📝 主旨内容

第一章 概述

1. 结构

• 按地域规模 - 个域网PAN、局域网LAN、城域网MAN、广域网WAN

• 局域网和广域网的关键区别在于技术和协议，一个是广播技术，一个是点对点的技术

1. 互联网构成

• 网络边缘
• 端系统：位于互联网边缘与互联网相连的计算机和其他设备
• 端系统由各类主机(host)构成：桌面计算机、移动计算机、服务器、其他智能终端设备

• 网络核心
• 目标：将海量的端系统互联起来
• 由互联端系统的分组交换设备和通信链路构成的网状网络
• 分组交换（路由器、链路层交换机）
• 通信链路（光纤、铜缆、无线电、激光链路）

1. 接入网目标

• 接入网的目标是将主机连接到边缘路由器上

• 边缘路由器是端系统Host去往任何其他远程端系统的路径上的第一台路由器

1. 物理介质

• 传输单位 - bit

• 物理媒体 - 即发射机与接收机之前的具体的链路介质
• 引导型介质：信号在固体介质中传播，例如铜、光纤、同轴电缆
• 非引导型介质：信号自由传播，例如无线电（陆地无线电、卫星无线 电信道 )

1. 网络边缘

• 主机 Host
• 客户端：便携机、智能手机、平板电脑，智能手环等各类智能终端
• 服务器（服务器通常位于数据中心）各层协议的基本工作原理及

• 主机的功能
• 容纳（即运行）各层协议的基本工作原理及应用程序
• 产生信息并向接入网发送数据
• 从网络接收数据并提供给应用程序

1. 网络核心

• 目标：将海量的端系统互联起来

• 由各类交换机（路由器）和链路构成的网状网络

1. 交换类型

• 电路交换
• 电路交换通常采用面向连接方式
• 先呼叫建立连接，实现端到端的资源预留
• 预留的资源包括：链路带宽资源、交换机的交换能力
• 电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，资源专用，即使空闲也不与其他连接共享
• 由于建立连接并预留资源，因此传输性能好；但如果传输中发生设备故障，则传输被中断

• 报文交换
• 存储&转发 - 路由器需要接收到完整的整个数据报文后，才能开始向下一跳发送
• 存储转发带来报文的传输延迟
• 将L位数据报文，以R bps的速率，发送到链路中： 需要L/R秒

• 分组交换
• 将大报文拆分成多个小分组
• 通信双方以分组为单位、使用存储转发机制，实现数据交互的通信方式
• 以分组作为数据传输单元，每个分组的首部都含有地址（目的地址和源地址）等控制信息
• 每个分组在互联网中独立地选择传输路径
• 支持灵活的统计多路复用

1. 网络协议

• 网络协议
• 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定，即网络协议 (network protocol)
• 通信双方需要共同遵守，互相理解

• 三要素
• 语法：规定传输数据的格式（如何讲）
• 语义：规定所要完成的功能（讲什么）
• 时序：规定各种操作的顺序（双方讲话的顺序）

• 协议分层结构
• 层次栈（ Protocol stack ） - 为降低网络设计的复杂性，网络使用层次结构的协议栈，每一层都使用其下一层所提供的服务，并为上层提供自己的服务
• 对等实体 (Peer) - 不同机器上构成相应层次的实体成为对等实体
• 接口 (Interface) - 在每一对相邻层次之间的是接口，其定义了下层向上层提供哪些服务原语
• 网络体系结构 (Network infrastructure) - 层和协议的集合为网络体系结构，一个特定的系统所使用的一组协议，即每层的协议，称为协议栈

1. 服务

• 典型服务：面向连接传输服务，无连接传输服务

• 服务由一组可用于用户进程以访问服务的原语（操作）形式指定

• 原语告诉服务执行某些操作或报告对等实体所采取的操作

• 两种不同类型的服务：
• 面向连接 - 类似于同步机制，需要双方建立连接，每个“请求”或“响应”后，都在对方产生一个“指示”或“确认”动作
• 无连接 - 类似于异步机制，传输过程不需要应答

