本文基于2019 王道考研 計算機網路: 2019 王道考研 計算機網路
個人筆記總結
第一章：王道考研 計算機網路筆記 第一章：概述&計算機網路體系結構
第二章：王道考研 計算機網路筆記 第二章：物理層
后續章節將陸續更新…

第三章大綱：

研究思想：

• 實際傳輸程序中，資料從信源A開始自上而下不斷封裝，最后轉換成位元流的形式在鏈路上進行傳輸，到了中間系統首先自下而上解封裝，然后再自上而下進行封裝，再在鏈路上進行傳輸，最后傳輸到信宿的時候，自下而上解封裝，還原出原始的資料，送給B
• 專門研究資料鏈路層的功能時，我們一般只關心協議堆疊當中水平方向的各個資料鏈路層；可以想象為A給B發資訊的時候，資料是從A的資料鏈路層自左向右水平方向發送，如上圖中箭頭所示

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一、資料鏈路層基本概念

資料鏈路層負責通過一條鏈路從一個結點向另一個物理鏈路直接相連的相鄰結點傳送資料報，

結點：主機、路由器

鏈路：網路中兩個結點之間的物理通道

• 鏈路的傳輸介質主要有雙絞線、光纖和微波

• 分為有線鏈路、無線鏈路

資料鏈路：網路中兩個結點之間的邏輯通道，把實作控制資料傳輸協議的硬體和軟體加到鏈路上就構成資料鏈路

幀：鏈路層的協議資料單元，封裝網路層資料報

二、鏈路層的功能

資料鏈路層在物理層提供服務的基礎上向網路層提供服務

• 其最基本的服務是將源自網路層來的資料可靠地傳輸到相鄰節點的目標機網路層
• 其主要作用是加強物理層傳輸原始位元流的功能，將物理層提供的可能出錯的物理連接
  改造成為邏輯上無差錯的資料鏈路，使之對網路層表現為一條無差錯的鏈路，

五大功能：

1. 封裝成幀

封裝成幀的程序就是將網路層的IP資料報加頭加尾，形成鏈路層的資料傳送單元幀，IP資料報也就成了幀的資料部分

概念：將一段資料的前后部分添加首部和尾部，構成一個幀；接收端在收到物理層上交的位元流后，就能根據首部和尾部的標記，從收到的位元流中識別幀的開始和結束，

• 首部和尾部的標記，就是首部尾部添加的一個位元組，這個位元組叫做幀定界符，接收端可據此確定幀開始和結束的位置
• 首部和尾部包含許多的控制資訊，其中的幀定界符才實作幀定界的作用；還有其他關于差錯控制、流量控制、物理地址等資訊

幀同步：接收方從接收到的二進制位元流中區分出幀的起始和終止

組幀就是在發送端封裝成幀的程序，幀同步是在接受端識別幀開始和結束的程序

資料鏈路層的幀長：幀從幀首部到尾部包括中間資料部分的總長度

• 因此為了提高幀的傳輸效率，應該使幀的資料部分盡可能的大于幀的首部和尾部
• 但是由于鏈路層的協議，要規定所能傳送的幀的最大資料部分上限
• 資料部分的極限值就叫做最大傳送單元MTU，不同協議MTU的值也不同

