超时重传：解决上面如果数据分组或确认分组丢失时，发送方将会一直等待接收方的确认分组的问题，设置一个超时计时器，弱到了超时计时器所设置的重传时间，而发送方仍收不到接收方的任何确认分组，则会重传原来的分组。
重复分组：如果只使用超时重传来解决，不用发送确认分组，那么会出现重复分组的问题，就是当接收方收到分组后，发回确认分组时，确认分组丢失，那么会触发超时重传，则接收方会收到两个重复的分组，这里需要注意的是，是确认分组丢失。第一次发送的分组已经正确接收了。
回退N步协议：利用发送窗口来限制发送方连续发送分组的个数。要是发送窗口为1就是我们上面所讨论的停止等待协议。
选择重传协议：也就是改进回退N布协议， 方式都是一样， 在接受方必须逐一确认， 但是出现错误，只需要重传出现错误的那一个分组，不用全部重传，这里的全部，指的是在出现错误的分组之后的所有分组，前提是在同一个发送窗口中。
对于数据部分是非ASCII码的文本文件(如二进制代码的计算机程序或图像等)时，数据中的某个字节的二进制代码就可能恰好和SOH和EOT这种控制字符一样，数据链路层就会错误地“找到帧的边界”。收下部分帧(误认为是个完整的帧)，而把剩下的那部分数据丢弃。显然这样的传输就不是“透明传输”。
为了解决透明传输问题，发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其16进制编码是1B)；而接收端在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。这种方法成为字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)。同样如果数据中出现转义字符也是在前面插入一个转义字符。
4、点对点信道数据链路层(ppp协议)
特点:
- 简单:接收方每接收一帧,就进行CRC检验，检验正确就接受，不正确什么也不做，是不可靠传输
- 封装成帧:规定特殊的字符作为帧定界
- 多种网络层协议
- 多种类型链路:比如,串行的,并行的,同步的异步,低速高速,电光等
- 差错检测:CRC
- 透明传输
- 检测连接状态:自动检测出链路是否正常工作
- 最大传送单位MTU: MTU数据部分的最大长度，ppp协议设置MTU默认值
- 网络层地址协商:提供一种机制使通信的两个网络层(如两个IP层)的实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网路层地址。只有知道对方网络层地址时，才能够保证网络层能够传送分组。
PPP协议的组成
1.数据链路层可以适用多种性质的链路
2.使用LCP(链路控制协议)建立并维护数据链路连接
3.网络控制协议(NCP)允许点到点连接上使用多种网络层协议
PPP协议的工作状态
5、使用广播信道的数据链路层
局域网的数据链路层
局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
局域网具有如下一些优点：
- 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(reliability)、可用性(availability)和生存性(survivability)。
按照网络拓扑进行分类，有星形网、令牌环形网、总线网、树形网等等。
共享信道要着重考虑的一个问题就是如何使众多的用户能够合理而方便地共享通信媒体资源，这在技术上有两种方法：
(1) 静态划分信道。用户只要分配到了信道就不会和其他用户发生冲突。但这种划分信道的方法代价较高，不适合于局域网使用。
(2) 动态媒体接入控制，又称为多点接入(multiple access)。其特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。这里又分为两类：
随机接入：随机接入的特点是所有的用户可随机地发送信息，但如果恰巧有两个或更多的用户在同一时刻发送信息，那么共享媒体上就要产生碰撞(即发生了冲突)，使得这些用户的发送都失败。因此，必须有解决碰撞的网络协议。 受控接入(比较少用)：受控接入的特点是用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制。这类的典型代表有分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路轮询(polling)。
CSMA/CD协议:
a. 多点接入：说明是总线型网络，许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。协议的实质是载波监听和碰撞检测。
b. 载波监听：发送前先监听。即在每一个站发送数据之前要先检测总线上是否有其他站在发送数据，等到信道空闲时再发送数据。
c. 碰撞检测(冲突检测)：边发送边监听。即适配器便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。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压变化幅度会增大(互相叠加)。
CSMA/CD协议执行步骤
a. 适配器从网络层1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，准备发送。
b. 若适配器检测到信道空闲(即在96比特时间内没有检测到信道上有信号)，就发送这个帧，若检测到信道忙，则继续检测并等待信道转为空闲(加上96比特时间)，然后发送这个帧。
c. 在发送过程中继续检测信道，若一直未检测到碰撞，就顺利的把这个帧成功发送完毕。若检测到碰撞，则中止数据的发送，并发送人为干扰信号。
d. 在中止发送后，适配器执行指数退避算法，等待一段时间后返回步骤b。
6、扩展以太网
物理层：光纤和光纤调制解调器
数据链路层：网桥
透明网桥，源路由网桥，以太网交换机（二层交换机）：多接口网桥—方便实现虚拟局域网VLAN
参考文献
- 计算机网络谢希仁第七版
- 计算机网络基础 之三：数据链路层
- 百度百科：物理层