文章目录

  • 前言
    • 互联网概述
      • 互联网发展的三个阶段
      • 互联网标准化机构
    • 互联网的组成
      • 边缘部分的通信方式
      • 核心部分的交换方式
    • 我国计算机网络的发展
    • 计算机网络的类别
    • 计算机网络的性能
      • 速率、带宽、吞吐量
      • 时延
      • 时延带宽积
      • 往返时间RTT（Round-Trip Time）
      • 利用率
      • 非性能特征
    • 计算机网络的体系结构
      • 计算机网络体系结构的形成
      • 协议与划分层次
        • 协议
        • 分层
      • 具有五层协议的体系结构
      • 实体、协议、服务和服务访问点
      • TCP/IP的体系结构
  • 物理层
    • 基本概念
    • 数据通信的基本知识
      • 数据通信系统的模型
      • 信道与调制
      • 信道的极限容量
        • 奈氏准则
        • 香农定律
        • 两者联系与例题
    • 物理层下的传输媒介
      • 导引型传输媒体
        • 双绞线（Twisted Pair）
        • 同轴电缆
        • 光纤
      • 非导引型传输媒体
    • 信道复用技术
      • 频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、统计时分复用（STDM）
      • 波分复用（WDM，Wawelength Division Multiplexing）
      • 码分多址复用（CDMA，Code Division Multiplexing Access）
        • CDMA特点
        • CDMA原理
        • CDMA讨论与应用
  • 数据链路层
    • 链路层概述
    • 链路层的基本问题
      • 封装成帧
        • 字节计数法
        • 字节定界符
      • 透明传输
        • 字节填充法
        • 比特填充法
        • 物理层编码违例
      • 差错控制
        • CRC冗余码
        • 链路层无差错但不能可靠传输
    • PPP协议
      • PPP协议概述
      • PPP协议的技术点
      • PPP协议工作状态
    • 使用广播信道的链路层
      • 局域网的数据链路层——以太网详解
        • 局域网的概念和问题
        • 以太网的发展和优势
        • 以太网协议与网络适配器（网卡）
      • CSMA/CD协议
        • 大致流程
        • 碰撞检测原理
        • 重传原理
        • 强化碰撞通知：人为干扰信号
        • CSMA/CD的特点
      • 使用集线器的星型拓扑
      • 以太网信道利用率分析
      • 以太网的MAC层
        • MAC地址
        • MAC帧格式
        • MAC地址的分类与收发逻辑
    • 扩展的以太网
      • 在物理层扩展以太网
        • 光纤
        • 集线器与级联
      • 在链路层扩展以太网
        • 网桥
        • 交换机
          • 基本原理
          • 交换机转发策略
          • 广播风暴与STP
      • 虚拟局域网（vlan）
    • 高速以太网
      • 100BASE-T以太网（Fast Ethernet）
      • 吉比特以太网（Gigabit Ethernet）
      • 更快的以太网
      • 使用以太网进行宽带接入（PPPoE）

前言

这学期学计算机网络，但是我感觉我们学校的某位任课老师讲的不太行，听完introduction部分以后，我决定脱离学校课程，直接按照408去学习，备战考研。

我购买了408推荐参考教材《计算机网络》，是谢希仁版本的第八版，网上对应的视频不是很多，我找到了方诗虹老师的课程，他用的书就是408的。虽然方老师的任职学校并不是很好，但是就我的经历来说，408本来就没什么特别深的东西，关键在于能不能讲好，经过我的调查，方老师评价还不错，所以我就直接来听她的课，搭配书籍食用。

本文是系列笔记中的第二篇，内容为概述、物理层、链路层

计算机网络笔记——概述、物理层、链路层（方老师408课程）
计算机网络笔记——网络层、传输层、应用层（方老师408课程）
[考研整理——还没写]

互联网概述

以前有三大网络，有电信网络，有线电视网络，计算机网络，现在三网合一了，计算机网络是现在这个年代里最有价值的技术，是将整个世界统合起来的关键技术，是信息的基础设施。

互联网的核心特点是连通性，资源共享，这也是他的核心价值。实现连通的基础无非就是两类设备：

  1. 节点：包括终端和传递设备。比如手机，电脑，路由器。
  2. 链路：节点之间的链接，包括有线和无线。

互联网发展的三个阶段

  1. 小型的区域互联，分组交换网，即ARPANET。

    • 在这个时期的1983年，TCP/IP协议诞生，成为计算机网络的标准协议，延续到现在。
    • 人们把TCP/IP协议标准指定的时间作为互联网的诞生时间。
  2. 三级结构互联网。
    • 这个阶段还没有商业化，之所以叫校园网，是因为局域网主要还是校园里用，实际上就是局域网。
    • 而局域网之间也并不是这种树状链接，实际上链接是错综复杂的。
  3. ISP（Internet Service Provider）商业运行时期。
    • ISP提供接入互联网的服务，并收取一定费用。ISP一般是公家的，比如移动联通。
    • ISP结构比较复杂，但是整体上仍然是层次结构。
    • 单纯的层次结构可能会带来交换成本较大的缺陷，IXP（Internet eXchange Point）可以让地区ISP之间的交换不经过主干ISP，起到快捷通道的作用。
    • 90年代，www万维网的出现，彻底标志着世界互联的开始。

互联网标准化机构

当互联网遍布全世界，就应该进行标准化了。领导机构是ISOC，其次是IAB，具体执行由两个部门去执行，一是IRTF（互联网研究部），一个是IETF（互联网工程部）.

一个标准的指定也是非常麻烦的，需要公开发布草案（RFC，Request For Comments），收集反馈，验证，流程很复杂，所以最后能变成具体标准的草案很少。

互联网的组成

  1. 核心部分。互联网中负责链接通信的部分，主要由大量路由设备构成，是网络的网络。本质上，核心部分的功能就是“分组交换”
  2. 边缘部分。一般都是终端，就是我们使用的设备，这些设备接入互联网，只从核心部分收发数据，不会负责转发数据。

边缘部分的通信方式

两个计算机终端之间的通信，究其本质是一台主机的某个进程和另一台主机的某个进程通信。通信的方式由两种：

  1. CS（Client/Server）：

    • 众多的客户机与一个服务器对应，服务器被动等待客户机的请求，一旦有客户机主动发送一个请求，服务器就进行解析处理，做出响应，返回信息。
    • 因为是一对多，所以服务器需要很强的软硬件设施。
  2. P2P（Peer to Peer）：
    • 本质上仍然是CS，但是没有固定的服务器，宏观上就是平等的。
    • P2P程序是平等的地位，任何主机都可以发出请求，任何主机也可以提供服务。

核心部分的交换方式

最开始是电路交换，利用的是电话线。打电话的过程就是：

  1. 建立连接
  2. 独占链接，传输信息
  3. 断开连接

很明显，这种模式适合打电话，但是不适合传输网络信息。因为网络信息是不稳定的，可能两个人发微信，一天发不了几次，你要独占一天，是不是就很浪费？所以互联网就不能是独占的。

分组交换的分组指的是将bit分组，每一组前面打上标签用于区分，每一组就是一个包（packet）。

具体过程采用储存转发技术，路由器储存转发具体过程如下：

  1. 暂存收到的分组
  2. 检查分组头部
  3. 查找转发表（由路由器动态维护）
  4. 按照头部的目的地址，找到合适的接口转发出去

由此可见，每个包传输的路径都是不固定的，用户不关心你走哪个路由，反正最后能送到目的地就行。也正因此，两个包走同一条路是很正常的，这就和电路交换完全是两回事了。具体如何复用，大致有三种技术，后面会讲：

  1. 频分复用。不同包调频
  2. 时分复用。时间片轮转
  3. 统计复用

分组交换一定就好吗？整体是更好的，但是仍然有缺点。

  1. 排队延迟。储存转发，先储存再转发，如果排队太长，超过储存空间，新来的就会丢包。
  2. 不保证带宽。因为是共享的动态分配，所以谁用的多，谁用得少就难以确定（后面还有虚电路交换技术解决这个问题）
  3. 增加开销：比如一个包切得越细，头部信息占的比重就越大，这就是浪费。