組幀有四種方法：

1. 字符計數法
2. 字符（節）填充法
3. 零位元填充法
4. 違規編碼法

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2. 透明傳輸

透明傳輸是指不管所傳資料是什么樣的位元組合，都應當能夠在鏈路上傳送，因此，鏈路層就“看不見”有什么妨礙資料傳輸的東西，

當所傳資料中的位元組合恰巧與某一個控制資訊完全一樣時，就必須采取適當的措施，使接收方不會將這樣的資料誤認為是某種控制資訊，這樣才能保證資料鏈路層的傳輸是透明的

透明傳輸在組幀上的應用

1. 字符計數法

如果計數欄位發生錯誤，比如從5到4，則第一個幀的結束位發生錯誤，導致后面所有的幀都發生錯誤，導致接受方無法正確的接收每一個幀，接受雙方失去了同步

2. 字符填充法

就是加頭SOH加尾EOT(均為一個位元組)標記幀的開始與結束，根據不同的協議，SOH和EOT對應的位元組合不同

• 當傳送的幀都使由文本檔案組成時，都是ASCII，與一個位元組的SOH和EOT不會有交集，因此不會與這連個標記重復，可以實作透明傳輸
• 但當傳送的幀由非ASCII碼組成時，有可能出現資料內某段位元流資料正好與標記欄位重復，從而導致誤判斷的情況，因此要采用字符填充法

字符填充法：在資料部分與標記欄位重復的欄位前加轉義字符，告訴接受端不用管我后面的欄位是什么，正常接收即可，直到遇到真正的開始/結束標志

3. 零位元填充法

首部和尾部的標志相同，均是01111110

如果發送端發送一系列一連串的位元時，資料部分也出現了與標志相同的位元組合01111110，那么怎么實作透明傳輸呢？這就是零位元填充法要解決的問題

4. 違規編碼法

因為曼徹斯特編碼不使用高-高，低-低來表示資料資訊，所以如果使用高-高，低-低來表示幀起始和終止就不會與資料沖突

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3. 差錯控制

1. 差錯的由來

回顧：

為什么要在資料鏈路層進行差錯控制？

因為錯誤可以盡早發現，不會讓一個錯誤的資料包發送了很長時間到達最終目的地之后才被發現，從而導致網路資源的浪費

2. 資料鏈路層差錯控制

資料鏈路層的差錯控制主要強調的是位元錯

針對位元錯的控制方法由兩種：

• 檢錯編碼：奇偶校驗碼，回圈冗余碼
• 糾錯編碼：海明碼

注意：資料鏈路層編碼和物理層的資料編碼與調制不同，

• 物理層編碼針對的是單個位元，解決傳輸程序中位元的同步等問題，如曼徹斯特編碼，
• 而資料鏈路層的編碼針對的是一組位元，它通過冗余碼的技術實作一組二進制位元串在傳輸程序是否出現了差錯

冗余碼：例如下圖盒子上的6本資訊就是冗余碼，可據此判斷是否出錯

3. 檢錯編碼

奇偶校驗碼

回圈冗余碼

4. 糾錯編碼

1、確定校驗位數r

2、確定校驗碼和資料的位置

3、求出校驗碼的值

4、檢錯并糾錯

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4. 流量控制與可靠傳輸機制

概述

較高的發送速度和較低的接收能力的不匹配，會造成傳輸出錯，因此流量控制也是資料鏈路層的一項重要作業，

傳輸層也有流量控制，區別：

• 資料鏈路層的流量控制是點對點的，而傳輸層的流量控制是端到端的，

• 資料鏈路層流量控制手段：接收方收不下就不回復確認

  傳輸層流量控制手段：接受端給發送端一個視窗公告（有多少視窗，緩沖區多大）

1. 流量控制的幾種方法

2. 協議所屬層次

停止等待協議、滑動視窗協議到除錯于哪一層？

早些時候，鏈路的質量還沒有那么可靠的時候，就需要資料鏈路層負責起可靠傳輸的功能，就會用到停止等待協議、后退N幀協議、選擇重傳協議等；隨著鏈路質量的不斷發展，鏈路的通信已經非常的可靠，這個時候就不需要資料鏈路層擔負可靠傳輸的任務了，交給傳輸層來實作，鏈路層就主要負責流量控制

不管停止等待協議、滑動視窗協議是在資料鏈路層還是傳輸層，其功能都是進行可靠傳輸，只不過資料鏈路層的傳輸物件是幀，傳輸層的傳輸 物件是分組

3. 可靠傳輸、滑動視窗、流量控制的區別

1. 停止等待協議

出現原因

為什么要有停止-等待協議?