• 六个核心服务原语（以面向连接服务为例）

• 服务与协议的关系
• 协议是“水平”的，服务是“垂直”的
• 实体使用协议来实现其定义的服务
• 上层实体通过接口使用下层实体的服务

1. 模型

• 比特流（bit）：物理层/一层。

• 数据帧（frame）：数据链路层/二层。

• 数据包/报文分组（packet）：网络层/三层。

• 数据报（datagram）：传输层 UDP/四层。

• 数据段（segment）：传输层 TCP/四层。

• 消息/报文（message）：三层以上，通常指应用层/七层。

1. 度量单位

• 比特率 (bit rate) - 主机在数字信道上传送数据的速率，也称数据率
• 比特率的单位是 b/s，也可以写为 bps bit per second

• 带宽 - 网络中某通道传送数据的能力，即单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”
• 单位是 bit/s

• 包转发率 (PPS) - 全称是 Packet Per Second，表示交换机或路由器等网络设备以包为单位的转发速率
• 线速转发：交换机端口在满负载的情况下，对帧进行转发时能够达到该端口线路的最高速度

• 时延 (delay & latency) - 是指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间，也称为延迟，包括：
• 传输时延 (transmission delay) - 数据从结点进入到传输媒体所需要的时间，传输时延又称为发送时延
• 传播时延 (propagation delay) - 电磁波在信道中需要传播一定距离而花费的时间
• 处理时延 (processing delay) - 主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）各层协议的基本工作原理及所花费的时间
• 排队时延 (queueing delay) - 分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延

• 往返时延 RTT(Round-Trip Time) - 从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，经历的总时间
• 可用于判断网络的通断性、测试网络时延、计算数据包丢失率等

• 时延带宽积 = 传播时延 * 带宽，即按比特计数的链路长度
• 若发送端连续发送数据，则在发送的第一个 bit 即将达到终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个 bit ，而这些 bit 都在链路上向前移动

• 吞吐量 (throughput) - 单位时间内通过某个网络 ( 或信道、接口 ) 的数据量，单位是 b/s

• 有效吞吐量 (goodput) - 单位时间内，目的地正确接收到的有用信息的数目（以 bit 为单位）

• 利用率
• 信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的
• 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值

• 丢包率 - 所丢失数据包的数量占所发送数据包的比率

• 时延抖动 - 变化的时延称为抖动（Jitter）
• 时延抖动起源于网络中的队列或缓冲，抖动难以精确预测
• 在语音、视频多媒体业务中，抖动往往会严重影响用户的体验

• 延迟丢包 - 在多媒体应用中，由于数据包延迟到达，在接收端需要丢弃失去使用价值的包

二、物理层

基础概念

DTE 数据终端设备

• 一种具有一定的数据处理和转发能力的设备

• 可以是数据的源点或终点

DCE 数据电路终结设备

• 在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能

• 负责建立、保持和释放数据链路

 

通信基础

传输方式

1. 数字通信和模拟通信
• 以模拟信号（连续变化）来传送消息的通信方式称为模拟通信，而传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统
• 以数字信号（离散变化）来传送消息的通信方式称为数字通信，而传输数字信号的通信方式称为数字通信系统
• 模拟信号和数字信号在传输过程中可以相互变换，即A/D和D/A

2. 串行传输和并行传输
• 串行传输 - 指数据在一个信道上按位依次传输的方式
• 其特点是：
• 所需线路数少，投资省，线路利用率高
• 在发送和接收端需要分别进行并/串和串/并转换
• 收发之间必须同步，适用于远距离数据传输
• 并行传输 - 指数据在多个信道上同时传输的方式
• 其特点是：
• 在终端装置和线路之间不需要对传输代码作时序变换
• 需要n条信道的传输设施，故其成本较高，适用于要求传输速率高的短距离数据传输

