[网络协议] 计算机网络快速过(校招零基础)-数据链路层、网络层

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[网络协议]计算机网络快速过(校招零基础)-数据链路层、网络层

零、基础知识：

1.1 速率性能指标

1.速率 -------> 是以比特bit做单位的

? 单位： $b/s, kb/s = 10^3b/s, Mb/s = 10^3kb/s, Gb/s, Tb/s,换算都是10^3$

2.存储容量 -------> 是以字节byte做单位的 $1 b y t e = 8 b i t$

? 单位 $B, 1KB = 2^{10}B = 1024B, 1MB, 1GB, 1TB, 换算都是2^{10}=1024$

3.带宽 ------> 网络中的这个通信线路达到的发送数据的能力，最高数据率，也表示某个网络设备所支持的最高速度。单位与速率单位相同， $b / s$

? 带宽 = 额定速率，指的发送速率。接收速率限制因素比较多。

? 如，一台交换机的带宽是100M，指的是交换机可以向一个与自己相连接的设备的信道上最高发送数据的速率为100Mb/s；

4.吞吐量 ------> 单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。单位也是速率单位， $b / s$

? 如，1台100M网卡的PC通过一个100M交换机连接2台服务器，Server1向PC发送速率为10Mb/s，Server2为20Mb/s，则该PC和交换机上的信道吞吐量即为30Mb/s。

1.2 时间性能指标

1.时延(延迟) -----> 数据(报文/分组/比特流)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间，单位s

? ①发送时延 = 分组长度(b) / 发送速率(b/s)；②传播时延 = 信道长度(m) / 电磁波传播速率(m/s)；③处理时延(路由转发等时延)；

2.时延带宽积 -----> 传播时延 * 带宽，以bit为单位的链路长度

3.往返时间RTT(Round Trip Time)，双向交互一次所需的时间，通常是卫星链路耗时占主导

4.利用率

? ①信道利用率：某信道有百分之几的时间呗利用；②网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均。

5.丢包率 ----> 分组丢失率，是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。

1.3 交换方式

1.电路交换

2.报文交换

3.(重点)分组交换

1.4计算机网络体系结构

在这里插入图片描述

网络层提供的是无连接不可靠的数据报服务

IP、ICMP(网际控制报文)协议都属于网络层协议，IP协议直接为ICMP协议提供服务

PPP协议属于网络接口层协议，为IP协议提供服务

专用术语：

1.实体硬件或软件进程

2.对等实体

3.协议

4.服务上层协议使用下层协议进行通信，下层协议对上层协议提供服务

5.服务访问点同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型

数据链路层 —> “帧”的类型字段
网络层 —> “IP数据报(分组)”首部的**”协议字段”**
运输层 —> “TCP报文段”或“UDP用户数据报”中的**“端口号”**

6.协议数据单元PDU 对等层次之间传送的数据包

物理层 —> “比特流”
数据链路层 —> “帧”
网络层 —> “IP数据报(分组)”
运输层 —> “TCP报文段”或“UDP用户数据报”

7.服务数据单元层与层之间交换的数据包

一、物理层

2.1 物理层 - 概述

物理层考虑的是怎样能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。关注的是传输媒体需要满足的特性。

2.2 物理层的基本知识

二、数据链路层

2.1 概述 - 二层

数据链路层的三个问题

1.封装成帧

? 给网络层交付下来的协议数据单元添加帧头和帧尾，以帧为单位在链路上传送数据。

? 1.1 透明传输

? 帧定界符

2.差错检测

? 帧尾添加的是检错码，用以检测出帧在传输过程中是否出现了误码。

传输差错可分为：比特差错(二层)，分组丢失，分组失序，分组重复。有线网络误码率低，一般不会要求二层提供可靠传输，无线网络误码率高，会要求。

误码率BER：错误的比特数 / 传输总比特数

检错：循环冗余校验CRC；纠错：检错重传方式

3.可靠传输

? 保证可靠传输，误码了也要在确保接收到正确的码。

? 如果二层向上层提供的服务类型为：1.不可靠传输服务，那么就仅仅丢弃有误码的帧即可；2.可靠传输服务，

~可靠传输服务，不仅仅局限于二层，其他各层均可选择实现可靠传输。如三层IP协议向上层提供的是无连接、不可靠传输服务，四层TCP向上层提供面向连接的可靠传输服务，UDP也是无连接、不可靠传输服务。

2.2 可靠传输的实现机制

可靠传输是在各层协议中都有的~

停止等待协议SW

信道利用率较低， $信道利用率U=发送时延T_D/(T_D+往返时间RTT)$
回退N帧协议GBN

又称滑动窗口协议

支持累积确认，如发送方接收到2号确认帧，说明0~2号数据帧都已成功接收。

接收窗口Wr = 1，对通信资源浪费较大
选择重传协议SR

不支持累积确认，接收方接收一个数据帧，就会发回相应的确认帧。

2.3 点对点协议PPP

用户计算机与ISP(运营商：移动联通电信)进行通信时，所使用的二层协议通常是PPP协议，如PPPoE协议。

PPP协议为在点对点传输各种协议数据报提供了标准方法，由三部分构成：

1.封装成帧；2.链路控制协议LCP；3.一套网络控制协议NCPs，用来支持不同的三层协议IP、AppleTalk、IPX啥的

2.4 媒体接入控制技术(MAC)

