【精选】计算机网络学习笔记（五）

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【精选】计算机网络学习笔记（五）

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文章目录前言概念一、介质访问控制子层和广播式信道二、多路信道分配三、竞争式访问协议（一）ALOHA及时隙ALOHA（S-ALOHA）协议（二）CSMA协议（三）CSMA/CD协议（四）CSMA/CA协议四、非竞争式协议（此时没有冲突）（一）预定协议/位图协议（二）二进制倒计数法（三）令牌传递五、有限竞争协议六、共享式以太网（一）以太网MAC层帧格式（二）以太网分类（三）共享式以太网（无中心站）和集线器七、网桥、交换机及交换式以太网（一）网桥（二）交换机（三）虚拟局域网VLAN 八、其他类型局域网（一）无线局域网WLAN（二）IEEE802.16（三）蓝牙参考资料

前言

笔者系电子科技大学2019级在读本科生，针对本学期学校开设的计算机通信网课程，将学习笔记以博客形式上传到CSDN上以便日后复习整理，其中的瑕疵欢迎大家向我指正，在评论区多多交流讨论。（考后整理笔记，这波是《朝花夕夕夕夕夕拾》）

概念一、介质访问控制子层和广播式信道

广播式信道（又称多路访问信道）：（1）无线信道、同轴电缆（总线结构-T形头）、环网、双绞线（集线器-总线）、光纤（光柱-共享信道）（2）问题： a. 不能有多个站点同时发送——冲突 b. 接收站如何从帧流中识别送给自己的数据 PS：冲突——两个及以上的站点在同一个信道上发送，接收方因信号叠加等原因，从而无法识别任一条数据的现象。

信道分配：（1）中心分配（基站）VS 分布式分配（2）静态分配（静态分配子载波、带宽、时隙等） VS 动态分配

将数据链路层具体分成两个层：（1）逻辑链路控制（LLC， Logic Link Control）：关注两点之间的通信控制（2）介质（媒体）访问控制（MAC， Media Access Control）：关注在共享媒体上收发数据（更靠近物理层），解决广播信道访问时的冲突问题。

介质访问控制子层：（1）功能：控制广播式共享信道中的媒体访问，制定共同遵守的规则-多路访问信道、随机访问信道（2）媒体访问：数据收发的规则，主要式发送的规则（3）多个用户共享一个信道的控制方法：多路复用-TDM、FDM、多路访问-CSMA/CD

二、多路信道分配

共享信道的技术（1）分路复用技术——xDM={FDM、TDM、WDM} （2）分路多路访问（多址）技术——xDMA={FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA} （3）多路访问技术——xMA={ALOHA，CSMA}

不同：（1） xDM，一般有线，“复用/解复用器”，多数体现为静态提前分配子信道（2） xDMA，可无线按规则使用信道，多数体现为动态按需分配子信道（3） xMA，无中心，竞争式访问，也是动态

静态分配的效率和问题：

在这里插入图片描述

三、竞争式访问协议（一）ALOHA及时隙ALOHA（S-ALOHA）协议

ALOHA协议：发送有数据即发送，利用停等协议解决冲突，冲突现象很严重（主要是上行冲突，下行广播无冲突）

Sloted ALOHA（时槽式ALOHA）：（1）信道使用时间分成离散的时槽，每个时槽一帧数据，只能在时槽起始处发送帧，冲突要么完全重叠要么完全分开。（2）冲突窗口减小一半，吞吐量提高一倍-37%，每个帧的平均多延迟T/2

性能分析：在这里插入图片描述

（二）CSMA协议

CSMA（Carrier Sense Multiple Access）载波侦听多路访问：发送前侦听线路，线路空闲立即发送（竞争式），信道忙时要侦听直到信道空闲再按类型延迟或立即发送。

类型： 1坚持CSMA：以1的概率立即发送，前面一帧信号时间过长易冲突 P坚持CSMA：以P的概率立即发送，（1-P）随机延时后尝试发送 0坚持CMSA：以0的概率立即发送，都需进行随机延时后才发送在这里插入图片描述

