纯ALOHA协议

不监听信道，不按时间槽发送，随机重发。想发就发

如何检测冲突

如果发送冲突，接收方就会检测出差错，然后不予确认，发送方在一定时间内收不到就判断发生冲突。

冲突如何解决

超时后等一随机时间再重传。

缺点：发生成功率低

时隙ALOHA协议

时隙ALOHA协议的思想：把时间分成若干个相同的时间片， 若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。 所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道， 若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。控制想发就发的随意性

区别

纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低，效率更低。

纯ALOHA想发就发，时隙ALOHA只有在时间片段开始时才能发。

CSMA协议

载波监听多路访问协议CSMA (carrier sense multiple access)

CS：载波侦听／监听，每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。

当几个站同时在总线上发送时数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。但一个站检测到的信号电压摆动值超过一定门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞，即发生了冲突。

MA：多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

协议思想：发送帧之前，监听信道。

坚持CSMA

坚持指的是对于监听信道忙之后的坚持。

坚持CSMA思想：

如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。 空闲则直接传输，不必等待。

忙则一直监听，直到空闲马上传输。

如果有冲突（一段时间内未收到肯定回复），则等待一个随机长的时间再监听，重复上述过程。

优点：只要媒体空闲，站点就马上发送，避免了媒体利用率的损失。

缺点：假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。

非坚持CSMA

非坚持指的是对于监听信道忙之后就不继续监听。

非坚持CSMA思想

如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。

空闲则直接传输，不必等待。

忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。

优点：采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。

缺点：可能存在大家都在延迟等待过程中，使得媒体仍可能处于空闲状态，媒体使用率降低。

p-坚持CSMA

p-坚持指的是对于监听信道空闲的处理。

p-坚持CSMA思想：

如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。

空闲则以p概率直接传输，不必等待；概率1-p等待到下一个时间槽再传输。

忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。

优点：既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1一坚持算法那样减少媒体空闲时间的这种方案。

缺点：发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完，造成了浪费。

对比总结

CSMA/CD协议（难点）

载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection)

CS：载波侦听/监听，每一个站在发送数据之前以及发送数据时都要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。

MA：多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。总线型网络

CD：碰撞检测（冲突检测），“边发送边监听”，适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。半双工网络

传播时延对载波监听的影响

最迟多久能知道自己发送的数据没和别人碰撞

只要经过2τ的时间还没有检测到碰撞，就能肯定这次发送不会发生碰撞。

如何确定碰撞后的重传时机

使用截断二进制指数规避算法

1.确定基本退避（推迟）时间为争用期2τ。

2.定义参数k，它等于重传次数，但k不超过10，即k=min[重传次数，10]。当重传次数不超过10时，k等于重传次数；当重传次数大于10时，k就不再增大而一直等于10。

3.从离散的整数集合**[0,1,2k - 1]中随机取出一个数r，重传所需要退避的时间就是r倍的基本退避时间**，即2rτ。

4.当重传达16次仍不能成功时，说明网络太拥挤，认为此帧永远无法正确发出，抛弃此帧并向高层报告出错。

优点：

若连续多次发生冲突，就表明可能有较多的站参与争用信道。使用此算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数的增大而增大，因而减小发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定。

最小帧长

最小帧长 = 总线传播时延 x 数据传输速率 x 2

帧的传输时延至少要两倍于信号在总线中的传播时延。

以太网规定最短帧长为64B，凡是长度小于64B的都是由于冲突而异常终止的无效帧。

CSMA/CA协议

载波监听多点接入/碰撞避免CSMA/CA (carrier sense multiple access with collision avoidance)

产生背景

工作原理

发送数据前，先检测信道是否空闲。

空闲则发出RTS (request to send)，RTS包括发射端的地址、接收端的地址、下一份数据将持续发送的时间等信息；信道忙则等待。

接收端收到RTS后，将响应CTS (clear to send)。

发送端收到CTS后，开始发送数据帧（同时预约信道：发送方告知其他站点自己要传多久数据）。

接收端收到数据帧后，将用CRC来检验数据是否正确，正确则响应ACK帧。

发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧的发送，若没有则一直重传至规定重发次数为止（采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间）。

CSMA/CD和CSMA/CA比较

相同点

CSMA/CD与CSMA/CA机制都从属于CSMA的思路，其核心是先听再说。换言之，两个在接入信道之前都须要进行监听。当发现信道空闲后，才能进行接入。

不同点

传输介质不同：CSMA/CD用于总线式以太网【有线】，而CSMA/CA用于无线局域网【无线】。

载波检测方式不同：因传输介质不同，CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。 CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化； 而CSMA/CA采用能量检测（ED)、

载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。

CSMA/CD检测冲突，CSMA/CA避免冲突，二者出现冲突后都会进行有上限的重传。

轮询访问介质访问控制

轮询协议

主节点轮流”邀请“从属节点发送数据。

存在问题：轮询开销、等待延迟、单点故障

令牌传递协议

令牌：一个特殊格式的MAC控制帧，不含任何信息。

作用：控制信道的使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道。

每个结点都可以在一定的时间内（令牌持有时间）获得发送数据的权利，并不是无限制地持有令牌。

存在问题 ：令牌开销、等待延迟、单点故障

应用于令牌环网（物理星型拓扑，逻辑环形拓扑）。

采用令牌传送方式的网络常用于负载较重、通信量较大的网络中。

3.局域网、广域网

3.1局域网

局域网（Local Area Network)