报文交换介于电路交换和分组交换之间。可以理解为选定一条路径就发送n组，然后再选一条路径发送n组。

从电路交换，到报文交换，到分组交换，其实可以从流水线角度去理解。电路交换就是完全顺序，报文交换就是部分流水线化，分组交换就是彻底的流水线。

流水线虽然可以提高资源利用率，但是也会产生额外的损失，要根据情况来确定：

  1. 连续长时间大量信息，用电路交换
  2. 间断突发信息，用报文和分组交换

我国计算机网络的发展

中国计算机网络起步较晚，好在下一代网络的发展没有落后，在有一些领域还是领头的（比如5G网络）。

中国有5大ISP：

  1. 电信CHINA-NET。曾经是中国公用互联网，后来给了电信。虽然我们平时用电信的手机卡不多，但是在计算机网络大领域上，其出口带宽是最大的，是其他4个加起来的10倍。
  2. 联通UNI-NET。
  3. 移动CM-NET。
  4. 中国教育和科研计算机网CER-NET。顾名思义，China Education and Research，连接了中国各大学校，研究所。有一些内部资源只能通过这个网络接入获取。如果你是通过其他网络接入，资源获取就会受限。
  5. 中国科学技术网CST-NET。

计算机网络的类别


计算机网络按照作用范围，有如下类别：

  1. 个人区域网（PAN，Personal Area Network）。范围很小，大概10米，其实就是热点。
  2. 局域网（LAN，Local）。一公里左右，通常采用高速通信线路，比如一栋楼里面，一个学校里面。
  3. 城域网（MAN，Metropolitan）。一个城市
  4. 广域网（WAN，Wide）。很远，是互联网核心部分。若干广域网组成互联网

按照使用者分类：

  1. 公用网：按规定缴费的都可以使用
  2. 专用网：特定用途，比如校园网，公司网

用来把用于接入到网络的网络（AN，Access Network）：

听起来有点奇怪，实际上居民是不太方便直接接入本地ISP的，需要一个路由器来中转。也就是说，AN是终端和互联网的桥梁。

计算机网络的性能

速率、带宽、吞吐量

香农的信息论里，bit是信息的基本单位。

速率=数据率=bit率，单位是bit/s。实际速率换算都用1000来换算：

  1. 如果是纯粹的K，M，G，比如数据量，数据的大小，那么其换算关系是 2 10 2^{10} 210
  2. 一旦带上/s这个速率的含义，比如数据率，传输速率，那么换算关系就是 1 0 3 10^3 103

区分一下速率、带宽、吞吐量

  1. 速率意如其名。通常是指额定速率，并非实际运行速率。
  2. 带宽是一个信道可以通过的理论数据率，单位也是bit/s。带宽实际上就是一种数据率，只不过可以人为控制。
  3. 吞吐量。就是实际带宽，其上限值为额定速率，受到很多因素影响，只低不高。

时延

从用户实际体验来看，用户更关心一个操作需要等待的时间延迟。严格来说，时延就是数据从网络的一端到另一端所需的时间。其组成成分很复杂：

  1. 发送时延：把所有数据发送出去到链路上需要的时间

    • =数据帧长度/发送速率
  2. 传播时延：发送出去的数据在链路上传播需要经过的时间
    • =信道长度/信号在信道上的传播速率
    • 实际传播速率也就是2/3光速（因为光纤是要不断全反射的，实际路程更远）
  3. 排队时延：数据在路由器上储存转发过程中，排队等待处理消耗的时间
    • 当网络通信量溢出排队队列时，即发生丢包现象，当100%丢包的时候，发出去什么东西都不会有回应，相当于排队的时延为无穷大。
  4. 处理时延：数据在路由器和终端设备上因为存储转发技术加工处理需要的时间

实际上，这四种时延谁更大，就不好说，有各自的改进点，只有改进瓶颈点的时候，才能带来最大的提升：

  1. 发送时延可以通过提高发送速度改进
  2. 传播时延你没办法改，和距离有关（或许改进路由算法可以减少传播距离）
  3. 排队时延和处理时延都需要提高路由器的性能来改进


这道题的坑点在于单位换算，数据量的换算是2进制，数据率的换算是10进制。

发送时延= 100 × 8 × 2 20 1 × 1 0 6 \dfrac{100\times 8\times 2^{20}}{1\times 10^6} 1×106100×8×220​
传播时延= 1000 k m 2 × 1 0 5 k m / s \dfrac{1000km}{2\times 10^5km/s} 2×105km/s1000km​，传播时延不要用2进制去换算，这和信息没关系，不要考虑二进制。

时延带宽积


有多种理解方式：

  1. 同一时间内，整条链路可以容纳的bit量
  2. 按照比特计数的链路长度。
  3. 从发送端发出但是尚未到达接收端的bit量

这个指标的高低不能反应性能，只是一个比较专业的特殊指标，衡量我们的链路有没有被充分利用。

往返时间RTT（Round-Trip Time）

从发送方发送完数据，到发送方收到接收方回复的时间。

简单来说就是，从发完到收到回复的间隔。

RTT的计算方式很多，本质上就是下面这个图


一个常用的公式： 有效数据率 = 数据长度 实际消耗总时间 = 数据长度 发送时间 + R T T 有效数据率=\dfrac{数据长度}{实际消耗总时间}=\dfrac{数据长度}{发送时间+RTT} 有效数据率=实际消耗总时间数据长度​=发送时间+RTT数据长度​，有效数据率代表了实际上从开始发送到对方确认收到，这个全过程的数据率。

来道例题， 100 × 8 × 2 20 100 × 8 100 + 2 \dfrac{100\times 8\times 2^{20}}{\frac{100\times 8}{100}+2} 100100×8​+2100×8×220​

利用率

  1. 信道利用率：信道有多大比例的时间是被使用的。如果总是被利用，就是100%，完全空闲就是0。

    • 利用率太低肯定不好。
    • 利用率也不是越高越好。根据排队论，当信道的利用率越来越高，时延会急剧增加。

  2. 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值。

非性能特征

计算机网络的体系结构

计算机网络体系结构的形成

计算机网络是非常复杂的系统，传输文件需要解决很多很多问题，因此ARPANET设计的时候就提出了分层方法，将复杂的通信问题划分为独立的，易于研究的局部问题。

  1. 抽象分层。并不是在物理上将网络分层，而是在问题解决的时候分层。
  2. 统一标准。互联网上的所有主机都要遵守同样的标准。
  3. 模块独立。分层要分的很清晰，解耦。熟悉程序设计的同学懂的都懂。

协议与划分层次

最开始的标准协议是ISO（国际标准化组织）提出的OSI（Open Systems Interconnection）模型。这个模型在1983年（和TCP/IP协议同时出现）形成了ISO 7498国际标准。ISO 7498模型是一个7层模型，是最开始的理想模型，但是实际上不采用这个模型。

计算机网络的体系结构的定义：

  1. 定义计算机网络的层次，即分层
  2. 定义层次内部的协议，即精准定义这个层次要实现的功能
  3. 协议只是规则，具体实现由厂商来做。

协议

协议是为了数据交换而建立的约定，有三个组成要素

  1. 语法：数据交换的格式
  2. 语义：这个格式表达的含义，要完成的功能
  3. 同步：完成一个任务需要的各种操作的时间顺序。比如A先发给B，然后B告诉A已经收到，A确定B已经确认，这种反复确认需要按照时间顺序来。