（三）CSMA/CD协议

CSMA/CD（CSMA with Collison Detection）载波侦听多路访问/冲突检测——应用场景：有线局域网

冲突检测

发送过程中继续检测信道，以及时发现冲突冲突发生后立即停止正常发送发送短时冲突加深信号——帮助大家发现冲突

冲突判断方法

电平判断：信号叠加超过额定值逻辑判断：发送数据与同时收回来的数据不一致；集线器上有两个及以上的端口活动

冲突检测时间2ε ε为传播时延 = 距离/0.7倍光速（注：电缆）超过2ε后不再检测冲突（而冲突窗口时间 = ε）

停止发送——停止传输后随即延迟一段时间再发送延迟时间（以时间片为单位，一个时间片=最大冲突检测时间2ε）随机延时算法——截断二进制指数回退算法

输入：冲突次数输出：时间片个数（一个时间片=最大冲突检测时间）

在这里插入图片描述

（四）CSMA/CA协议

CSMA/CA（CSMA with Collision Avoidance）——场景：无线局域网-信道公用、无基站对等式

隐藏站点和暴露站点问题在这里插入图片描述冲突避免技术——MACA（Multiple Access with Collison Avoidance）冲突避免多路访问作用：

解决隐藏站点问题减轻暴露站点问题在这里插入图片描述

🔺PS：收到多个RTS后不发送CTS，使得其他站点各自随机延时后再发送RTS 在这里插入图片描述

四、非竞争式协议（此时没有冲突）（一）预定协议/位图协议

预定协议/位图协议：基本位图法，预定信道。在这里插入图片描述

（二）二进制倒计数法

自定方式——不预定信道，利用站点自带信息（地址）决定使用信道顺序在这里插入图片描述如上图：D第一个使用信道

（三）令牌传递

在这里插入图片描述

五、有限竞争协议

有限竞争协议——视情况采用竞争或无竞争方式

结论：

轻载时-竞争式协议具有地发送延时特性重载时-无冲突协议具有较高的信道利用率

协议——分组分时隙法

分组：组数——N；组内成员——M组间采用无竞争方式（固定时隙）；组内采用竞争方式轻载时——增加组内成员数量，减少组的数量【倾向竞争式】重载时——减少组内成员数量，增加组的数量【倾向无竞争式】六、共享式以太网

以太网（IEEE 802.3）——采用CSMA/CD的局域网 ①一根电缆连接所有站点：范围小、数传速率高、共享介质 ②物理层接口：同轴电缆接口（BNC）、双绞线接口（RJ45）、光纤接口（SC） ③采用曼彻斯特编码（10Mbps以太网）实现帧同步，编码效率低重要规定：

最小帧长64字节，最大帧长1518字节最多连续冲突次数：16次帧间间隔12字节（一）以太网MAC层帧格式

在这里插入图片描述 MAC地址（物理地址，网卡地址） “第一字节的最‘高’位”——第一字节的最低位

长度/类型字段在这里插入图片描述帧校验——32位CRC校验

（二）以太网分类

1、快速以太网

在这里插入图片描述

2、千兆以太网

在这里插入图片描述

3、万兆以太网

在这里插入图片描述

（三）共享式以太网（无中心站）和集线器

在这里插入图片描述集线器（工作在物理层）——将所有的数据无条件转发到所有的端口 🔺各端口共享同一带宽，是交换机的1/N

七、网桥、交换机及交换式以太网（一）网桥

网桥作用：连接不同的局域网；网桥技术目标：在隔离不同局域网之间的流量基础上实现连通。隔离冲突域，但并未隔离广播域。（“隔离”也是区别于集线器的地方）

网桥核心技术：接

收局域网上所有的帧，根据帧内目的地址进行转发（跨网才转发）——网间实现隔离，允许多个端口同时收发数据。采用存储转发技术——利用解封和重新封装，进行速率匹配、信号转换、协议转换等。工作在数据链路层。不同的LAN之间可能需要进行协议格式转换——不同LAN的帧格式不同，转换具有相当的难度。（包括重新计算校验和）

