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2物理层2.1基本概念物理层的主要任务——确定与传输媒体接口的一些特性四个特性：机械特性——指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线的数目和排列、固定的所锁定装置等电气特性——指明接口电缆各条线上出现的电压范围功能特性——指明某条线上出现的某条电平的电压表示何种意义过程特性——指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序2.2数据通信的基础知识数据通信系统的三大部分——源系统、传输系统、目的系统数据——运送消息的实体信号——数据的电气或电磁表现模拟的——表示消息的参数的取值是连续的数字的——表示消息的参数的取值是离散的码元——在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值表示的基本波形单工通信（单向通信）——只能有一个方向的通信不允许反方向的交互半双工通信（双向交替通信）——通信的双方都可以发送消息，不允许同时发送或接收全双工通信（双向同时通信）——通信双方可以同时发送接收消息基带信号——来自源的信号调制——基带信号含有信道不能传输的低频分量或直流分量，必须对基带信号进行调制基带调制(编码)——仅仅变换波形，变换后仍是基带信号带通调制——使用载波调制，把信号的频率范围搬到较高频段，并转换为模拟信号带通信号——经过载波调制后的信号（仅在一段频率范围内能通过信道）基本带通调制方法——调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)码间串扰——在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限的现象奈式准则——在任何信道中，码元的传输速率是有上限的，传输速率超过此上限就会出现严重的码间串扰，使接收端对码元的判决成为不可能数据的传输速率(比特率)——每秒传输的比特数即二进制数字(0或1)，单位bit/s、b/s、bps码元传输率(波特率)——每秒信道传输的码元个数，单位B传信率(比特率)与传码率(波特率)的关系——（N为码元的进制数）比特率=n*波特率(n为每个码元的比特,二进制时带1比特,三进制时带2比特,八进制带3bit)信噪比——信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N，单位分贝(dB)信噪比(dB)=10log10(S/N)(dB)如当S/N为10时信噪比10，S/N为1000为30香农公式——信道极限信息传输率C=Wlog2(1+S/N)b/sW信道带宽(单位Hz)、S信道内所传信号的平均功率、N为高斯噪声功率奈氏准则公式——C=2WRb=2WRBlog2N即每赫带宽理想低通信道的最高码元传输率是每秒2个码元2.4通道复用技术频分复用(FDM)——用户在分配到一定频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的频率带宽时分复用(TDM)——将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)，每一个时分复用用户在每一个TDM帧中占用固定序号的间隙。（信道利用率不高）统计时分复用(STDM)——前提是假定各用户都是间歇地工作，每个时隙要有用户地址信息波分复用(WDM)——光的频分复用，因光载波频率很高，习惯上用波长表示使用的光载波8路2.5Gb/s光载波经光的调制，在一根光纤上的总速率为20Gb/s100根2.5Gb/s光纤的光缆,采用16倍密集波分复用,得一根4Tb/s\码分复用CDM——将每一个比特时间划分为m个短的码片(码分地址CDMA)给每个站点分配码片序列，不同站点的码片序列正交当发送码片1时就发送该站点码片序列，比特0时发送反码当S站点向T站点发送数据时,T站点接收的是所有站点发送的序列和T站点用S站点的码片序列与接收的序列和做内积运算非S站点的序列得0,，S站发送的比特0得-1、比特1得1规格化内积公式——各项相乘之和除以项数量脉冲调制PCM体制——北美24路PCM标准T1速率为1.544Mb/s欧洲30路PCM标准E1速率为2.048Mb/s同步光纤网SONET—第一级同步传送信号STS-1传输速率51.84Mb/s(第一级光载波OC-1)同步数字系列SDH——基本速率(第一级同步传递模块STM-1)为155.52Mb/s（OC-3）3数据链路层数据链路层使用的信道主要有两种类型：点对点信道——使用一对一的点对点通信方式广播通信——使用一对多的广播通信方式链路——是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，中间没有其他交换结点。链路只是一条路径的组成部分数据链路——除了这些物理线路，还必须有通信协议来控制数据的传输，如果把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路帧——数据链路层协议数据单元IP数据报——网络层协议数据单元数据链路层三个基本问题：封装成帧、透明传输、差错检验封装成帧——在一段数据的前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个帧帧定界——首部和尾部的一个重要作用最大传送单元(MTU)——链路层协议规定的所能传送的帧的数据部分长度上限帧定界符——当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时，帧定界可使用帧定界符SOH——帧开始符，十六进制编码01，二进制编码00000001，StartOfHeaderEOT——帧结束符，十六进制编码04，二进制编码00000100，EndOfTransmission透明传输——无论什么样的比特组合的数据都能通过这个数据链路层字节填充——发送端的数据链路层在数据中出现控制字符前插入一个转义字符“ESC”在接收端的数据链路层把数据送往网络层之前删除插入的转义字符ESC——转义字符，十六进制编码1B，二进制编码00011011，ByteStuffing差错检测：比特差错——比特在传输过程中可能会发生差错：1变成0，0变成1误码率BER——在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比例，BitErrorRate信噪比越大，误码率越小循环冗余检验CRC——把数据分为每组k个比特在待传送的一组数据M后添加n位冗余码冗余码的计算方法——在M后加上n个0得到(2^n)M除以事先选定好的(n+1)位除数P得到商Q和n位余数R(用竖式做除法,商右移补0至位数与除数相等,相异得1,相同得0)余数R作为冗余码接在M后发送出去循环冗余检验CRC——把收到的每一帧除以P，检查得到的余数R’若R’=0，则判定这个帧没有差错，就接受若R’!