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软考（软件设计师）计算机网络-物理层，数据链路层

news 2025/7/11 6:04:49

特性	局域网 (LAN)	城域网 (MAN)	广域网 (WAN)
覆盖范围	很小 (建筑、园区)	中等 (城市)	很大 (地区、国家、全球)
所有权	单一组织/个人	运营商/市政/大型机构	电信运营商/服务提供商
速度	非常高 (Gbps~10Gbps+)	高~中高 (Mbps~10Gbps+)	范围广 (Kbps~Gbps+，接入通常低于LAN/MAN)
延迟	非常低 (微秒级)	低~中 (微秒~毫秒级)	较高 (毫秒~百毫秒级+)
错误率	低	较低	相对较高 (依赖距离和链路质量)
成本	低 (相对范围)	中等	高 (尤其高速专线)
典型技术	以太网 (IEEE 802.3), WiFi (802.11)	光纤以太网, DWDM, MPLS, PON (光纤到户)	MPLS, SD-WAN, IPsec/SSL VPN, 互联网BGP, 专线 (SDH/SONET), 卫星
主要设备	交换机, AP, 路由器 (边界)	高端路由器, 核心交换机, 光传输设备	核心路由器 (运行BGP), SD-WAN设备, WAN优化器, 光传输设备

网络的拓扑结构
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计算机网络性能

一、性能指标（量化指标）

速率（Rate）
- 定义：数据传输速率
- 公式：无特定公式，直接表示
- 单位：bit/s（比特每秒）
- 常用单位换算：
  - 1 kbit/s = 10³ bit/s
  - 1 Mbit/s = 10⁶ bit/s
  - 1 Gbit/s = 10⁹ bit/s
带宽（Bandwidth）
- 时域定义：信道最高数据率
  - 单位：bit/s
- 频域定义：信号频率范围
  - 单位：Hz（赫兹）
吞吐量（Throughput）
- 定义：单位时间实际传输数据量
- 单位：bit/s（或 Byte/s、帧/秒）
时延（Delay）
- 总时延公式：
$(s)=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延\text{总时延 (s)} = \text{发送时延} + \text{传播时延} + \text{处理时延} + \text{排队时延}$
- 分项时延：

类型	公式	说明
发送时延	数据帧长度 (bit)/发送速率 (bit/s)	帧长：比特(bit)
传播时延	信道长度 (m)/传播速率 (m/s)	距离：米(m)；光速：3×10⁸ m/s
处理时延	设备处理时间	通常为毫秒(ms)级
排队时延	分组在队列等待时间	取决于网络拥塞程度

时延带宽积（Delay-Bandwidth Product）
- 公式：
  
  $(bit/s)\text{时延带宽积 (bit)} = \text{传播时延 (s)} \times \text{带宽 (bit/s)}$
往返时间（RTT, Round-Trip Time）
- 定义：双向交互一次所需时间
- 单位：s（秒）
- 典型场景：
  - 卫星链路：约 0.27 s
  - 光纤链路：每 1000 km 约 0.005 s
利用率（Utilization）
- 公式：
  
  $U\text{当前时延 } D \text{ (s)} = \frac{\text{空闲时延 } D_0 \text{ (s)}}{1 - \text{利用率 } U}$

二、非性能特征（定性指标）

费用：成本效益平衡
质量：可靠性、故障率
标准化：协议兼容性（如 TCP/IP）
可靠性：抗故障能力
可扩展性：支持未来扩容
管理维护：运维复杂度

计算机网络体系结构

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物理层

物理层关键功能

比特编码：将数据链路层的帧转换为物理信号
传输方式控制：
- 串行传输（主流：逐比特发送，如 USB、SATA）。
- 并行传输（淘汰：多线同步发送，如老式打印机接口）。
同步控制：确保收发双方时钟一致（如以太网的 前导码 同步时钟）。
物理介质管理：定义如何通过电缆/光纤/无线电传输比特。