3. 单工、半双工和全双工
• 单工 - 指两个站之间只能沿一个指定的方向传送数据信号
• 半双工 - 指两个站之间可以在两个方向上传送数据信号，但不能同时进行，又称“双向交替”模式，发/收之间的转向时间为20～50ms
• 全双工 - 指两个站之间可以在两个方向上同时传送数据信号

4. 异步传输和同步传输

• 异步传输 - 被传送的每一个字符一般都附加有1个起始位和1个停止位，起始位与停止位的极性不同，为了保证正确接收，利用一个频率为传输比特率的n(=16)倍的时钟，在每一个比特周期的中心采样

• 同步传输 - 每一个字符使用起止位按位进行传送，数据块以帧作为整体传输，并做到：
• 发/收之间的位同步
• 每一帧建立同步标志，建立帧同步

1. 基带传输和频带传输

数据编码技术

1. 归零编码（RZ）
• 原理：高电平代表 1，低电平代表 0，每个时钟周期的中间均跳变为低电平，接收方可以根据该跳变调整时钟。

2. 不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero）
• 原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”，低电平表示“0”，高电平表示“1”
• 缺点：
• 难以分辨一位的结束和另一位的开始
• 发送方和接收方必须有时钟同步
• 若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加
• 结论：容易产生传播错误

3. 曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码（以太网使用）
• 原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”
• 优点：克服了NRZ码的不足，每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步
• 以太网使用曼彻斯特编码

4. 差分曼彻斯特码（Differential Manchester）
• 原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据
• 优点：时钟、数据分离，便于提取

5. NRZI 码
• 逢1变化的NRZ码 - 在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变
• 逢0变化的NRZ码 - 在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳变
• USB 2.0 使用 NRZI 码编码

频带传输

性能度量

传输介质

导引型传输介质

非导引型传输介质

1. 散射传输（无线电波）

1. 地面微波

1. 光波传输

物理接口特性

无线与卫星通信

多路复用技术

频分复用 FDM

时分复用 TDM

统计时分复用 STDM

波分复用 WDM

码分复用 CDMA

1. TDM与FDM相比，抗干扰能力更强，可以逐级再生整形，避免干扰的积累。FDM更适合传输模拟信号，TDM适合传输数字信号。

2. 多路复用器可以结合来自两条或多条线路的传输

3. T1：125微秒一次采样，包含 24 条被复用在一起的信道，每个信道有 8 bit（7个数据位，1个信令位），外加 1 bit 的控制位，故每 125ms 产生 24*8+1=193 bits。
• data rate: 1.544Mbps
E1：125微秒一次采样，包含 32 个信道（30个传输信息，2个信令 ），每个信道有 8bit。
• data rate: 2.048Mbps

4. PCM 脉冲编码调制，每秒采样 8000 次（125 微秒/样值），用于将模拟信号数字化，是现代电话系统的核心。

三、数据链路层

Intro

成帧

成帧（framing）的方式

字节计数法 (Byte Count)

• 计数错误将导致连续错误

带字节填充的定界符法 (Flag Bytes with Byte Stuffing)

定界符（FLAG）：一个特殊的字节，比如 01111110，即 0x7E，用于区分前后两个不同的帧

• 有效载荷中可能出现定界符，可使用转义字符：

带比特填充的定界符法 (Flag Bits with Bit Stuffing)

若在有效载荷中出现连续5个1比特，则直接插入1个0比特：

更容易由硬件实现，性能优于字节填充。

物理层编码违例 (Physical layer coding violations)