协议有两种形式：

  1. 自然语言：便于人来阅读
  2. 程序代码：让计算机理解

无论如何，都不能出现二义性，要精确描述。即便如此，也不是十全十美的，很复杂。

分层

关键在于，如何分层？原则很多，下面简单列出一些：

  1. 层次适度：太少就复杂，太多就浪费资源
  2. 层次关系：每个层次都应该有自己的分工，互相独立，只对外暴露接口，但是相邻层次之间又要有自下而上的支持。注意，只有相邻层次才会交互信息，不然耦合度就又高了。
  3. 层次协议：每一个层次都要有一个共同的协议


听起来还挺高大上，其实我们现实中的物流就是一种网络，而且也是分层的：

分层既有优点也有缺点，分层的优点是便于构造大型系统，缺点自然是效率会变低，会产生额外的沟通消耗。

具有五层协议的体系结构

OSI七层很理想，最终因为赶不上商业化速度而被淘汰，实际上其层次太多，效率比较低，实际落地不太好用。

因此最开始用的其实是一个4层约定，即TCP/IP四层模型。这是一个事实上的约定，并不是严格指定的标准。这个模型的根本缺陷在于，是一个凑合用的东西，并不是严格的标准。尤其是最底层的数据链路层和物理层是混在一起的，功能混乱。

现在通用的体系结构是5层结构，相当于TCP/IP的优化版本：


各自的层次大概有如下功能：

  1. 应用层。

    • 任务：通过进程间的交互信息来开发互联网应用程序，为用户服务。注意是在进程间交互
    • 协议：进程间通信规则。其数据单元是报文。
    • 比如https协议，协议特别多。
  2. 传输层（运输层）
    • 任务：在两台主机的进程之间传输数据。传输数据关键的技术是复用和分用。
    • 和上一层的区别：应用层是用这个数据，而传输层是传这个数据。
    • TCP协议：面向稳定链接的，可靠数据传输服务
    • UDP协议：提供无连接的，最快的传输服务
  3. 网络层
    • 任务：为不同主机提供通信服务

      • 路由选择：通过算法为互联网中的路由器生成转发表
      • 转发：依据转发表将分组发送到下一个路由器
    • 协议：主要是IP协议，其他都是辅助。数据单位为IP数据报。
  4. 数据链路层
    • 任务：实现相邻节点之间的可靠通信
    • 协议：数据单位为帧，要做到差错检验，保证正确。
  5. 物理层
    • 任务：实现bit的传输
    • 协议：确定物理接口的规格，几根引脚，如何链接

我们可以看到，每一层都有一种数据传输单元，即PDU（Protocol Data Unit）协议数据单元，虽然两台主机不一样，但是他们的协议一样，每层的PDU封装解封规则也是一样的。

注意，物理层只是定义了物理接口的规格，实际的传输介质在物理层之下。同理，应用层之上其实还有用户。从微观的角度来说，信息的传递是非常麻烦的：

  1. 主机1发送：首先主机1要逐层封装，在物理层变成bit流传输到路由器。
  2. 多次路由：路由器不需要最上面两层，只需要顺着下面三层解析IP就可以。
  3. 主机2接收：主机2根据对等协议反向逐层解封，最后显示到应用程序中。

然而从宏观角度来说，就是我把一个信息通过路由器中转发送到另一个主机，甚至再宏观点，就是从一个主机发送到了另一个主机。其他过程对于用户来说，都是透明的（在计算机学科里，透明指的是看不见）

实体、协议、服务和服务访问点

  1. 实体：每一层的那个东西就是实体，没啥含义，就是习惯用法。
  2. 协议：同一层实体之间沟通的约定。
  3. 服务：下层实体给上层实体提供功能接口服务。
    • 上下层沟通需要用到交换服务原语
    • 我们接口想象成上下层之间的接触面，这个接触面就是交换服务点SAP（Service Access Point）。注意，SAP并不是存在于抽象层次中的，他只是一个概念，实际上就是功能接口，

总的来说，协议是水平的，服务是垂直的。从实际运行来讲，效果上每一层的实体都认为自己在和对等层实体通过协议交流，但是实际上实体之间是通过下层实体提供的服务来进行交流的，只是这些服务对于上层是透明的。

TCP/IP的体系结构

网络层IP协议非常重要，重要性好比计算机的操作系统，起到承上启下的作用。

物理层

基本概念

我们学习的计算机网络体系结构，都是基于TCP/IP发展而来的五层结构，物理层就是最下面的层次。然而需要注意，物理层并不参与具体的信号传输，其功能如下：

  1. 链路层将bit流传送给物理层
  2. 物理层将bit流按照传输媒体的需要进行编码，可以是光，可以是电等各种信号。
  3. 物理层将编码后的信号通过传输媒体传送到目标机器的物理层

关键在于，物理层要尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异，为链路层（上层）提供一个统一的bit流传输服务。置于怎么屏蔽，就是物理层的协议，又称作规程。

实际上，物理层的任务在于定义一个从bit到传输媒体的接口，更具体一点说，是定义了DTE（数据终端设备）与数据线与DCE（数据电路终结设备）之间的接口特性：

  1. 机械特性。接口摸得着的特性，我们平时区分不同接口一般都是用机械特性区分的。

    • 物理接口的形状尺寸
    • 物理接口的引线数目与排列
    • 物理接口的固定和锁定装置

  2. 电气特性。接口支持的电路特性，比如电压范围，阻抗，速率等等。

  3. 功能特性。规定某条线的某一个电气特性代表什么含义

    • 具体到接口，就是规定了每一个引脚的含义，高电平代表什么，低电平代表什么（这个特性其实就是数字信号和电器信号转换的关键点了）

  4. 过程特性。对接口上发生的各种事件的宏观定义，规定其发生的时间顺序。

数据通信的基本知识

数据通信系统的模型

三大部分：

  1. 发送端=信源+发送器
  2. 传输网络
  3. 接收端=接收器+信宿

信道与调制

这个图比较宏观清晰：

  1. 通信。在源和终点之间传输信息。
  2. 信道。传输的通道，在逻辑上叫信道，分为单工，半双工，全双工
  3. 传输的内容，按照不同层次有如下含义：
    • 信息，就是你实际要表达的意思
    • 消息，信息的载体，比如图片，语言，文字
    • 数据，消息的实体，图片实际上是一堆RGB的数值构成的，文字是由一堆字符构成的。分为数字数据和模拟数据。
    • 信号，消息的载体，分为数字信号和模拟信号。
  4. 调制。
    • 为什么需要调制。信道的通信频率是有范围限制的，最开始产生的信号叫基带信号，频率很低，甚至有直流信号，而且不同信号之间也会干扰，所以在上路前需要进行调制，把基带信号转换为可以在信道上传输的带通信号。
    • 调制有两种方法
      • 基带调制，仅仅对基带信号进行波形变化，比如用高低电平表示0和1
      • 带通调制，使用载波将基带信号的频率提高，并且变成模拟信号。

这里说一下调制和编码的区别，凡是变成模拟信号的，都叫调制，不论你原来是什么信号。对应的，凡是变成数字信号的，都叫编码。其实调制和编码的界限没有这么分明，基带调制其实也算是一种编码。

编码的方式如下：

  1. 不归零制。正电平是1，负电平是0。看似可以传递消息，但是需要搭配时钟使用，否则无法区分连续的n个0/1.
  2. 归零制。正脉冲代表1，负脉冲代表0，发出脉冲后回归0电平，因此波形里就蕴含了时钟信息。
  3. 曼彻斯特编码。位周期中心跳变，高跳低为1，低跳高为0（也可以反过来）。两个位周期之间跳不跳就看情况了，要画图就先画每一个位周期，再画周期之间的跳变。
  4. 差分曼彻斯特编码。位周期中心始终跳变，位开始时刻是否跳变代表0/1。形象化理解就是，0不会改变波形方向，1会使波形方向翻转。下图中，刚开始有个1，后面000不改变波形方向，之后1，所以翻转一下，之后两个0不影响波形方向。最后的三个1，波形就在不断翻转。