传输媒体	物理层协议	应用案例
双绞线	IEEE 802.3 (以太网)	家庭宽带（Cat 6 线支持 1 Gbit/s）
同轴电缆	DOCSIS 3.1	有线电视宽带（HFC 网络）
光纤	ITU-T G.652	数据中心互联（100Gbase-LR 光模块）
无线电波	IEEE 802.11ac	Wi-Fi 6（5 GHz 频段，最高 9.6 Gbit/s）

数据链路层

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封装成帧

封装成帧的核心目的

界定帧的边界：使接收端能从接收的比特流中准确识别帧的开始和结束位置。
包含控制信息：首部和尾部携带必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等），确保数据正确传输。

封装成帧的过程

添加首部和尾部

数据链路层接收网络层的 IP 数据报后，在其前后分别添加首部（Header）和尾部（Trailer），形成完整的帧。首部包含帧定界符、地址信息等，尾部通常包含帧检验序列（FCS）用于差错检测。

帧的结构：
限制：帧的数据部分长度需不超过最大传送单元（MTU），以提高传输效率。

帧定界方法

当数据为可打印的 ASCII 码文本时，常用特殊控制字符作为帧定界符：

帧开始符（SOH）：标记帧的起始；
帧结束符（EOT）：标记帧的结束。

透明传输

一、核心问题：帧定界与数据冲突

数据链路层通过 “帧” 封装数据，帧的首部和尾部包含控制信息（如帧开始 / 结束标志）。若数据部分恰好出现与控制信息相同的比特序列（如帧结束标志），接收端会误判帧边界，导致传输错误。

例：若帧结束标志为EOT（十六进制04），而数据中恰好包含EOT，会被误认为帧结束，导致后续数据丢失。

二、解决方法

根据传输方式（异步 / 同步），透明传输通过以下两种填充技术实现：

1. 字节填充（字符填充，用于异步传输）

原理：发送端检测到数据中出现控制字符（如帧定界符SOH、EOT或转义符ESC）时，在其前插入转义符ESC（十六进制7D）；接收端删除插入的ESC，恢复原始数据。
实例：

原始数据（十六进制）：7E FE 27 7D 5E（含帧结束标志7E和转义符7D）

发送端填充后：7D 7E FE 27 7D 7D 5E

接收端恢复后：7E FE 27 7D 5E
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差错检测

可参考CRC

一、CRC 检验的基本原理

核心思想

发送端将数据划分为固定长度的组（如k比特），通过多项式运算生成一个n比特的冗余码（帧检验序列 FCS），附加在数据后形成k+n比特的帧发送。接收端通过相同的多项式运算验证冗余码，若结果为 0 则认为无差错，否则判定为出错。

关键步骤

多项式选择：收发双方约定一个n+1阶的生成多项式P(x)（如CRC-16 = x¹⁶ + x¹⁵ + x² + 1）。
冗余码计算：

数据M后添加n个 0，得到2ⁿ×M；
用P(x)对应的二进制数对2ⁿ×M做模 2 除法（加法不进位，减法不借位），得到的余数即为n比特冗余码。

二、实例说明（以 101001 为例）

已知条件

数据M = 101001（k=6比特）；
生成多项式P(x) = x³ + x² + 1，对应二进制1101（n=3比特）。

计算过程

数据后加 3 个 0：101001000；
模 2 除法：用1101除101001000，余数为001（冗余码）；
发送帧：101001001（数据 + 冗余码）。

接收端检验

对接收帧做同样的模 2 除法，若余数为 0 则无差错，否则丢弃帧。

三、图示：CRC 检验流程

四、CRC 的特点

检错能力：能检测出所有奇数个比特错、长度≤n的突发错，以及大部分更长的突发错。
局限性：属于无纠错能力的检错技术，若检测到错误，需通过上层协议（如 TCP）重传数据。

