【计算机网络-哈工大】---学习笔记（中）---（三）链路层、物理层、差错检测、多路访问控制、以太网、虚拟局域网、无线局域网、基带传输，频带传输

3 链路层

3.1 数据链路层服务

• 1、概述
  
• 2、链路层服务

• 3、链路层的具体实现

• 4、网卡间通信

3.2 差错检测：差错编码

• 1、差错编码基本原理

• 2、差错编码的检错能力

• 汉明距离：两个码字间对应bit中不同的位数；
• 编码集的汉明距离：
  • 一个编码集内所有的有效码字，任意两个码字之间汉明距离的最小值；
• 红色部分就是冗余信息，检错码/纠错码；

• 3、奇偶校验码

• 1比特校验位：
  • 数据基础上增加一个校验位，编码之后的数据+校验位中1的个数为奇数/偶数个；
  • 检错能力实现奇数位（错奇数个）的错误，检错50%，但是优点是只需要一个校验位；
• 二维奇偶校验：
  • 每一行每一列都增加一个校验位；
  • 检错所有奇数位差错，部分偶数位差错（错在不同行或列）上；
  • 纠正同一行/列的奇数位错；

• 4、Internet校验和（Checksum）

• 5、循环冗余校验码（CRC）

• 广泛应用于数据链路层检错；

• CRC用硬件实现

3.3 多路访问控制（MAC)协议

• 1、multiple access control protocol

• 2、理想MAC协议

• 3、MAC协议分类

3.3.1 信道划分MAC协议

• 1、TDMA

• 2、FDMA

• 不冲突，但是在其他空闲时，带宽利用不充分；

3.3.2 随机访问MAC协议

• 允许冲突，利用信道全部数据速率R发送分组；

• 1、时隙ALOHA协议
  

• 当待发送帧多的时候，会有冲突与时隙浪费的情况，降低效率；

• 2、ALOHA协议

• 非时隙（纯）Aloha：更加简单，无需同步；

• 只要有冲突发送，就会发送失败；
• 易损时间区：两个时隙；

• 最早出现使用的随机访问协议；

• 3、CSMA协议

• ALOHA协议属于“损人不利己”的行为，因为打断别人后，双方都没有发送成功；
• CSMA在发送之前，会监听信道；

• 信道忙的措施：
  • 1坚持，就是一直监听信道，一旦有空闲就发送
  • 非坚持：随机等待一段时间之后再尝试，不持续监听信道；
  • P坚持：以概率P坚持/非坚持；；
• 冲突可能发生，有两个1坚持，信道空闲时一起发送；/信号传播延迟；
• 在发送过程中，发送冲突，也是继续传输，浪费了信道资源；

• 4、CSMA/CD协议（带有冲突检测的（强调在发送过程中有）

• 针对以上问题，在传输过程中，如果有冲突，及时取消发送，避免信道资源浪费；

• 无线局域网便发送数据帧边听比较难以实现；

• 考虑极端冲突检测情况下实现的话，对以上变量关系有要求；才可以实现有效的冲突检测；

• 例题：

• 5、CSMA/CD效率

3.3.3 轮转访问MAC协议

• 1、轮转访问MAC协议–轮询

• 2、轮转访问MAC协议–令牌传递（token passing)

• 3、MAC协议总结

3.4 ARP协议

• 1、MAC地址

• 2、ARP：地址解析协议

• 一个网卡的接口，在网络层会有一个IP地址，在数据链路层还有一个MAC地址；

• ARP表设置TTL一定时间更新IP/MAC地址映射关系；

• 3、ARP协议：同一局域网内
  

• 如果A与B不在同一局域网内，该如何获知B的MAC地址？

• 4、ARP协议：不在同一局域网内
  • 寻址：从一个LAN路由至另一个LAN

• NAT会改动IP地址，一般不会；

• 通过路由器获得；

3.5 以太网（ETHERNET)

• 1、以太网：物理拓扑

• 2、以太网：不可靠、无连接服务

• 3、以太网CSMA/CD算法

• 1坚持的

• 4、以太网帧结构

• 一般不算前导码的长度；8字节；

• 数据有一个最小46字节的限制，因为要边发送边检测；

• 5、802.3以太网标准：链路与物理层

3.6 交换机

• 1、以太网交换机（switch)

