计算机网络


一、网络层次的划分

七层体系结构图
七层体系结构图

为了使不同计算机厂家生产的计算机能够相互通信,以便在更大的范围内建立计算机网络,国际标准化组织(ISO)在1978年提出了”开放系统互联参考模型”,即著名的OSI/RM模型(Open System Interconnection/Reference Model)。它将计算机网络体系结构的通信协议划分为七层,自下而上依次为:物理层(Physics Layer)、数据链路层(Data Link Layer)、网络层(Network Layer)、传输层(Transport Layer)、会话层(Session Layer)、表示层(Presentation Layer)、应用层(Application Layer)。其中第四层完成数据传送服务,上面三层面向用户。

除了标准的OSI七层模型以外,常见的网络层次划分还有TCP/IP四层协议以及TCP/IP五层协议,它们之间的对应关系如下图所示:

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1、物理层

物理层的作用:连接不同的物理设备,传输比特流。该层为上层协议提供了一个传输数据的可靠的物理媒体。简单的说,物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。

物理层设备:

  • 中继器【Repeater,也叫放大器】:同一局域网的再生信号;两端口的网段必须同一协议;5-4-3规程: 10BASE-5以太网中,最多串联4个中继器,5段中只能有3个连接主机;

  • 集线器:同一局域网的再生、放大信号(多端口的中继器);半双工,不能隔离冲突域也不能隔离广播域。
    信道的基本概念:信道是往一个方向传输信息的媒体,一条通信电路包含一个发送信道和一个接受信道。

单工通信信道:只能一个方向通信,没有反方向反馈的信道;

半双工通信信道:双方都可以发送和接受信息,但不能同时发送也不能同时接收;

全双工通信信道:双方都可以同时发送和接收。

2、数据链路层

(1)数据链路层概述

数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务,其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。

该层的作用包括:物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。

有关数据链路层的重要知识点:

  • 数据链路层为网络层提供可靠的数据传输;
  • 基本数据单位为帧;
  • 主要的协议:以太网协议;
  • 两个重要设备名称:网桥和交换机。

封装成帧:“帧”是数据链路层数据的基本单位:

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透明传输:“透明”是指即使控制字符在帧数据中,但是要当做不存在去处理。即在控制字符前加上转义字符ESC。

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(2)数据链路层的差错监测

差错检测:奇偶校验码、循环冗余校验码CRC

  • 奇偶校验码–局限性:当出错两位时,检测不到错误。

  • 循环冗余检验码:根据传输或保存的数据而产生固定位数校验码。

奇偶校验

在数字通信系统中,奇偶校验通过设置规则来检查一组给定的位中1的数量。如果采用奇校验,那么每个数据单元(如字节)中1的总数必须是奇数;如果采用偶校验,则这些1的总数必须是偶数。

校验位的计算

  • 奇校验:如果数据单元中1的数量已经是奇数,则校验位设置为0;否则,校验位设置为1。
  • 偶校验:如果数据单元中1的数量已经是偶数,则校验位设置为0;否则,校验位设置为1。

示例:

假设数据单元为8位,并且使用奇校验:

  • 数据 10110011 中有5个1,因此符合奇数要求,校验位为0。
  • 数据 11001010 中有4个1,不符合奇数要求,校验位为1。

校验过程

发送方在数据末尾添加校验位,形成校验单元后发送。接收方收到数据后,重新计算校验位,并与接收到的校验位进行比对。如果两者相同,则认为数据传输正确;如果不同,则意味着在传输过程中出现了错误。

类型

单比特奇偶校验

单比特奇偶校验针对单个数据单元(通常是字节)进行校验,能够检测出单个比特的错误。

两维奇偶校验

两维奇偶校验(也称为矩阵校验或交叉奇偶校验)在数据块的每行和每列都进行奇偶校验,能够提供更强的错误检测能力。它不仅可以发现单比特错误,还能定位出错的行和列。

缺点

无法检测多位错误

奇偶校验无法有效检测两位或多位(偶数位)的错误,因为两个错误可能会互相抵消,使得校验位看起来仍然正确。

无纠错能力

奇偶校验只能检测错误,但不能确定错误的具体位置,更不能修正错误,需要更高级的错误检测和纠正方法(如CRC、Hamming码等)。

效率问题

由于需要额外的校验位,奇偶校验会略微降低数据传输的效率。

(3)最大传输单元MTU

最大传输单元MTU(Maximum Transmission Unit),数据链路层的数据帧不是无限大的,数据帧长度受MTU限制.

路径MTU:由链路中MTU的最小值决定。

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(4)以太网协议详解

MAC地址:每一个设备都拥有唯一的MAC地址,共48位,使用十六进制表示。

以太网协议:是一种使用广泛的局域网技术,是一种应用于数据链路层的协议,使用以太网可以完成相邻设备的数据帧传输:

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局域网分类:

Ethernet以太网IEEE802.3:

  • 以太网第一个广泛部署的高速局域网
  • 以太网数据速率快
  • 以太网硬件价格便宜,网络造价成本低

以太网帧结构:

  • 类型:标识上层协议(2字节)
  • 目的地址和源地址:MAC地址(每个6字节)
  • 数据:封装的上层协议的分组(46~1500字节)
  • CRC:循环冗余码(4字节)
  • 以太网最短帧:以太网帧最短64字节;以太网帧除了数据部分18字节;数据最短46字节;

MAC地址(物理地址、局域网地址)

  • MAC地址长度为6字节,48位;
  • MAC地址具有唯一性,每个网络适配器对应一个MAC地址;
  • 通常采用十六进制表示法,每个字节表示一个十六进制数,用 - 或 : 连接起来;
  • MAC广播地址:FF-FF-FF-FF-FF-FF。