通过 CRC 检验，数据链路层可将未检测到的差错概率降至极低（如10⁻¹⁴以下），为数据传输提供基本可靠性保障。

PPP协议

PPP（Point-to-Point Protocol，点对点协议）是数据链路层的核心协议之一，主要用于在点对点链路（如用户计算机与 ISP 之间的拨号链路）上实现可靠的数据传输，是用户接入互联网时常用的链路层协议。

一、PPP 协议的核心原理

无连接与不可靠传输

PPP 协议不提供连接建立和释放的复杂流程，也不保证数据的可靠交付（不纠错、不重传），仅通过循环冗余检验（CRC） 检测错误：接收端对收到的帧进行 CRC 计算，若结果为 0 则认为无差错并接收，否则丢弃帧。

例：用户通过 ADSL 拨号上网时，计算机与运营商服务器间通过 PPP 协议封装数据，若传输中出现比特错误，接收端会直接丢弃错误帧，由上层协议（如 TCP）负责重传。

透明传输机制

为避免数据中出现与帧定界符（0x7E）冲突的比特序列，PPP 采用字节填充或零比特填充技术：

字节填充：数据中若出现 0x7E，发送端会在其前插入 0x7D，并将 0x7E 转换为 0x5E；接收端删除 0x7D，恢复原始数据。
零比特填充：同步传输时，每遇到 5 个连续 “1” 就插入 1 个 “0”，接收端删除插入的 “0”，确保不与帧标志（01111110）冲突。

二、PPP 协议的作用

链路控制：通过链路控制协议（LCP） 协商链路参数（如最大帧长、是否使用认证），建立和释放数据链路。

例：拨号连接时，LCP 会协商是否采用口令认证（如 PAP 或 CHAP），验证用户身份后建立链路。

网络层适配：通过网络控制协议（NCP） 支持多种网络层协议（如 IP、IPX），动态分配 IP 地址、配置 DNS等网络层参数。

例：用户拨号成功后，IPCP（IP 控制协议）会为用户分配临时 IP 地址，使其接入互联网。

三、PPP 协议的组成

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帧定界符（0x7E），标识帧的开始和结束

四、图示：PPP 协议工作流程

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信道利用率

信道利用率（Channel Utilization）：
指成功传输有效数据的时间占总信道时间的比例：
$\frac{T_{\text{有效}}}{T_{\text{总}}} \times 100\%$
其中：

( $T有效T_{\text{有效}}$ ) = 成功传输一帧中有效数据的时间（载荷部分）
( $T总T_{\text{总}}$ ) = 传输该帧的总时间（包括传输时间、传播时延、冲突时间、空闲时间等）

影响利用率的关键因素

1. 冲突（Collision）

以太网使用 CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）机制，冲突会导致时间浪费：
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2. 帧间隔（IFG）

帧之间需预留 9.6μs 空闲时间（10Mbps以太网）：
[ $TIFG=9.6μsT_{\text{IFG}} = 9.6 \mu s$ ]

3. 帧结构开销

每帧有 26字节固定开销：

前导码（7字节） + SFD（1字节）
目的MAC（6字节） + 源MAC（6字节）
类型（2字节） + FCS（4字节）

有效载荷占比：
[ $ηframe=LpayloadLpayload+26\eta_{\text{frame}} = \frac{L_{\text{payload}}}{L_{\text{payload}} + 26}$ ]

4. 传播时延（( \tau ))

信号在介质中传播的时间：
[ $τ=距离光速×速率因子\tau = \frac{\text{距离}}{\text{光速} \times \text{速率因子}}$ ]
（光纤中速率因子≈0.67）

极限利用率计算（理想模型）

在无冲突、无空闲的理想情况下，最大利用率由帧长和传播时延决定：
[ $Umax=TframeTframe+2τU_{\text{max}} = \frac{T_{\text{frame}}}{T_{\text{frame}} + 2 \tau}$ ]
其中：