简称LAN，是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，使用广播信道。

特点:

覆盖的地理范围较小，只在一个相对独立的局部范围内联，如一座或集中的建筑群内。

使用专门铺设的传输介质（双绞线、同轴电缆）进行联网，数据传输速率高（1OMb/s- lOGb/s)。

通信延迟时间短，误码率低，可靠性较高。

各站为平等关系，共享传输信道。

多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播。

决定局域网的主要要素为：网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法。

3.1.1 4种拓扑结构

星型拓扑

优点

中心节点是控制中心，任意两个节点间的通信最多只需两步，传输速度快。

网络构形简单、建网容易、便于控制和管理。

缺点

但这种网络系统，网络可靠性低，网络共享能力差， 有单点故障问题。

总线型拓扑（主流）

优点

网络可靠性高、网络节点间响应速度快、共享资源能力强。

设备投入量少、 成本低、安装使用方便。

当某个工作站节点出现故障时，对整个网络系统影响小。

环型拓扑

优点

系统中通信设备和线路比较节省。

缺点

有单点故障问题，由于环路是封闭的，所以 不便于扩充。

系统响应延时长，且信息传输效率相对较低。

树形拓扑

易于拓展，易于隔离故障， 也容易有单点故障。

3.1.2 局域网传输介质

3.1.3 介质访问控制方法

CSMA/CD 常用于总线型局域网，也用于树型网络。

令牌总线 常用于总线型局域网，也用于树型网络 它是把总线型或树’ci).网络中的各个工作站按一定顺序如按接口地址大小排列形成一 个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。

令牌环 用于环形局域网，如令牌环网

3.1.4 局域网的分类

以太网（EtherNet） 以太网以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网（10Mbps)、快速以太网（100Mbps)、 千兆以太网（1000

Mbps）和lOG以太网，它们都符合IEEE8O2.3系列标准规范。逻辑拓扑总线型，物理拓扑是星型或拓展星型。使用CSMA/CD。

令牌环网（Token Ring） 物理上采用了星形拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构，己是“明日黄花”。

FDDI网（Fiber Distributed Data Interface） 物理上采用了双环拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。

ATM网（Asynchronous Transfer Mode） 较新型的单元交换技术，使用53字节固定长度的单元进行交换。

无线局域网（Wireless Local Area Network；WLAN）

采用IEEE 802.11标准。

IEEE 802系列标准是IEEE 802 LAN/MAN标准委员会制定的局域网、城域网技术标准（1980年2月成立）。其中最广泛使用的有以太网、令牌环、无线局域网等。这一系列标准中的每一个子标准都由委员会中的一个专门工作组负责。

3.1.5 链路层的两个控制子层

IEEE 802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层。

LLC子层：LLC负责识别网络层协议，然后对它们进行封装。LLC 报头告诉数据链路层一旦帧被接收到时，应当对数据包做何处理。为网络层提供服务：无确认无连接、 面向连接、带确认无连接、高速传送。

MAC子层：MAC子层的主要功能包括数据帧的封装／卸装，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，

帧的差错控制等。MAC子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性。

3.2 以太网（局域网典型代表）

以太网（Ethernet）指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带总线局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术。

以太网在局域网各种技术中占统治性地位。

优势

造价低廉（以太网网卜不到100块）

是应用最广泛的局域网技术

比令牌环网、ATM网便宜，简单

满足网络速率要求：10Mb/s~10Gb/s

3.2.1 两个标准

DIX Ethernet V2：第一个局域网产品（以太网）规约。

IEEE 802.3：IEEE 802委员会802.3工作组制定的第一个IEEE的以太网标准。（802.3局域网 AKA

也相当于以太网）

3.2.2 提供服务

以太网只实现无差错接收，不实现可靠传输

无连接：发送方和接收方之间无“握手过程”。

不可靠：不对发送方的数据帧编号，接收方不向发送方进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠正由高层负责。

3.2.3 传输介质和拓扑结构的发展

传输介质

拓扑结构

使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网， 各站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议。

3.2.4 10BASE-T以太网

1OBASE-T是传送基带信号的双绞线以太网，T表示采用双绞线，现1OBASE-T采用的是无屏蔽双绞线 (UTP)，传输速率是10Mb/s。

物理上采用星型拓扑，逻辑上总线型，每段双绞线最长为l00m。

采用曼彻斯特编码。

采用CSMA/CD介质访问控制。

3.2.5 适配器与MAC地址

适配器：计算机与外界有局域网的连接的通过通信适配器的。

MAC地址：每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家（由IEEE规定），后24位厂家自己指定。常用6个十六进制数表示，如02-60-sc-e4-bl-21。