因為在鏈路上除了位元出差錯外，底層的信道還會出現丟包問題

• 丟包：物理線路故障，設備故障，病毒攻擊，路由資訊錯誤等原因，會導致資料包的丟失

  這里的資料包就是一個資料，在不同層次有不同的名字；在鏈路層是幀，在網路層是資料報/分

  組，在傳輸層是報文段

為了解決丟包問題并且實作流量控制，就需要有停止等待協議

前提

研究停止等待協議的前提？

• 雖然現在常用全雙工通信方式，但為了討論問題方便，僅考慮一方發送資料（發送方），一方接收資料（接收方）.
• 因為是在討論可靠傳輸的原理，所以并不考慮資料是在哪一個層次上傳送的，
• “停止等待”就是每發送完一個分組就停止發送，等待對方確認，在收到確認后再發送下一個分組，

應用情況

1、無差錯情況

2、有差錯情況

性能分析

通過上述幾種情況，我們使用確認和超時重傳的機制，實作了在不可靠的網路上面實作相對比較可靠的通信，但是停止等待協議也有其優缺點：

• 優點：簡單

• 缺點：信道利用率低

  

  TD：發送方發送一個資料幀的發送時延

  RTT：往返時延

  TA：確認幀的發送時延

  

停等協議發送方每發送一個幀就處于等待狀態，等到接收方回復一個確認幀，發送方才會發送新的幀；因此停等協議大部分時間都是在等待，真正發送資料的時間很少，極大的浪費了資源；

為了解決停止等待協議太閑的問題，可以采用流水線技術，一次發送多個幀；但同時在其他方面急性改進：

• 必須增加序號范圍，一次傳送多個幀，要編序號
• 發送方需要快取多個分組，為幀丟失重傳備用

針對這種解決方案，就推出了下文的GBN和SR協議

2. 后退N幀協議(GBN)

GBN中的滑動視窗

注意：GAN協議中發送視窗有多個，接收視窗只有一個

• 停等協議中發送視窗和接收視窗都是一個
• SR協議中發送視窗有多個，接收視窗也可有多個

GBN發送方必須回應的三件事

例如：比如發送方發了0號幀給接收方，接收方回傳一個0號確認幀；然后發送方發送1號幀，但是途中丟失，接收方接收不到1號幀，就一直等1號幀；接收方沒有等到1號幀，等到了2號幀的到來，此時接收方會丟棄2號幀，后續來的3、4號幀也會相應丟棄，接收方會一直等待1號幀的到來；發送方也在一直等待著1號幀的確認到來，就造成了一種死鎖的狀態；因此發送方的超時計時器就來解決這個問題，如果超時，就會重傳1號幀以及后續所有發送的但是沒有被確認的幀

GBN接收方要做的事

運行中的GBN

GBN滑動視窗的長度

性能分析

• 因連續發送資料幀而提高了信道利用率
• 在重傳時必須把原來已經正確傳送的資料幀重傳，使傳送效率低

總結

1. 累積確認（偶爾稍帶確認：接收方同時也可以發送資料給發送方，相當于角色互換了，就可以將確認幀夾在資料里發給發送方）
2. 接收方只按順序接收幀，不按序則丟棄
3. 確認序列號最大的，按序到達的幀 （比如發送了1、2號幀并已確認，此時發送方發送了4號幀，發送方會丟棄，會回傳ACK2催更，催發送方發3號幀并且對2號幀的確認）
4. 發送視窗最大為2^n-1，接收視窗大小為1

3. 選擇重傳協議(SR)

SR中的滑動視窗

• SR協議中發送視窗有多個，接收視窗也可有多個

SR發送方必須回應的三件事

SR接收方要做的事

運行中的SR

SR滑動視窗長度

總結

1. 對資料幀逐一確認，收一個確認一個
2. 只重傳錯幀
3. 接收方有快取
4. 最大的發送視窗=最大的接收視窗=2^(n-1)