MAC，Medium Access Control，如何协调多个发送和接收站点对一个共享传输媒体的占用。

2.4.1 静态划分信道

信道复用

1.频分复用FDM：将一个信道划分为多个子频带123，中间用隔离频带隔开。

所有用户同时占用不同的频带资源并行通信哦~

2.时分复用TDM：将时间划分为多个时隙，每N个时隙为一个登场的时分复用帧，每个用户在帧中占用固定时隙，周期性出现。

所有用户在不同时间占用同样的频带宽度哦~

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3.波分复用：就是光的频分复用，将光折射出一定的波长范围。

4.码分复用CDM：码分多址CDMA

2.4.2 动态接入控制

1.随机接入

2.5 MAC地址、IP地址、ARP地址

2.5.1 MAC地址

? MAC地址是二层地址，又称为物理地址、硬件地址，多个主机在同一个广播信道上，要实现两个主机之间的通信，则每个主机都必须有一个唯一标识，及数据链路层地址。**MAC地址是对网络上各接口的唯一标识，而不是网络上各设备的唯一标识。**如一台用户主机可能会有有线网卡和无线网卡，就有两个MAC地址。

? 发送帧中必须携带源MAC和目的MAC。

? EUI-48MAC地址格式：48bits(6个字节)

广播帧的目的MAC地址：16进制的全F FF-FF-FF-FF-FF-FF

2.5.2 IP地址

? IP地址是三层地址，是Internet上主机和路由器所使用的地址，分网络号+主机号，网络号用于标识网段，主机号标识同一网段中不同的主机。

? 在数据包转发过程中，源IP地址和目的IP地址保持不变；而源MAC地址和目的MAC地址是根据网段来改变的。

2.5.3 ARP协议

? 二层协议，不能跨网段，只能在同一网段内解析。每台主机上有一个ARP高速缓存表，记录着已知的IP-MAC信息

? 如主机A给主机B想发送数据，但缓存表中未找到目的主机B的信息，则会发送ARP请求报文(广播帧)：报文中含有自己的IP-MAC地址，以及需要请求得知的目的主机B的MAC地址对应的IP地址，目的主机B收到广播请求后，会回复给主机A一个ARP响应报文(单播帧)，A收到后会将B的IP-MAC记录在缓存表中。

2.6 交换机

冲突域 < 广播域

集线器HUB：(已淘汰)工作在物理层（一层），连接的设备属于同一个冲突域，同时发送单播时会有冲突

交换机SWITCH：一般叫二层交换机，工作在二层，其中每一个接口都是一个独立的冲突域，因此可以隔离冲突域，但不隔离广播域(VLAN除外)，以一个或多个交换机互连起来的交换式以太网，其所有站点都属于同一个广播域！性能远远强于HUB

以太网交换机的自学习和转发帧算法：交换机收到帧后，在帧交换表(记录着MAC地址和接口的关系)中查找帧的目的MAC地址所对应的接口号，然后通过该接口转发帧。帧交换表中的记录都有自己的有效时间，因为MAC地址和交换机接口的对应关系不是永久的~！

生成树协议STP：可以在增加冗余链路来提高网络可靠性的同时，又避免网络环路带来的各种问题(如广播风暴会消耗网络和主机资源及表震荡)，使逻辑上无环路。

虚拟局域网VLAN：将局域网内的设备划分成与物理位置无关的逻辑组的技术，这些逻辑组具有某些共同的需求。

? 802.1Q帧：用于VLAN转发帧判别同一广播域的，打标签VID，用于判断VLAN

? 交换机的端口类型：Access类型、Trunk类型、(华为专有)Hybrid类型。每个端口上有一个PVID，用于设置VLAN

要实现VLAN的话，与用户机相连的端口要设置为Access类型，交换机之间相连的端口要设置为Trunk类型，且两个端口的PVID值要相等，不然可能错发！

三、网络层

3.1 概述 - 三层

实现数据包在不同网络之间的传输

要解决以下问题：

网络层向运输层提供怎样的服务(“可靠传输”还是“不可靠传输”)
网络层寻址问题
路由选择问题

3.2 网络层提供的两种服务

1 面向连接的虚电路服务

2 无连接的数据报服务

	虚电路服务	数据报服务
思路	可靠通信应当有网络来保证	可靠通信应当由用户主机来保证
是否建立连接	必须建立网络层连接	不需要建立网络层连接
终点地址	仅在建立连接时使用，每个分组使用短的虚电路信号	每个分组都是有终点的完整地址
分组的转发	同一条虚电路的分组均按同一路由转发	每个分组可走不同的路由
当节点出故障	所有通过故障节点的虚电路失效	出故障的结点可能会丢失分组，一些路由会发生变化
分组的顺序	一直是按发送顺序	到终点时顺序可能改变
服务质量保证	容易	困难