• 2、交换机：多端口间同时传输
  

• 3、交换机转发表：交换表

• 4、交换机：自学习

• 5、交换机：帧过滤/转发

• 如果查询到出入接口都是同一个接口，就会丢弃帧

• 6、自学习与转发过程举例

• 7、交换机互联
  

• 8、多交换机自学习举例

• 9、组织机构（Institutional）网络

• 10、交换机 vs 路由器

• 11、网络设备对比

• 集线器是物理层设备(bit)，交换机是链路层（数据帧），路由器是网络层（数据报）；

3.7 虚拟局域网（VLAN）

• 1、VLANs：动机

• 2、VLANs

• 3、基于端口的VLAN

• 4、跨越多交换机的VLAN

• 5、802.1Q VLAN帧格式

• 5、802.1Q VLAN帧格式

3.8 PPP协议

• 之前讲的MAC协议都是广播链路，PPP是点对点数据链路
• 相对来书简单，因为只有一个发送端，一个接收端，一天链路相连接；

• 1、点对点数据链路控制

• 2、PPP设计需求[RFC 1557]
  

• 3、PPP无需支持的功能

• 4、PPP数据帧

• 5、字节填充（Byte Stuffing）

• 6、PPP数据控制协议

3.9 无线局域网（wifi）

• 1、IEEE 802.11无线局限网

• 2、IEEE 802.11体系结构

• 3、802.11 ：信道与AP关联

• AP关联就是wifi连接密码的过程；
• AP关联后还需要DHCP动态主机配置协议才可以；

• 4、802.11 AP关联：被动扫描与主动扫描

• 5、802.11：多路访问控制

• 无线信号传输信号衰减十分厉害，无法实现边发送边检测冲突；
• 而且无线存在隐藏站的问题；

• 6、IEEE 802.11 MAC协议：CSMA/CA

• RTS帧冲突，但是数据很短，影响较小；

• 7、冲突避免（CA）：RTS-CTS交换

• 8、IEEE 802.11 MAC帧

• 9、IEEE 802.11数据帧地址

4 物理层

4.1 数据通信基础

• 1、物理层

• 2、数据通信系统

• 3、常见数据通信术语

• 4、异步通信

• 5、同步通信

• 6、模拟通信 vs 数字通信
  

• 7、信源编码
  
  

4.2 物理介质

• 1、导引型传输介质
  
  

• 2、非导引型传输介质
  
  
  

4.3 信道与信道容量

• 1、信道分类与模型
  

• 2、信道传输特性
  

• 3、信道容量

• 先将30dB转化为（Signal power/Noise power）;

4.4 基带传输基础

• 1、基带传输
  

• 以太网就就是数字基带传输；

• 2、数字基带传输系统

• 3、典型数字基带信号码型

• 在一个bit周期就是图中虚线之中，不归零；单极就是只有一个极性；

• 在一个bit周期内中间，一定会归零一次；

• 优点：可以通过中间时刻一定会归零的特性，提取时钟信号；

• 以上码型都是直接反映原信号的1/0；但是如果出现长期0或者长期1这种信号的传输并不好，容易积累直流分量；
• AMI码在原有基础上变化，使其具有更好的传输性能；

• 使得正负电压交替出现，以避免正或负单电压的直流分量累积；

• 利用电平的跳变来表示编码信号的正负；

• 差分双相码是在电平发生变化时，进行电平跳变；

4.5 频带传输基础

• 信源信号一般都是基带信号，适合在有线介质传输，不适合在无线介质传输；
• 目前使用频带在无线介质中传输较多；

• 1、频带传输

• 2、数字调制系统

4.5.1 二进制数字调制

• 1、二进制幅移键控（2ASK）

• 2、二进制频移键控（2FSK）

• 3、二进制相移键控（2PSK）

• 4、二进制差分相移键控（2DPSK）

• 5、二进制数字调制性能

• 2FSK在调制时需要两个载波频率，因此频带利用率最低；

4.5.2 多进制数字调制

• 用多个bit位调制一个码元；

4.5.3 正交赋值调制QAM

• 以上调制方式都是单个调整赋值/相位/频率，这个就是联合一起调制；

• 最右侧就是只调制相位的星座图；
• QAM在实际场景中应用广泛；

• 1、补充：扩频技术（Spread Spectrum）

4.6 物理层接口规程

• 1、物理层接口特性