网桥的常用技术一、透明网桥（Transparent Bridge）——以太网交换机的主要技术，可视为交换机的别称。（网桥增加维护转发表的开销）在这里插入图片描述端口地址表：端口及该端口上的全部MAC地址反向地址学习法：“学习”帧中的源地址，记录到端口地址表中。以太网交换机成环问题——生成树协议：在环路情况下裁剪部分分支，变成一个树型拓扑。

二、源路由网桥（对用户来说是不透明的，帧中设置转发路径，增加主机开销）由源端在数据帧中指明转发路径，即经过的桥序列；网桥只关心自己是否在桥的序列中。

三、远程网桥网桥上用PPP协议封装以太网帧传输两边的以太网帧，“将两边的以太网合成一个以太网”。

（二）交换机

交换机原理：就是多端口桥。技术实现：

交换机的每个端口通常只连接一台计算机。交换机一般在相同类型的LAN端口间交换数据。交换机可采用部分存储转发技术（Cut Through），只存储目的地址部分就开始转发。在这里插入图片描述

交换式以太网——每个端口的带宽独立，总带宽是集线器N倍纯交换式网络——CSMA/CD作用不大多个交换机连接：（1）级联-组成大规模网络（2）层叠-多台变成一台，延时和带宽相同在这里插入图片描述

（三）虚拟局域网VLAN

虚拟交换机——>虚拟局域网

虚拟局域网两种形式 ① 单台交换机——任意多个端口一组形成一个VLAN ② 多台堆叠的交换机——跨交换机的多个端口形成一个VLAN 🔺一个VLAN就是一个广播域，一个IP网络。 🔺VLAN之间不连通，相互之间隔离，不同VLAN之间连通转发靠路由器。

VLAN操作 ① 交换机的控制界面生成VLAN并赋予VLAN ID（每个端口一个并且一个端口只位于一个VLAN中）。 ② 没有特别指定的VLAN端口默认VLAN 0。

VLAN种类 ① 按端口划分：最简单 ② 按MAC地址划分：灵活，终端可移动 ③ 按用户划分：最灵活，应用不广泛

VLAN具体实现 ① 交换机内部——根据帧出现的端口判断帧属于哪个VLAN ② 交换机之间——在帧中增加额外信息标定帧的VLAN

VLAN协议 802.3帧格式头部增加两个字段TPID（类型字段，说明是VLAN帧）、TCI（可认为是VLAN ID，表明帧VLAN属性）

Trunk端口 ① 交换机之间的连接及端口 ② Trunk口的帧需要封装VLAN协议头部

VLAN小结 ① 灵活组网 ② 降低交换式以太网广播风暴程度（减少带宽消耗） ③ VLAN之间接通需要路由器 ④ 三层交换机（L3交换机）内部相当于：一个虚拟路由器+若干二层交换机

八、其他类型局域网（一）无线局域网WLAN

WiFi——IEEE802.11协议在这里插入图片描述 🔺AP跟基站不同，AP只负责组织网络，不负责分配信道，仍然采用竞争式信道。

WLAN物理层（1）红外线IR （2）跳频扩频FHSS-常用扩频，军事上跳频更安全（3）直接序列扩频DSSS-类似CDMA （4）正交频分多路复用OFDM-常用300Mbps-1Gbps、5GHz WLAN的MAC层（1）操作模式：DCF是对CSMA的继承更常用、PCF是集中式信道控制（2） CSMA/CA技术-RTS/CTS

WLAN帧格式在这里插入图片描述 WLAN组网服务（1）独立基本服务组（IBSS）-没有中心站，形成单跳独立网络（2）扩展服务组（ESS）-有中心结构（AP），AP之间为有线 PS：两种组网形态互斥（3）服务：关联、保密、认证