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。【实际上是标识符】

3.2.6 以太网MAC帧

最常用的MAC帧是以太网V2格式。

与IEEE 802.3的区别：

1．第三个字段是长度/类型

2．当长度/类型字段值小于0x0600时，数据字段必须装入LLC子层。

3.2.7 高速以太网

速率l00Mb/s的以太网称为高速以太网。

100BASE-T以太网

在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。 支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突。

吉比特以太网

在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号。 支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突。

10吉比特

10吉比特以太网在光纤上传送l0Gb/s信号。 只支持全双工，无争用问题。

3.3 无线局域网802.11

IEEE 802.11

IEEE 802.11是无线局域网通用的标准，它是由IEEE所定义的无线网络通信的标准。

802.11标准帧格式

标准帧格式：MAC帧头格式

格式分类

无线局域网的分类

有固定基础设施无线局域网

无固定基础设施无线局域网的自组织网络

3.4 广域网

概念

广域网（WAN, Wide Area

Network)，通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。

广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。如因特网（(Internet)

是世界范围内最大的广域网。

广域网常用链路层协议

PPP协议

HDLC协议

3.4.1 PPP协议

点对点协议PPP (Point-to-PointProtocol）是目前使用最广泛的数据链路层协议，用户使用拨号电话接入因特网时一般都使用PPP协议。 只支持全双工链路。

协议应满足要求

简单：对于链路层的帧，无需纠错，无需序号，无需流量控制。 封装成帧：帧定界符

透明传输：与帧定界符一样比特组合的数据应该如何处理：异步线路用字节填充，同步线路用比特填充。

多种网络层协议：封装的’P数据报可以采用多种协议。

多种类型链路：串行/并行，同步/异步，电/光 等。

差错检测：错就丢弃。

检测连接状态：链路是否正常工作。

最大传送单元：数据部分最大长度MTU。

网络层地址协商：知道通信双方的网络层地址。

数据压缩协商：发送时需要把数据进行压缩。

协议无需满足要求

纠错

流量控制

序号

不支持多点线路

三个组成部分（需实现功能）

一个将IP数据报封装到串行链路（同步串行／异步串行）的方法。

链路控制协议LCP：建立并维护数据链路连接，实现身份验证功能。

网络控制协议NCP：PPP可支持多种网络层协议，每个不同的网络层协议都要一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。

协议状态图

协议的帧格式

3.4.2 HDLC协议

高级数据链路控制（High-Level Data Link Control或简称H DLC)，是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织（ISO）根据IBM公司的SDLC(SynchronousData Link Control)协议扩展开发而成的。数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现。采用全双工通信。

所有帧采用CRC检验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重份，传输可靠性高。

HDLC的站

主站：主要功能是发送命令（包括数据信息）帧、接收响应帧，并负责对整个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错检测或恢复等。

从站：主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并且配合主站参与差错恢复等链路控制。

复合站：主要功能是既能发送，又能接收命令帧和响应帧，并且负责整个链路的控制。

三种数据操作方式

1．正常响应方式

2．异步平衡方式

3．异步响应方式

HDLC帧格式

3.4.3 PPP协议 VS HDLC协议

相同点

HDLC、PPP都只支持全双工链路。

都可以实现透明传输。

都可以实现差错检测，但不纠正差错。

不同点

帧格式：PPP面向字节，HDLC面向比特

协议字段：PPP有2个字节，HDLC没有

编号与确认机制：PPP没有，HDLC有

传输可靠性：PPP不可靠，HDLC可靠（HDLC少用主要是避免资源浪费，减低传输延迟）

4.链路层的设备

4.1 物理层扩展以太网

使用光纤

使用集线器

好处：① 跨域通信，② 扩大以太网覆盖的地理范围

缺点：通信效率变低、发生冲突概率变高

优化：使用链路层扩展以太网

4.2 链路层扩展以太网

网桥

网桥根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或者是把它丢弃（即过滤）。

网段：一般指一个计算机网络中使用同一物理层设备 （传输介质，中继器，集线器等）能够直接通讯的那一部分。

优点

过滤通信量，增大吞吐量。

扩大了物理范围。

提高了可靠性。

可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网。

分类

透明网桥：“透明”指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，是一种即插即用设备一一 自学习。

源路由网桥：在发送帧时，把详细的最佳路由信息（路由最少/时间最短）放在帧的首部中。

方法：源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧。

交换机

多接口网桥–以太网交换机

两种交换方式

直通式交换机 查完目的地址（6B）就立刻转发。

优点：延迟小

缺点：可靠性低，无法支持具有不同速率的端口的交换。

存储转发式交换机

将帧放入高速缓存，并检查否正确，正确则转发，错误则丢弃。

优点：可靠性高，可以支持具有不同速率的端口的交换。

缺点：延迟大

冲突域和广播域

冲突域：在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧。 简单的说就是同一时间内只能有一台设备发送信息的范围。

广播域：网络中能接收任一设备发出的广播帧的所有设备的集合。简单的说如果站点发出一个广播信号，所有能接收收到这个信号的设备范围称为一个广播域。