上面4个编码方式中最常用曼彻斯特和差分曼彻斯特，原因如下：

  1. 频率更高：曼彻斯特和差分曼彻斯特的信号频率比不归零更高。
  2. 自同步能力：曼彻斯特和差分曼彻斯特可以通过波形提取时钟频率

调制（Modulation）的基本方法就是用正弦波/余弦波来表示0/1，具体如下：

  1. 调幅（AM，amplitude）：频率，初相一致，用幅度区别0/1
  2. 调频（FM，frequency）：幅度，初相一致，用频率区分0/1
  3. 调相（PM，phase）：频率，幅度一致，用初相区分0/1（比如0是cos，1是sin）
  4. 正交振幅调制（QAM）：振幅和相位混合调制，m个振幅和n个相位可以组合成m×n个状态（与后面的码元有关系）

最后说一下码元这个概念：

我们前面编码的时候，每一个位周期可以代表0/1，这个位周期就是码元。那可不可以用一个码元代表多个bit呢？理论上，假设要携带3个bit，那么3个bit的组合有8种状态，因此只要一个位周期可以有8种状态，那么就可以用一个码元表达3个bit。如何实现8种状态呢？正如我们之前用正负来区分两个状态，我们可以通过电平的0-7档来实现区分8个状态。又或者使用QAM技术获得16种状态，那么将会有4个bit。

信道的极限容量

现在已经解决了信息调制的问题了，但是这并不意味着调制后的信号就可以无限制地通过信道进行传输，这涉及到信道的极限容量。极限容量受到很多因素印象，极限容量有两种计算方法，分别是奈氏准则和香农定律。

奈氏准则

一个低通信道中，信号的高频分量无法通过信道，如果低通信道的通频带越宽，那么可以通过的信号频率范围就大，可以传播更多码元却不会引起码间串扰（码元之间出现重叠，无法解析）。奈氏准则给出了理想情况下（没有噪声干扰的信道）

给定通频带带宽W（Hz），则码元传输速率是2W。这只是码元速率，具体到信息速率，还要乘以一个码元可以携带的bit量，所以V进制码元的公式如下：

香农定律

实际情况中，一个信道里还有噪声干扰，所以不见得能达到奈氏准则的理想速率。香农公式给出了带有噪声的信道中，实际可以达到的最高速率。

其中的S/N又被称作信噪比，实际上是信噪功率比。

信噪比有两种写法，一是用S/N，这是便于后续计算的，有时候会给dB单位，你需要转化成S/N值。

两者联系与例题

看起来，奈氏准则和香农公式没有关系，其实，当你提高码元携带的bit量时，S就会提高（信号功率提高），但是S提高的同时，N也会提高，这样反而可能会导致S/N降低。所以说奈氏准则和香农公式时两个有关联的瓶颈，奈氏准则告诉你提高码元携带bit量可以提高速度，但是香农公式又告诉你如果提高bit量会降低S/N，可能会起反效果。

这道题就是简单的奈氏准则。

这道题两个都用了。如果V=2，那么此时奈氏准则上线低于香农公式，此时V就是瓶颈，我们可以提高V到16，则奈氏准则结果为32000，此时香农公式又会成为瓶颈。

物理层下的传输媒介

传输媒介指的是信号实际的通路，这不是物理层的东西，物理层是抽象，而传输媒介是现实的东西，分为两种：

  1. 导引型：电磁波沿着固态媒体（铜线或者光纤）传播
  2. 非导引型：电磁波沿着自由空间传播，无线技术都是非导引的

从这一点来看，导引和非导引本质一样，都是传电磁波，只不过导引技术将电磁波收束，集中起来。

下图给出目前所有传输媒体的频谱（根据奈氏准则，频率越高，对应的带宽越大），可以看到，光纤一骑绝尘。

导引型传输媒体

双绞线（Twisted Pair）

原理：把两根互相绝缘的铜线绞合，只要绞合地恰当，两根铜线发射的电磁波就可以互相抵消，极大地降低信号干扰。

理论上绞合程度越高，速度越快，但是实际上绞合程度有上限，因此还诞生了其他方法，比如屏蔽，由此分为两大类：

  1. UTP：无屏蔽双绞线。便宜不用接地
  2. STP：屏蔽双绞线。贵需要接地，但是抗干扰。

    把各种手段用上，双绞线的带宽也是越来越高。

同轴电缆

以前的数字有线电视就是用的同轴线，抗干扰能力强，所以被广泛用于高速远距离通信。

然而呢，现在双绞线和光纤的速度都已经上来了，比价格，同轴电缆不如双绞线，比距离，同轴电缆不如光纤，所以现在同轴电缆已经基本不用了。

光纤

光纤的原理是，电转光，全反射传输，光转电：

  1. 发送端要有光源，通过电脉冲转换为光脉冲。
  2. 传输的过程通过玻璃的全反射来将光的损失减到最低。
  3. 接收端需要有光检测器，检测到光脉冲后还原为电脉冲

光纤有比较多的种类：

  1. 单模光纤的强度衰减很慢，支持远距离传输
  2. 多模光纤折射次数比较多，所以强度衰减快，通常是局域网连接用的多。


光纤有三个常用波段，因为这三个波段衰减率是最小的。因为这三个波段的线缆粗细不同，所以这三个波段不可以混合使用。

总的来说，光纤的性能很好，欠缺点就是布置不太方便，成本较高。


为了解决这些问题，光纤的线缆构造还是比较复杂的：

非导引型传输媒体

非导引型其实就是无线传输。分为长波，中波，短波，微波。


长波和中波对应海事无线电和调幅无线电，基本是直线传输，带有一点绕行能力，所以放到海上，没有遮挡比较省心。

短波比长波和中波的路径要更加直，所以是通过大气电离层的反射来进行远距离传输的。

现在主要是用微波了，微波不能绕行，而且会穿透电离层，所以微波有两种接力方法：

  1. 卫星通信

    • 同步卫星：比如GPS，北斗。时延大，保密性差，但是通信费用与距离无关，理论上3个卫星就能覆盖全球。
    • 低轨道卫星：比如星链，鸿雁通信系统。在近地轨道铺设卫星网络，速度比较快，关键是覆盖全球。
  2. 地面微波接力

信道复用技术

信道复用是为了充分利用信道，防止占着信道不传输信息的情况出现，总之要尽可能让信道忙起来。

频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、统计时分复用（STDM）

频分复用FDM中，一个用户自始至终占用一个频带。以前广播申请拍照其实就是给你分一个频带。FDM便于实现，但是缺点就是，容纳的用户总量有限，毕竟频带不能一直分下去。

时分复用TDM中，用户按照时间片轮转来占用信道，每次占用全部频段。TDM同样面临用户容量小的问题，毕竟时间片也不能一直分下去。


为了解决FDM和TDM的容量缺陷，两个方法各自衍生出了一些技巧：

  1. FDMA（Frequency Division Multiple Access）频分多址技术为了解决FDM用户容量小的问题，让N个用户轮流使用M个频段，防止持续独占。
  2. TDMA（Time Division Multiple Access）时分多址技术为了解决TDM用户容量不够的问题，让N个用户轮流使用M个时间片，至于M个时间片分给N中的哪M个，就是具体实现的问题了。

实际上，TDM仍然有缺陷，你能保证N个时间片（一个TDM帧）中，每个用户都有要发送的内容吗？你能保证轮到你的时候你有东西发吗，如果没有，那是不是浪费了你的时间片。

因此就有一种思路：

统计时分复用（Statistic TDM）：整体上按照时间片轮转，但是如果你没东西发，我就跳过你的时间片。

因此，STDM中，STDM帧长度不固定，根据用户要发的东西来确定，即按需动态分配时间间隙，这个确定的模块就是复用器。

波分复用（WDM，Wawelength Division Multiplexing）

电信号可以进行频率上分割，光信号同样，所以波分复用其实就是光信号的FDM。

下图中不同波长的光各自的频率也不同。

码分多址复用（CDMA，Code Division Multiplexing Access）

CDMA特点

以上两大类方法，其实本质上都是交错发送，没有一个是真正同时同频段的复用。码分复用（CDM）就是如此，多个不同地址用户共享的时候，叫做码分多址（CDMA）。整体思路如下：