三、介質訪問控制

1. 引入

傳輸資料使用的兩種鏈路

在廣播信道當中，同一時間只能有一臺主機發送資訊，如果有多個節點同時發送資訊，信道上就會發生信號沖突問題，通信就會失敗，需要重傳；因此需要對多節點共享的介質進行訪問控制

介質訪問控制分為兩種：

• 靜態劃分信道：在用戶通信之前，預先將信道按照時間(時隙)/空間(頻率)對信道進行劃分，使用戶在通信程序中不會發生碰撞，不會相互干擾
• 動態分配信道：又叫做動態媒體接入控制/多點接入，信道并不是在用戶通信時固定分配給用戶，使得用戶占用的帶寬更大

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2. 信道劃分介質訪問控制

也就是靜態劃分信道

頻分復用FDM

時分復用TDM

改進的時分復用——統計時分復用STDM

集中器：將四個低速用戶連接起來，將它們的資料集中起來，通過高速線路在一條信道上發送出去

波分多路復用WDM

碼分多路復用CDM

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3. 隨機訪問介質訪問控制

動態劃分信道的一種

ALOHA協議

ALOHA協議分為兩種：

1. 純ALOHA協議

2. 時隙ALOHA協議

相對于純ALOHA協議就是固定了發送時間和重傳時間（只能在一個時間片的開始），提高了效率

3. 總結

1. 純ALOHA比時隙ALOHA協議吞吐量更低，效率更低（吞吐量就是一段時間內成功發送的平均幀數）
2. 純ALOHA想發就發，時隙ALOHA只有在時間片段開始時才能發

CSMA協議

1-堅持CSMA

非堅持CSMA

p-堅持CSMA

總結

對于以上三種CSMA，它們的沖突檢測方案只能在發送完整段資料幀之后，是否收到來自接收方的確認幀來判斷是否發生沖突，如果沒有收到來自接收方的確認幀，發送方就會判定發生沖突，因此之前發送的資料幀完全浪費

CSMA-CD協議

1. CS MA CD概念

2. 傳播時延對載波監聽的影響

3. 二進制數規避演算法

如何確定碰撞重傳的時間？

例題：

4. 最小幀長問題

• 如果發送了一個很小的幀發生了碰撞，但是由于幀太短，幀發送完畢之后才檢測到發生了碰撞，已經沒有辦法停止發送；
• 而CSMA/CD的誕生就是為了能夠及時叫停，解決只有幀發完之后才能檢測到碰撞的問題，因此定義了一個最小幀長，希望在檢測到碰撞的時候，幀還沒發送結束
• 上述我們得到，最遲經過2個傳播時延，檢測到碰撞，因此要求幀的傳輸時延>=2倍信號在總線中的傳播時延，就可以保證檢測到碰撞時幀還沒有發送完，便可以叫停

CSMA-CA協議

1. 為什么要有？

CSMA-CD協議已經很全能，為什么還要有CSMA-CA協議？

答：應用場景不同

• CA使用于無線局域網當中，很難用CD實作，因為空間大，沖突檢測范圍大，很難實驗
• CD常應用于總線式以太網當中，是一種有線網路的情況

2. 作業原理

3. 對比CSMA/CD

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4. 輪詢訪問介質訪問控制

動態劃分信道的一種

輪詢協議

缺點：

• 詢問的程序就是發送一個較短的資料幀，如果從屬節點較多，就會多次輪詢，產生較大的開銷
• 對于靠后的主機，會有等待延遲，等待前面的主機輪詢結束
• 單點故障，如果主結點宕機，則從屬節點都通信不了（實際會有備用主結點）