=0，则判定有差错，就丢弃帧件检验序列FCS——在数据后面添加冗余码，FrameCheckSequence而CRC是一种常见的检错方法FCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非获得FCS的唯一方法在数据链路层使用CRC检验，能实现无比特差错传输，但这还不是可靠传输，只能做到无差错接收，要做到可靠传输，必须加上确认和重传机制。点对点协议PPP——用户计算机和ISP进行通信时使用的链路层协议(只支持全双工链路)PPP协议应满足的需求——简单——这是首要的要求封装成帧透明性多种网络层协议多种类型链路差错检测检测连接状态最大传送单元网络层地址协商数据压缩协商PPP协议不需要的功能——纠错流量控制序号多点线路半双工或单工链路PPP协议三个组成部分——一个将IP数据报封装到串行链路的方法链路控制协议LPC(LinkControlProtocol)网络控制协议NPC(NetworkControlProtocol)PPP用同步传输链路，采用硬件完成比特填充；异步传输时使用字符填充法P75零比特填充——PPP协议在使用SONET/SDH链路时，是使用同步传输的，此时采用零比特填充实现透明传输；发送端：5个连续1填一个0，接收端删除。媒体共享技术——静态划分信道：频分复用、时分复用、波分复用、码分复用动态媒体接入控制：随机接入、受控接入世界第一个局域网产品(以太网)规约——DIXEthernetV2IEEE的802.3标准——与DIXEthernetV2差别很小，可以简称为“以太网”局域网数据链路层的两个子层——逻辑链路控制LLC子层媒体接入控制MAC子层局域网的主要优点——具有广播功能，从一个站点可很方便的访问全网便于系统的扩展和演变，各设备的位置可灵活调整和改变提高了系统的可靠性、可用性和生存性适配器——连接计算机与外部局域网，嵌在计算机主板上适配器的主要功能——进行串行/并行转换对数据进行缓存在计算机的操作系统安装设备驱动程序实现以太网协议计算机硬件地址在适配器的ROM中，计算机软件地址—IP地址在计算机的存储器中以太网采取的两种措施——无连接的工作方式，尽最大努力交付，即不可靠交付发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号CSMA/CD协议——载波监听多点接入/碰撞检测（只能进行半双工通信）多点接入——总线型网络，许多计算机以多点接入方式连接在一根总线上载波监听——在发送数据前检测总线上是否有其他计算机子在发送数据碰撞检测——计算机边发送数据边检测信道电磁波在1km电缆的传播时延——5μs争用期2τ——以太网端到端往返时延，具体争用期时间为51.2μs对于10Mb/s的以太网，在争用期可发送512bit，即64字节退避算法——确定基本退避时间，一般取争用期2τ定义重传次数k=Min[已经重传的次数，10]从[0，1，...，2^k-1]中随机抽取数r重传推后时间为r倍争用期重传达16次仍不成功，抛弃该帧最短有效帧长——争用期是512比特时间时，发生冲突一定在前64字节内以太网规定了最短有效帧长为64字节，小于64字节的都是无效帧强化碰撞——当发现碰撞时，停止发送数据，再继续发送若干比特人为干扰信号帧间最小间隔——9.6μs，即96比特时间CSMA/CD——从网络层获得一个分组，加上首尾组成以太帧，放入适配器缓存准备发送检测到信道96比特时间内保持空闲，就发送这个帧若检测到碰撞，则中止数据的发送，并发送人为干扰信号发送完干扰信号后适配器执行退避算法,等待r倍512比特时间，返回步骤2CSMA/CD十六字方针：先听先发，边听边发，冲突停发，随机重发双绞线以太网采用星状拓补在星形的中心增加集线器（星形网10BASE-T的标准是802.3i）定义参数a=τ/To——a的值越小信道利用率越高极限信道利用率Smax=To/(To+τ)=1/(1+a)——只有a远小于1才能得到尽可能高的SmaxI/G位——IEEE规定地址字段第一个字节最低位，0表示单个地址，1表示组地址G/L位——地址字段第一个字节最低第二位，0表示全球管理，1表示本地管理三种帧——单播，广播，多播常用以太网MAC帧格式两种标准——DIXEthernetV2标准IEEE的802.3标准IEEE802.3规定无效的帧——帧长度不是整数字节用收到的帧检验序列FCS查出有差错收到数据字段长度不在46到1500字节之间在物理层扩展局域网——主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器用集线器扩展局域网的优点——使计算机能够跨碰撞域通信扩大了局域网覆盖的地理范围缺点——碰撞域增大了，吞吐量并未提高不同数据率的碰撞域无法互联网桥——在数据链路层扩展以太网。网桥依靠转发表来转发帧。网桥的好处——过滤通信量，增大吞吐量提高可靠性扩大物理范围可以连接不同物理层、不同MAC子层、不同数据率的局域网网桥的缺点——存储转发增加了时延MAC子层没有流量控制功能左图数字的单位是字节(byte)只适合用户不太多和通信量不太大的局域网网桥和集线器的不同——网桥是按存储转发方式工作的，一定是先把整个帧收下来子啊处理但集线器(或转发器)是逐比特转发。网桥丢弃CRC检验有差错以及无效的帧网桥在转发帧前必须执行CSMA/CD算法集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测、透明网桥是一种即插即用设备透明网桥——自学习和转发帧在网桥的转发表中记录地址、接口和时间生成树算法——为了避免转发帧在网络上不断的兜圈子源路由网桥——源路由网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧首部该网桥对主机是不透明的以太网交换机——实际上就是一个多接口网桥，工作在链路层每个接口都直接与主机相连，一般工作在全双工方式虚拟局域网VLAN——是一些由局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组它只是局域网给用户提供的一种服务，不是一种新型的局域网VLAN的优点——限制了接收广播信息的工作站数使网络不会因传播过多的广播信息而引起性能恶化虚拟局域网使用的以太网MAC帧格式（