  1. 发送端：为每一个用户分配固定码型，将自己的信号加工一下
  2. 将每个用户加工后的信号直接叠加发送
  3. 接收端：通过用户的码型，提取对应的信号

CDMA原理

方老师讲的比较细，第一次不容易理解，这篇文章讲的比较好：

码分复用原理

这篇文章里没有提到，为什么X=1就代表发送了1，X=-1代表发送了0，X=0代表没有发送？

首先明白 S x S_x Sx​只可能是两种情况， S S S或者 S ‾ \overline{S} S，因此 S ⋅ ( S x + T x ) S\cdot (S_x+T_x) S⋅(Sx​+Tx​)的结果就是 S ⋅ S x S\cdot S_x S⋅Sx​，这个结果在有信号的情况下，不是1就是-1，对应信号1和0。在没有信号的情况下，点积结果为0，所以0结果对应无信号。

CDMA讨论与应用

CDMA的加密型比较强，很不错，缺点，我感觉就是把一个bit变成了m个bit（但是这个只是我的一个猜测，估计不是我想的这么简单，否则这效率也太低了）

CDMA考研计算可能会考，不过很简单就是了。

数据链路层

链路层概述

首先区分两个概念：

  1. 链路：两个直接相连接点之间的物理通道
  2. 数据链路=链路+协议，是两个直接相连接点之间的逻辑通道，不仅有链路，还有控制数据传输的软件协议。

从5层模型上来说：

传输媒体负责无差别传输具体的信号，物理层规定了bit-信号-bit的具体转化细节，实现了相邻节点透明传输bit。链路层的任务是在相邻的两个节点之间，通过数据链路传输帧。

在物理层，数据是连续的bit流，在链路层，数据是分组的，每一组就是一帧，是链路层的PDU，是上层（网络层）数据报的进一步封装。

从宏观协议栈的视角来看，链路层不需要管数据bit是如何传输的，它只负责将bit分成若干帧，在2层之间进行传输。

虽说链路层是在链路之间进行传播，但是也不完全是不能中转，也可以经过交换机的一次中转进行广播通信。

链路层的基本问题

在链路层中新的问题又来了：

  1. 封装成帧：如何在连续的bit流中找到一组数据的开始和结尾
  2. 透明传输：线路上有多个设备的时候bit流应该由谁接收，如何去区分不同用户
  3. 差错控制：bit流传输错误怎么办

封装成帧

之所以要划分成帧，是为了便于检验物理层中的传输错误。如果一次性全部传输，那么出一点错就要前功尽弃，反之，我们只需要重新发送错误的帧就可以。

将bit流切分成不同的帧，关键在于帧定界，在链路层中，帧定界是通过在bit流的首尾加帧首和帧尾实现的。只有链路层首尾都加，其它层只加头部。

中间的数据报，最大不能超过MTU，其实也不能太少。

字节计数法

使用一个字节来描述帧的长度。只要传输没有差错，就可以良好运作。然而，一旦出现差错，将出现严重错位，导致所有帧全部混乱，所以字节计数法没有实用价值。

字节定界符

直接用一串特殊序列字节当做帧开始符和帧结束符。


假如帧中数据恰好就是SOH和EOT呢？这必然会导致定界错误，这就要在透明传输部分去解决了。

透明传输

字节填充法

发送方在发送前，首先要增加SOH和EOT，之后检查原始数据。凡是在原始数据中出现EOT，SOH，ESC，都要在其前面插入一个ESC（其实就是转义符），表示这只是原始数据而不是特殊字节。

如此，就可以保证100%排除这个问题。

比特填充法

使用bit序列作为帧定界符。如果在原始数据中碰到和帧定界符一样的序列，那么就插入一些bit序列打断这个帧定界符序列。

物理层编码违例

前面讨论的都是，如果原始数据中出现帧定界符怎么办？

物理层编码违例反其道而行之，直接让原始数据中不出现帧定界符。具体方式就是使用一些很特殊的序列的那个帧定界符，这些序列特殊到几乎不可能或者干脆就不会出现在中间数据中。

比如以太网帧前导码，差分曼彻斯特的不正常跳变信号等。

差错控制

上面的方式只能在理论上保证传输没有问题，但是链路是有噪声的，所以出错是必然的，有一个指标叫误码率BER（bit error rate），信噪比越高，BER越低。

差错控制解决的问题是：如果出错了，如何检测？怎么处理？有两种思路：

  1. 纠错码：找到错误位置

    • 技术难度很高
    • 通常用于频繁出错的地方，比如无线链路
  2. 检错码：确定是否出错
    • 错了就丢弃重发，对了就接收
    • 用于BER较低的链路，比如光纤，偶尔丢几个帧对效率影响不大。

纠错码太复杂，略过，我们实际上更多使用检错码，检错码在链路层里又叫帧检验序列（FCS，Frame Check Sequence），其中CRC冗余码是很经典的检错码算法，但CRC并不等同于FCS。

CRC冗余码

给出大致流程，注意，他这个除其实不是传统意义上的除，而是模二运算（其实就是特定规则的按位异或运算），总之，其检验流程如下：

  1. 给定k位原始数据和n+1位除数，通过CRC算法，计算出n位冗余码，将k+n位数据发送过去
  2. 接收端使用同样的除数，计算CRC结果，为0则大概率无错，非0说明出错。

注意，判错一定是错，但是判对，不一定对，万一就恰好错得整除了。理论上，n越大，误判概率就越小，但是也只能是逼近，而且n太大效率就低了，所以国际上是有一些通用的标准除数的。

这个模二运算很抽象，直接上例子：

  1. 补n位0
  2. 反复用除数运算，移位
  3. 最后剩下n位余数，就是校验码。

链路层无差错但不能可靠传输

首先区分，无差错和无错误。无错误是一点都不错，无差错是以接近于1的概率无误。其次明白可靠传输的含义：发送与接受的内容是无差错的

由上可知，链路层传递的帧内部是无差错的。但是帧外部呢？不能保证。事实上，有两种差错：

  1. 比特差错：帧内部无差错
  2. 传输差错：帧丢失，重复，帧失序

真正的可靠传输，还要保证没有传输差错，比如加上帧编号，确认，重传机制，但是这是上层要做的事情了，链路层已经做的够多了。

PPP协议

Point to Point Protocol，是最早的链路层协议，也是最符合数据链路定义的协议。

本质上来说，PPP协议是一种链路层协议，其功能就是向上封装数据包成帧，向下通过同步/异步串行链路进行传输的方法。

PPP协议概述

PPP协议有如下特点：

  1. 简单。这是任何设计的原则，功能简单，集中。
  2. 向上，能承载各种网络层协议的分组
  3. 向下，能兼容各种类型的链路

PPP和广播协议的区别除了点对点以外，还有一个就是地址协商。在发送数据之前，需要进行协商，协商的内容包括资源，地址等。

PPP协议由两个子协议组成：

  1. 链路控制协议（LCP，Link Control Protocol）。

    • 用于协商，主要功能是身份验证。
  2. 网络控制协议（NCP，Network Control Protocol）
    • 是一大类协议，用于向上兼容不同网络层协议

PPP协议的技术点

  1. 封装成帧。
  2. 透明传输
  3. 差错检测

一个PPP协议帧：

  1. 左右两边有帧定界符F
  2. 地址字段A
  3. 控制字段C
  4. 协议字段，告诉你中间的信息是数据报，还是LCP内容，还是NCP内容
  5. FCS是校验码，PPP中使用CRC计算。