優點：

• 不會發生沖突，每次只能允許一臺主機發送資料，該主機占用全部帶寬

令牌傳遞協議

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5. 總結

四、局域網

1. 基本概述

1. 定義及特點

2. 局域網拓撲結構

3. 局域網傳輸介質

4. 局域網介質訪問控制

5. 局域網的分類

6. IEEE 802標準

IEEE 802系列標準是IEE802 LAN/MAN標準委員會制定的局域網、城域網技術標準（1980年2月成立）其中最廣泛使用的有以太網、令牌環、無線局域網等，這一系列標準中的每一個子標準都由委員會中的一個專門作業組負責，

7. MAC子層和LLC子層

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2. 以太網

以太網是使用最廣泛的局域網

1. 概述

2. 無連接、不可靠服務

以太網提供無連接、不可靠服務

• 無連接：發送方和接收方之間無“握手程序”.
• 不可靠：不對發送方的資料幀編號，接收方不向發送方進行確認，差錯幀直接丟棄，差錯糾正由高層負責
• 以太網只實作無差錯接收，不實作可靠傳輸，

3. 以太網傳輸介質與拓撲結構發展

4. 10BASE-T以太網

5. 配接器和MAC地址

6. 以太網MAC幀

7. 高速以太網

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3. 無線局域網

無線局域網也是一種常見的局域網

1. 概述

IEE802.11是無線局域網通用的標準，它是由IEEE所定義的無線網路通信的標準，

和WIFI的區別?

• 無線局域網的覆寫范圍比WIFI的覆寫范圍大得多
• WIFI是802.11b和802.11g所定義的標準，滿足這兩個標準屬于WIFI

2. 802.11的MAC幀格式

比如主機A要給主機B發送資訊，首先發送到基站AP1，基站AP1發送到AP2，AP2再發送給主機B，這里的幾個地址含義就是：

• RA：接收主機旁基站的MAC地址
• TA：發送主機旁基站的MAC地址
• DA：接收主機的MAC地址
• SA：發送主機的MAC地址

上圖只是802.11的MAC幀的一種型別WDS，四種地址都有，實際情況中，幀被分為4類：

其余三種幀型別只有三個地址，不同幀型別對應的地址欄位不同

To AP：表示發往基站AP的幀

• Address1：BSSID是AP基站的MAC地址
• Address2：SA就是發送端的MAC地址
• Address3：DA就是目的MAC地址

From AP：由基站AP發來的幀

• Address1：DA就是目的MAC地址
• Address2：BSSID是AP基站的MAC地址
• Address3：SA就是發送端的MAC地址

IBSS

• Address1：DA就是目的MAC地址
• Address2：SA就是發送端的MAC地址
• Address3：BSSID是AP基站的MAC地址

3. 無線局域網的分類

1. 有固定基礎設施無線局域網

   

2. 無固定基礎設施無線局域網的自組織網路

   

五、廣域網

1. 簡介

節點交換機是鏈路層的設備，是交換機，和網路層的路由器功能類似，均用來轉發分組，但是節點交換機只能在單個網路中轉發分組，而路由器可以在多個網路之間轉發分組

廣域網只有節點交換機嗎？

• 不是，廣域網可以由交換機，集線器，還可以有網路層的路由器

廣域網和局域網的區別：

• 廣域網覆寫的網路體系結構層次從物理層、鏈路層到網路層；而局域網支付該物理層和鏈路層兩個層次
• 局域網多采用邏輯上總線結構的多點接入技術，而廣域網通常采用點對點相互連接的全雙工或者半雙工的通信模式
• 廣域網強調資源共享，局域網強調資料傳輸
• 廣域網的傳輸速率比局域網高，但是傳播延遲更長