核心思想：选择的定界符不会在数据部分出现

4B/5B编码方案 - 4比特数据映射成5比特编码，剩余的一半码字（16个码字）未使用，可以用做帧定界符

• 例如： 00110组合不包含在4B/5B编码中，可做帧定界符

前导码 - 存在很长的 前导码（preamble），可以用作定界符

• 例如：传统以太网、802.11

曼切斯特编码 / 差分曼切斯特编码

• 正常的信号在周期中间有跳变，持续的高电平（或低电平）为违例码，可以用作定界符

• 例如：802.5令牌环网

差错控制

流量控制

差错检测和纠正

典型检错码

典型纠错码

序号（SEQ：sequence number）

• 接收方需要区分到达的帧是第一次发来的新帧

• 让发送方在发送的帧的头部放一个序号，接收方可以检查它所收到的帧序号，由此判断这是个新帧还是应该被丢弃的重复帧。

序号所需要的最小位数（bits）

• 在这个协议中，唯一不明确的地方出现在当前帧（序号m）和它的直接后续帧（序号m+1）

• 1 bit序号(0或1)就足以满足要求。

自动重复请求，或带有重传的肯定确认

• ARQ(Automatic Repeat reQuest)

• PAR(Positive Acknowledgement with Retransmission)

PPP 和 HDLC 是当前使用最广泛的广域网数据链路层控制协议。

PPP 工作状态及转换

• 在点对点链路上建立通信，通信双方通过LCP报文进行配置和测试链路

• 对等实体进行身份认证（可选）

• PPP 协议必须发送NCP报文来选择和配置一个或多个网络层协议

• 双方网络层协议可以通过PPP链路发送数据报，并持续通信

• LCP或NCP数据报显式关闭链路，或者异常事件导致关闭链路

• PPP协议的状态转换图中共设置了六个状态： 链路静止、链路建立、身份认证、网络连接、数据通信、链路终止

• PPP协议中通过一些外部事件来触发状态的变迁，如： 链路启动、LCP配置协商、鉴别成功、NCP配置协商、链路关闭、链路终止等
• 链路静止状态下，通信双方尚无链路
• 当线路监测到载波信号时，建立物理连接，线路变为建立状态。
• 此时LCP开始配置协商，商定成功后进入身份验证状态。
• 身份验证通过后（一般不需要身份验证），进入网络链接状态。
• PPP 支持两种认证方式，PAP 和 CHAP
• PAP 在传输密码时是明文，CHAP 在传输过程中不传输密码，而传输 Hash 值，故安全性更高。
• PAP 认证采用两次握手实现，CHAP 采用三次握手实现。
• PAP 认证是由被叫方提出链接申请，主叫方响应；CHAP 则由叫方发出请求，被叫方回复一个数据报。这个暑数据包中有主叫方发送的随机哈希值，主叫方确认无误后发送一个连接成功的数据报链接。
• 此时进行NCP配置协商，成功后进入数据通信状态。
• 传输结束后链路终止。

PPP 协议的帧

• PPP的标志字段（F）为 0x7E(01111110)，转义字符为 0x7D(01111101)

• 地址字段A占一字节，规定为 0xFF

• 控制字段C占一字节，规定为 0x03

• 协议字段说明了信息段中运载的分组种类：以比特0开始的是网络层协议（如IP，IPX，AplleTalk等），以比特1开始用来被用来协商其他协议。

• 信息段的长度是可变的，在 0～1500B 之间。

• FCS 是帧检验序列，占2字节，即循环冗余码中的冗余码。

1. 自动重传请求 Automatic Repeat reQuest ARQ - 通过接收方请求发送方重传出错的数据来恢复出错的帧，是通信中用于处理信道所带来差错的方法之一。传统的 ARQ 有三种：
• 停止-等待：相当于发送窗口和接受窗口都是 1
• 回退N：
• 选择重传：（一般）

2. 广域网和局域网

ㅤ	广域网	局域网
覆盖范围	很广，通常跨区域	较小，通常在一个区域内
连接方式	点到点链接，为了提高可靠性，一个节点交换机往往与多个节点交换机相连	普遍采用多点接入技术
OSI参考模型	三层：物理层、数据链路层、网络层	两层：物理层、数据链路层
着重点	强调资源共享	强调数据传输

广域网
• 使用的是结点交换机而不是路由器，广域网是单一网络，而互联网可以链接各种网络，结点交换机和路由器的工作位置不同。
• 通信子网使用分组交换技术，且是存储转发式的传输方式。