PPP协议是面向字节的，所以长度一定是整数个字节，但是具体传输不见得就是一个字节一个字节传输：

  1. 同步传输。

    • 面向bit传输，单位是帧，采用的定界符是bit序列。
    • 采用零比特填充法保证透明传输，比如定界符是0111 1110，那么一旦发现连续的5个1，就插入一个0。接收端也是，发现连续的5个1，就删掉后面的0。
    • 效率更高，光纤常用，因为光纤可以保证时钟统一。
  2. 异步传输。
    • 面向字节传输，单位是字符，采用的定界符是字节。
    • 采用字节填充法保证透明传输

PPP协议工作状态

流程图如下，失败原因无非两个，一是设备问题导致链路无法建立，二是LCP身份验证无法通过。

一旦成功，就可以链接到网络，进行NCP协商，传输数据。

使用广播信道的链路层

局域网的数据链路层——以太网详解

局域网的概念和问题

PPP点对点是比较麻烦的，尤其是不适应大规模网络，而局域网就不一样了，不仅可以通过广播的方式快速访问全网，还便于扩展系统。

因此现在的网络都是采用局域网了，点对点链接只在很少的场景中使用。

局域网有三种拓扑。最开始是右上角那个总线网，之后出现了环形网，星型网。

其实这些东西都差不了太多，本质上就是总线网，只是集线器在工程上便于部署，所以现在也都是用星型网。局域网发展到了后期，集线器变成网桥，变成交换机，性能又得到了巨大提升，星型网就占据了主导地位。

无论是哪种拓扑，本质上都是所有机器共享一条总线信道，那么必然就会发生冲突（碰撞），解决方案就是通过信道分配：

  1. 静态分配

    • 频分复用，时分复用，波分复用，码分复用。
    • 适用于用户少且固定稳定的场景，不适合局域网这种突发情况
  2. 动态分配
    • 随机接入：用户在受控状态下随机地发送信息。
    • 受控接入：用户服从更强的控制，比如轮询（polling）

以太网的发展和优势

以太网最开始是一个3Mbps的技术，创始人积极推动技术商业化，并且变成免费开放标准，背靠IEEE，一统有线局域网江山，现在的无线局域网也是基于以太网发展起来的。

一统江山后，以太网的一个重要突破是发明了交换机，取代了网桥和集线器，性能特别好。

后面以太网的主要发展方向就是更快，不断更换线材，提高带宽，从最开始的同轴电缆，到后面的35678类双绞线，再到光纤。当以太网带宽超过千兆的时候，就是我们现在说的gigabit ethernet了，现在已经是万兆级别了。

以太网到现在也是一统江山的地位，这归功于以太网的巨大优点，除了生态好以外，就是快，极致的快，之所以快的具体原因如下：

  1. 采用较为灵活的无连接工作方式

    • 直接发帧，不用提前建立逻辑连接，不用确认身份
    • 功能精简，只消除比特差错，忽略传输差错，交给高层决定。在保证一部分可靠性的前提下，尽可能高效。
  2. 使用曼彻斯特编码
    • 不需要考虑同步问题，自带同步信息，便于广播，只管提速就行

可能有人会疑惑，以太网是不是不可以实现PPP，这算不算缺点？

其实以太网可以实现PPP协议，只需要在广播的时候附带目标mac地址，在一众收到广播信息的机器中，只有mac地址匹配的才会做出响应。

至于如何通过动态分配解决总线上的信号冲突（碰撞）问题，这就是后话了。

所以总的来说，以太网优势巨大，缺点很少。

以太网协议与网络适配器（网卡）

802.3是第一个以太网标准，当时有LLC子层和MAC（Medium Access Control）子层。现在LLC子层已经形同虚设，逐渐退出历史舞台，功能被网络层和MAC层吸收，而链路层聚焦于MAC层。

现在的网络适配器（网卡）里面已经没有LLC子层了。

所谓网络适配器，就是网卡。适配器集成了链路层和物理层，比如我们的有线网卡（以太网卡），又比如无线网卡，里面就有链路层和无线收发模块（物理层）。

适配器的功能：

  1. 进行串并行转换，向上在机器里并行通信，向下在链路中串行通信
  2. 数据缓存
  3. 向上，在操作系统中安装驱动，向下，实现以太网协议。

CSMA/CD协议

大致流程

CSMA/CD协议是一种动态分配技术，用于解决以太网冲突。

载波监听多点接入/碰撞检测 ：Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

  1. 多点接入：一条总线，多个点同时接入，共享信道
  2. 载波监听：发送数据前和发送数据时，每个站点都要不停地检查信道。
  3. 碰撞检测：靠检测站点直连的信道电压。

总的来说，就是在多点接入的前提下，每个站不断监听，进行碰撞检测，如果发现碰撞，则先停止发送，等待一段时间后重发。

“先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发”

碰撞检测原理

靠检测站点直连的信道电压：

  1. 在发送前，如果信道电压不变，那么说明没有站在发送信息，信道空闲。
  2. 在发送时，如果只有一个站发送数据，那么信号电压变化幅度就是一个合理值（比如5）。如果电压变化幅度超过一定限度（比如7），那么就说明至少有两个站发送数据，冲突信号叠加起来超过了5这个幅度。

似乎发送前检测一下就可以了，为什么还要在发送的过程中进行碰撞检测呢？因为监听只能监听当前设备直连的链路电压，如果还有其他设备的信号在路上（传播时延），此时就会误判空闲。

如下图，A在0发送，B在 τ − δ \tau-\delta τ−δ发送，两者各自经过 τ \tau τ的时间到达对方设备，在中间会发生碰撞。B在发送之前，A已经发送了，但是B的判断结果是信道空闲。

只有当B在发送到 τ \tau τ时刻的时候，其检测到信号波动异常，这才知道A已经发过数据了，检测到了碰撞。这类碰撞只有在发送的时候才能检测到。

而当A在发送到 2 τ − δ 2\tau-\delta 2τ−δ时刻的时候，其检测到信号波动异常，A检测到碰撞。

总的来说，之所以这种碰撞会出现，就是因为A的信号没有完全到达B，B误判为空闲后发送信号导致的碰撞。

怎么才能不碰撞呢？或者说怎么才能不误判呢？

那就是在 τ \tau τ时刻，一旦A的信号成功到达B，B检测到信道上有电压波动，说明有人在发送信号，B就会延迟发送信息了。其他设备也是如此，因为以太网是广播的，只要一个设备能够先抢夺到信道，其他的所有设备就都不会再发送信息了。

这里又有一个问题，一个 τ \tau τ只能保证其他设备不误判A，A自己怎么知道自己没有被误判呢？

假设A被误判，那么A将会在 2 τ − δ < 2 τ 2\tau-\delta<2\tau 2τ−δ<2τ的时刻检测到波动异常（其他设备信号干扰）。反之，如果A成功抢夺信道，那么从 τ \tau τ开始，其他设备就不会再发送信息，那么也就意味着，A收到其他设备信息的时刻最早也是在 2 τ 2\tau 2τ以外了。换句话说，只要A在 2 τ 2\tau 2τ内没有检测到碰撞，那么就A就可以确定自己没有被误判。

最后总结一下

  1. 在一次成功的抢占过程中：

    • τ \tau τ时刻，A事实上已经成功抢占信道，屏蔽其他设备，只不过A自己不确定。
    • 2 τ 2\tau 2τ时刻还没检测到碰撞，则A可以确定自己成功抢占信道，并继续安全地发送信息。
  2. 在一次失败的抢占过程中：
    • τ \tau τ时刻前，其他任一设备误判，发送信息，与A冲突
    • τ \tau τ时刻，其他设备得知自己冲突了，停止发送，等下次。
    • τ − 2 τ \tau-2\tau τ−2τ之间某一时刻，A检测到碰撞，则停止发送，等下次。

所以A无非就是两种情况，以 2 τ 2\tau 2τ为分界点，这个点叫做争用期，或者碰撞窗口。

小于这个时间收到消息（检测到异常波动），那么就是冲突了。否则就说明没冲突，而且直到A发完消息的这段时间内也一定不会冲突，因为A已经在 τ \tau τ时刻抢夺信道，将其他设备压制。争用期的意义就在于此，只要过了争用期还没出问题，就可以保证这一次发送一定不会出问题。