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2. PPP協議

PPP和HDLC是最常用的廣域網當中的鏈路層協議

1. 簡介

點對點協議PPP（ Point-to- Point protocol）是目前使用最廣泛的資料鏈路層協議，用戶使用撥號電話接入因特網時一般都使用PPP協議，

特點：只支持全雙工鏈路

2. 應滿足的要求

• 簡單：不需要實作可靠傳輸的功能， 對于鏈路層的幀，無需糾錯，無需序號，無需流量控制
• 封裝成幀：在幀頭幀尾加幀定界符
• 透明傳輸：不管在資料部分傳送什么樣的位元流，都可以完整的傳送過去，即使其中有定界符，也視而不見；也就是與幀定界符一樣位元組合的資料應該如何處理：異步線路用位元組填充，同步線路用位元填充
• 多種網路層協議：鏈路層是對網路層資料報的封裝，不要求網路層使用的協議，封裝的資料報可以采用多種協議，
• 多種型別鏈路：串行/并行，同步/異步，電/光
• 差錯檢測：采用CRC回圈冗余，通過在幀當中添加FCS欄位，實作差錯檢測，錯就丟棄，
• 檢測連接狀態：檢測鏈路是否正常作業，
• 最大傳送單元：PPP協議中資料部分就是上層交付的IP資料報，要求最大長度MTU，默認不超過1500位元組
• 網路層地址協商：PPP協議要使得通信雙方知道對方的網路層地址
• 資料壓縮協商：發送資料的時候對資料進行壓縮

3. 無需滿足的要求

• 不需要糾錯，只需要檢錯
• 不需要流量控制，交給上層負責
• 無需對幀編序號
• 不支持多點線路，只需要滿足點對點之間的連接程序

4. 三個組成部分

5. PPP協議狀態圖

6. PPP協議的幀格式

幀格式以位元組為單位，傳輸的資料都是整數個位元組，因此PPP協議面向位元組

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3. HDLC協議

1. 簡介

高級資料鏈路控制(High-Level Data Link Contro或簡稱HDLC)，是一個在同步網上傳輸資料、面向位元的資料鏈路層協議，它是由國際標準化組織(ISO)根據IBM公司的SDLC(Synchronous Data Link Control)協議擴展開發而成的

特點：

• 資料報文可透明傳輸，通過“0位元插入法”（5個1插入一個0）實作

  PPP還可以實作位元組填充，HDLC只能實作0位元填充法

• 采用全雙工通信

• 所有幀采用CRC檢驗，對資訊幀進行順序編號，可防止漏識訓重份，傳輸可靠性高，

2. HDLC的站

3. HDLC幀格式

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4. PPP對比HDLC

六、鏈路層的設備

1. 集線器（Hub）

物理層通過集線器拓展以太網的兩種方法：

方式一：通過光纖

• 光纖長度長，信號損耗小，
• 調制器：電信號-》光信號
• 解調器：光信號-》電信號

方式二：通過主干集線器

• 一個沖突域內主機變多，發生沖突概率變大，效率變低

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2. 網橋&交換機（Bridge）

為了解決主干集線器方式的沖突大、效率低問題，出現了網橋(交換機的前身)&交換機

兩種網橋：

• 通過自學習來構建轉發表，每一個通過網橋的資料包都會被記錄下網橋收到資料時資料對應的地址和網橋自己的介面，通過許許多多的資料包的構造的快取，網橋就可以知道哪個資料包在哪個介面，以后如果要穿資料包就知道要往哪個介面發送資料包了

• 在發送時，直接將最佳路徑放到幀首部，那么網橋如何獲得最佳路徑？通過廣播方式想目標地址發送廣播，此時可能會經過不同路由產生不同的路徑，目標地址收到后再將每一條路徑都發一個回應幀給網橋，網橋經過對比就知道哪個介面最快了

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3. 以太網交換機

隨著技術發展，網橋的介面越來越多，網橋就變成了以太網交換機

• 交換機通常有十幾個埠，每個埠都可以直接連接主機或者連接集線器

• 交換機同網橋一樣，每個埠引出的區域都是一個沖突域

• 交換機可以獨占傳輸媒體帶寬，交換機埠連接的集線器/主機都是獨占媒體帶寬，不同于集線器帶寬被平分

  

以太網交換機的兩種交換方式：

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4. 廣播域&沖突域&總結