( $TframeT_{\text{frame}}$ ) = 传输一帧所需时间
( $τ\tau$ ) = 单程最大传播时延
( $2τ2\tau$ ) = 往返时延（RTT），确保冲突可被检测

实际利用率（考虑冲突）

实际网络存在冲突，利用率显著降低。关键参数：

( $\frac{\tau}{T_{\text{frame}}}$ )（归一化传播时延）
( N ) = 竞争站点数
( p ) = 每个站点发送概率

利用率公式（Lam’s模型）：

[ $\frac{1}{1 + 2a \cdot (1 + \frac{A}{p})}$ ]
其中 ( $\frac{1 - (1 - p)^N}{N p (1 - p)^{N-1}}$ ) 是冲突系数

总结：

理想利用率： ( $\frac{T_{\text{frame}}}{T_{\text{frame}} + 2\tau}$ )
实际利用率受冲突、帧长、距离、站点数影响
现代以太网通过交换和全双工实现 >95% 利用率
关键优化方向：增大帧长、分割冲突域、升级协议

以太网MAC层

一、MAC层核心作用

以太网的MAC层（Media Access Control）是数据链路层的核心子层，主要承担三大功能：

帧封装与解封装
- 将网络层数据包封装成帧
- 从物理层接收比特流中提取有效帧
介质访问控制
- 协调多个设备共享信道（CSMA/CD协议）
- 避免传输冲突
寻址与转发
- 使用MAC地址标识设备
- 决定帧的转发路径

二、MAC帧结构详解

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字段	长度	功能说明
前同步码	7字节	`10101010`交替模式，用于时钟同步
帧开始定界符	1字节	`10101011`标识帧开始
目的MAC地址	6字节	接收方物理地址（FF:FF:FF:FF:FF:FF为广播地址）
源MAC地址	6字节	发送方物理地址
类型	2字节	上层协议类型（IPv4等）
数据	46-1500字节	有效载荷（IP数据包），最小46字节（不足需填充）
FCS	4字节	帧校验序列（CRC-32）

三、MAC地址

48位全局唯一标识（如：00:1A:2B:3C:4D:5E）
前24位：OUI（组织唯一标识符），由IEEE分配
后24位：设备序列号，由厂商分配
特殊地址：
- 广播地址：FF:FF:FF:FF:FF:FF

四、MAC层工作流程

发送端流程：

接收端流程：

五、MAC层关键服务

无连接服务
- 直接发送数据，无需建立连接
- 示例：ARP请求
不可靠交付
- 不保证帧到达，无重传机制
- 错误处理：校验失败直接丢弃
半双工/全双工支持
- 传统：半双工（CSMA/CD）
- 现代：全双工（交换机）

总结

物理地址管理：通过MAC地址唯一标识设备
高效介质共享：CSMA/CD解决信道竞争问题
可靠帧传输：CRC校验保障数据完整性

MAC层作为数据链路层的核心，在局域网通信中起着承上启下的关键作用，是现代网络通信不可或缺的基础组件。

虚拟局域网（VLAN）

一、VLAN核心原理

虚拟局域网（VLAN） 是一种将物理局域网在逻辑上划分为多个独立广播域的技术，通过软件配置而非物理位置实现网络分段。核心原理是在数据帧中添加VLAN标签（802.1Q标准），使交换机能够识别并隔离不同VLAN的流量。

二、VLAN核心作用

作用	说明	优势
广播控制	限制广播域范围	减少网络拥塞，提升性能
安全隔离	隔离敏感部门数据	防止未授权访问
灵活组网	按逻辑而非物理位置分组	简化设备移动管理
资源优化	减少路由需求	降低网络延迟

三、实际应用场景

总结：VLAN的核心价值

传统LAN局限	VLAN解决方案
广播域覆盖整个物理网络	多个逻辑广播域
物理位置决定网络分组	逻辑分组，位置无关
设备移动需重新布线	配置迁移，无需物理变更
安全策略基于物理边界	基于逻辑分组的精细控制