有时候，用 τ \tau τ来计算有点抽象，在确定链路长度和发送速率的前提下，可以计算出争用期内发送的数据（比如 2 τ = 51.2 μ 2\tau=51.2\mu 2τ=51.2μ，速率=10Mb/s的情况下，争用期数据=64B），只要A能连续发送64B数据不出问题，那么就代表其已经度过了争用期。

虽然现在的链路和速率已经发生了巨大的变化，甚至我们已经通过交换机从本跟上取代了CSMA/CD算法（交换机模式下，信道已经不是独占了），但是64B这个数字仍然做为一种判断残帧的传统延续了下来，作为最短有效帧长来使用。

重传原理

为了方式反复碰撞，重传的时间间隔一定是要有随机性的。所以采用截断二进制指数退避算法：


解释一下：

  1. 首先要保证随机性，给一个退避时间倍数集合，随机抽取。最后的退避时间是0（立即重发）或者是争用期整数倍。
  2. k会逐渐增长。刚开始退避时间整体比较短，可选的项目也很少，随着冲突次数越来越多，整体退避时间的可选范围也要越来越大，项目越来越多，这样就使得冲突概率越来越小。
  3. k不能无限延长，这代表了退避时间不能无限延长，所以最大就是k=10。同时，退避次数也不能无限积累，最大16次就要丢帧报错了。

强化碰撞通知：人为干扰信号

AB碰撞了，其他设备在这个时候仍然可能误判。为了防止大量不可控的误判，当A/B检测到冲突的时候，一方会广播一个干扰信号，让所有用户都知道发生了碰撞，大家都消停一下。

CSMA/CD的特点

  1. 半双工通信。信道独占就决定了，基础以太网只能进行半双工通信。
  2. 每个站在争用期内，存在碰撞的可能性
  3. 容量小，当机器变多，频繁碰撞会使得以太网的平均通信量远低于最高数据率。

在以太网的初期，CSMA/CD还不错，但是随着网络发展，局域网设备增加，交换机也就应运而生了。

使用集线器的星型拓扑

前面说的CSMA/CD技术是应用于早期以太网的，那个时候还是总线拓扑，用的也是同轴线，空间限制很大。

后面采用了三类双绞线（10BASE-T，10Mbps基带速度双绞线）后，空间限制变小，拓扑也变成了星型结构。在星形结构中，中间的总线变成了集线器（hub），他是个电子器件设备，还是比总线更具有可靠性。

但是注意，集线器和交换机并不相同，集线器在效果上上和总线没太大区别，还是用的CSMA/CD协议，还是半双工，还是在物理层工作。（而交换机不一样，摒弃CSMA/CD协议，是全双工，工作在链路层）

以太网信道利用率分析

首先定义以太网信道利用率= T 0 T 0 + τ \dfrac{T_0}{T_0+\tau} T0​+τT0​​= 发送时间 占用时间 \dfrac{发送时间}{占用时间} 占用时间发送时间​。

可以看到，计算利用率不考虑碰撞退避时间。其中，发送时间 T 0 = L C T_0=\dfrac{L}{C} T0​=CL​，占用时间还需要多一个 τ \tau τ来避免冲突， τ \tau τ由链路本身的长度决定。


为了便于描述，定义了一个a，a越小，信道利用率越大。

为了降低a，可以降低 τ \tau τ或者提高 T 0 T_0 T0​:

  1. 太长的链路，信息滞留在链路的时间太长，提高碰撞风险
  2. 太少太频繁的发送帧，也会提高碰撞风险

到目前为止，在没有交换机的情况下，以太网的信道利用率会因为冲突而降低（可能才30%左右）。本质上就是因为共享信道导致的碰撞，进而导致利用率下降，所以CSMA/CD协议虽然可以解决一时的问题，但是还是差很远，这也是交换机出现的意义。

以太网的MAC层

现在LLC子层基本不用了，现在大家主要用MAC子层。

MAC地址

MAC层的MAC地址又叫物理地址，相比之下，IP地址是逻辑的，是随着局域网变化而变化的，而MAC地址是固化在适配器的ROM上的（与网卡绑定），全球都是使用一个48位标准（4×3或者2×6个16进制数字，总计48位），保证适配器MAC地址不重复。

在局域网中，每一个接口对应一个适配器，因此一个接口对应一个MAC地址。一般来说，一台电脑只有一个网卡，所以只有一个MAC地址，而一个交换机有多个接口，背后是多张网卡，因而也具有多个MAC地址。

如何保证MAC地址不重复呢？IEEE组织为每一个生产适配器的厂家分配24位3字节的序号（组织唯一标识符），而厂家内部用剩余的24位3字节的序号来区分适配器（扩展标识符）

所以通过前3个字节可以查出适配器厂家，而后3个字节就是厂家适配器的序列码。

MAC帧格式

mac帧有两种格式：

  1. 以太网V2格式。
  2. IEEE的802.3格式。

现在常用以太网V2格式：

  1. 46-1500字节的MTU
  2. 除了数据以外，有目的地址和源地址，各6个字节。
  3. 2字节类型代表了上一层的协议
  4. 4字节FCS是校验码

这里有两个补充点：

  1. MAC帧与MTU的长度区间

    • 上界为1500很合理，这是为了限制长度
    • MTU的下界为46是一个老传统了，46=64-18，即：46=最小帧长度-MAC层除了MTU以外部分的长度
    • MAC帧的长度为64-1518B，MTU的长度为46-1500B，注意区分。
  2. 物理层还会继续在MAC层前面封装8字节，实际到达另一端的帧已经不是MAC帧了，还比MAC帧多8字节
    • 其中7字节为帧前同步码，1字节为帧开始定界符。
    • 有个问题是，为什么经过物理层加装的MAC帧只有帧开始定界符，没有帧结尾定界符？

MAC地址的分类与收发逻辑

在局域网中，适配器收到一个帧以后会检查帧里面的目标MAC地址是否和自己的mac地址相匹配，如果不匹配，就直接丢弃，接受的帧有三种类型：

  1. 单播帧（unicast）：一对一发送
  2. 广播帧（braodcast）：给局域网里的所有机器发送
  3. 多播帧（multicast）：又叫组播，是给一组机器发送

除了目标地址与当前适配器不匹配的情况下，当前适配器还会因为帧错误而丢弃帧：

  1. 帧长度出错。帧长度不是整数字节，或者MTU长度在规定字节数量之外
  2. 帧校验不过。FCS校验失败
  3. 长度校验不过。在802.3规定中，2字节可能记录了MTU的长度，如果MTU实际长度不等于长度字节的值，就算校验失败，丢弃。

扩展的以太网

所谓扩展，指的是更大的范围，更多的用户。扩展有如下方式：

  1. 物理层扩展

    • 光纤延长
    • 集线器扩展
  2. 链路层扩展
    • 网桥
    • 交换机
  3. 虚拟局域网

在物理层扩展以太网

光纤

光纤可以使以太网的物理距离大大延长，光纤可以有2km长，而双绞线只有100m。

集线器与级联

集线器出现后，星型拓扑直接取代掉了总线网络，优点如下：

  1. 空间不受限。只要设备不超过集线器的覆盖区域，就可以随意摆放。
  2. 数量不受限。可以任意增删设备，只需要插拔集线器接口即可。

集线器还可以级联，或者说嵌套。这样做，在空间上扩展了集线器的范围，但是并不代表能支持更多的设备，缺点很多：

  1. 增大碰撞域但不增加吞吐量。无论级联多少级集线器，所有的设备仍然在同一个冲突域（碰撞域，即可能出现信号重叠碰撞）
  2. 设备类型受限。集线器只是总线的另一种形态，本质上仍然在同一个物理层，无法将使用不同技术的以太网连接起来，比如不同比特率就没办法连接。
  3. 存在安全隐患。所有设备在同一个冲突域，没有隔离，就可以进行各种形式的攻击。

在链路层扩展以太网

网桥

物理层扩展无法解决共享链路的问题，信号可能发生冲突，是半双工的。要想彻底解决这个问题，就需要在链路层下手，在链路层扼杀物理层冲突的可能，变成全双工。

集线器和网桥虽然都可以是两个集线器的介质，但是网桥将两个集线器隔离开了，两个集线器是两个隔离的冲突域。

集线器是无脑广播的，而网桥会根据转发表选择性进行转发，这种程度的控制就可以杜绝两个信号的碰撞。


网桥转发表记录了机器MAC地址与接口的对应关系，下图中，ABC挂在一个集线器上，接在网桥1接口，DE挂在另一个集线器，接在网桥2接口。

假设A往D发消息，网桥会检查D的mac地址是否在转发表中，如果在，就往对应接口发送消息，发送过去以后再在另一端集线器上广播。

交换机

基本原理

交换机其实就是多接口的网桥，本质上是在链路层进行转发控制，超脱于一层，所以直接解决一层的冲突问题。

交换机转发仍然是像网桥一样基于地址表，不再进行物理层的无脑广播，而是有策略地在链路层发送。而且策略是硬件计算，速度快。本质上是压把力放在了交换机，而不是物理链路上。

下图中，交换机的每一个接口都是一个碰撞域，碰撞域内部可能发生冲突，但是之间不会。现在一般都是一个接口链接一个设备，所以一个碰撞域只有一个设备，自然就不会冲突。

如果从碰撞域的角度理解交换机和网桥，可以说他们将一整个大碰撞域切割为多个小的碰撞域。而集线器不具有这种隔离功能。

最后总结一下交换机的特点：

  1. 储存转发。不会像广播一样立即转发，而是经过计算安排转发顺序。
  2. 即插即用。交换表（地址表）可以通过自学习算法学习，不用去配置（当然也可以手动写入静态表项）
  3. 硬件计算。交换机的转发计算是在硬件上直接跑的，效率很高。
  4. 隔离冲突域，独占带宽。每个接口的用户都是独占带宽的，所以可以扩展总带宽。
  5. 支持多种设备。因为交换机是链路层的，所以物理层的各种接口都是可以插在交换机的，即使各不相同。
交换机转发策略

交换机转发要查地址表，地址表可以自学习。自学习是逆向的，当一个设备发送信息给交换机时，交换机会记录这个端口与设备，把这两个信息绑定在一起写入地址表。

根据地址表中有无目标mac地址，有两种转发方式：

  1. 有目标mac地址。单点转发，直接转到绑定的端口。
  2. 无目标mac地址。广播，询问是否有机器是目标mac地址，如果有，则对应机器回应（此时又会将目标机器的信息学习进地址表）

一般来说，都是一个机器绑定一个端口，如果端口和集线器相连，集线器上挂了几个机器，那么地址表里就会出现多个mac地址绑定一个端口的情况，转发策略依旧是原来那样，在集线器上略有花样：

  1. 转发到集线器的信息会在集线器上广播
  2. 从集线器上某个端口发出的信息，会先在集线器上广播，广播的一个端口是交换机，之后进行转发。


交换机与交换机互联类似于集线器，也会有多个mac地址绑定一个接口的情况，原理大差不差。

广播风暴与STP

如果在以太网中形成环路，那么一条消息在特殊情况下就会绕圈，不停地转发，广播，这就是广播风暴。


掐灭广播风暴的思路也很粗暴，就是消灭环路，把网络变成一个无环图，实际上使用的是STP协议，生成的是一棵树。

STP协议并不改变实际拓扑，只是在链路层的转发上做手脚，逻辑上切断链路，最后把链路网变成树。

可以看到，STP还是挺复杂的，所以从最开始到STP计算生效要经过几分钟，这一段时间叫收敛时间，收敛时间内仍然可能出现广播风暴，所以现在有了一些优化的算法，来减少收敛时间。

虚拟局域网（vlan）

到此为止，交换机使实现了太网的链路层级别扩展，提升显著：

  1. 从链路层消除了冲突问题，CSMA/CD协议成为历史
  2. 从半双工变成全双工
  3. 兼容不同类型的物理层接口

但是以太网仍然存在问题：

  1. 广播风暴。即使有STP，信息不会兜圈子，也依然可以被有心人利用，输入一个不存在的mac地址，产生大量的广播，浪费资源
  2. 安全问题。交换机只是在冲突域进行隔离，没有对用户进行身份的隔离
  3. 管理困难。用户的级别都是一样的，越多越难管理。

本质上这些问题还是因为交换机只能隔离冲突域，不能隔离广播域，一个星型以太网整体是处于一个广播域的。

因为是一个广播域，所以一个信息的目标mac地址不存在时，这条信息可以广播到整个以太网上，如果这种信息很多，就会把以太网资源占用殆尽，这也是广播风暴。


一个以太网中，不同的机器级别不一样，需要区分，而原来的以太网帧不带有区分信息。


这些问题都可以通过vlan实现，即虚拟局域网。

区分不同用户其实就是分组。这就需要更改以太网帧格式，在前面再增加一个vlan字段，缺点是开销大了一点儿，其他的都是优点：

  1. 降低广播压力，抑制广播风暴
  2. 提升网络安全性，vlan之间不可以广播，只能点对点单播。
  3. 便于网络管理，把用户归类，分到一个vlan里

划分vlan的方法很多：

  1. 基于mac地址。不太容易实现
  2. 基于端口。常用
  3. 基于ip子网地址。常用
  4. 其他。不常用

高速以太网

以太网根据速度区分，有若干档次，对应不同名字：

  1. 10M以太网。最基础的以太网
  2. 100BASE-T以太网。又称快速以太网（fast Ethernet），基带速度是100Mb
  3. Gigabit Ethernet。吉比特以太网
  4. 10G比特以太网以及更高的。现在不用，战未来。

100BASE-T以太网（Fast Ethernet）

特点：

  1. 工作方式：全双工，抛弃CSMA/CD协议
  2. 帧格式：802.3规定的格式，没有vlan
  3. 物理特性：
    • 线缆长度减小到100m（原来是1km）
    • 帧间隔调小为原来的十分之一
    • 比特率变为10倍
    • 简单计算，因为线缆长度缩小十分之一，所以争用期变为十分之一，但是因为比特率是原来10倍，所以争用期数据量不变，最短帧长仍然是64B，以后也就沿用了。

吉比特以太网（Gigabit Ethernet）

特点：

  1. 工作方式：全双工，兼容半双工
  2. 帧格式：802.3
  3. 半双工模式详解
    • 半双工下采用CSMA/CD协议，向后兼容。使用载波延伸和分组突发技术来优化效率。
    • 载波延伸：将争用时间从64B延长到512B，不够的MAC帧后补充特殊字符。
    • 分组突发。如果第一个帧成功地通过载波延伸方式发送，那么代表已经完全占领链路。那么后面的多个短帧之间只需要保证最短时间间隔即可，实现最高效的发送。当然也不能这么一直发，发到1500字节或者稍微多点就停，别影响了别人。

更快的以太网

  1. 万兆bit
  2. 帧格式与前面一样，帧长度限制沿用以前的规定
  3. 介质只使用光纤
  4. 工作模式只有全双工

使用以太网进行宽带接入（PPPoE）

以太网什么都好，所以很适合接入家庭宽带。但是有一个致命缺点，没有用户身份验证机制，而要实现用户付费就一定要有这个功能。

回顾以太网知识，其实广播的以太网也可以模拟PPP协议，实现身份验证，即PPPoE（PPP over Ethernet）

从实际设备来说，其实就是一条光纤入户，首先要通过光猫转化信号。光猫里面记录了用户的身份信息，在光信号转化为电信号的过程里实现身份验证。

之后的电信号就在家庭内部的以太网上传播了，不需要验证。

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