3. “链路”与“数据链路”
• 链路 - 指的是一个节点到另一个节点的物理线路，其中间没有其他的交换节点，也称物理链路。两个端进行通信时需要许多这样的链路。
• 数据链路 - 指的是“链路+协议”，也成为逻辑链路。这些协议指的是控制数据传输的协议。
• 链路链接是不可靠的，还需要建立数据链接才能实现可靠的传输。

4. PPP 为什么在异步传输中使用字节填充不像HDLC一样使用比特填充？
PPP 是被设计为用软件实现的，而不像HDLC一样通常使用硬件实现。在软件上对字节的操作比位操作容易得多。

信道分配

• 信道：信号的通道
• 比如：双绞线、铜缆、光纤、卫星、空气等

• 点到点信道：信道直接连接两个端点

• 多点访问信道： 多用户共享一根信道
• 早期星型拓扑是集线器，现在几乎都是交换机

• 局域网拓扑 - 总线拓扑、星型拓扑、环型拓扑
• 共同点：共享一根信道（别称：广播信道、多路访问信道、随机访问信道）

静态分配

多路访问协议

1. 随机访问协议 - 冲突不可避免

2. 受控访问协议 - 克服冲突

3. 有限竞争协议 - 利用上述两者的优势

随机访问

特点：

• 冲突：两个或以上的帧

• 随时可能冲突

• 冲突的帧完全破坏

• 破坏了的帧要重传

单向传播延迟Delay - D

• 冲突危险期 - 2D

• 生成帧均值 - 2G

• 不遭受冲突的概率 -

将 代入得

求导有

此时 ，即纯ALOHA信道的利用率最高为 18.4%

分隙ALOHA

分隙ALOHA是把时间分成时隙（时槽）

• 时隙的长度对应一帧的传输时间

• 帧的发送必须在时隙的起点

• 冲突只发生在时隙的起点

此时冲突危险期为 D ，易算出 ，当 时 最大为 36.8%

非持续式CSMA

1-持续式 CSMA

p-持续式CSMA

信号传输速度：0.65C

t0时刻：甲侦听后发送，到达乙约需5微妙

t1时刻：乙侦听后发送

t2时刻：冲突

t3时刻：乙检测到冲突

t4时刻：甲检测到冲突

CSMA/CD

指数退避算法

性能比较

受控访问协议

令牌传递

令牌 - 发送的权限

令牌的运行 - 发送工作站去抓取，获得发送权

• 除了环，令牌也可以运行在其它拓扑上，如令牌总线

• 发送的帧需要目的站或发送站将其从共享信道上去除，防止无限循环

• 令牌传递适合负载很高的信道。

缺点 - 令牌的维护代价

Note - 令牌不能无限制的持有。

二进制倒计数协议

站点 - 编序号，序号长度相同

竞争期 - 有数据发送的站点从高序号到低序号排队，高者得到发送权

特点 - 高序号站点优先

效率分析

• N个站的二进制编码所需位数是 位

• 信道的利用率为

• 如果规定每个帧的帧头为发送地址，即竞争的同时也在发送，则效率为100%

一些问题

• 低序号站点的Starvation（循环地址）

• 时间同步困难

• 信道支持要求太高

 

有限竞争协议

自适应树搜索协议

在一次成功传输后的第一个竞争时隙，所有站点同时竞争。

• 如果只有一个站点申请，则获得信道。

• 否则在下一竞争时隙，有一半站点参与竞争（递归），下一时隙由另一半站点参与竞争

• 即所有站点构成一棵完全二叉树

以太网

经典以太网

以太网

经典以太网

以太网

经典以太网

一些解析

前导码

地址

这里的地址都是硬件地址（物理地址），即MAC

MAC帧中的源地址和目的地址长度均为 6 字节

单播（unicast）： 5C-26-0A-7E-4E-4C 广播（broadcast）：FF-FF-FF-FF-FF-FF 组播（multicast）： 01-00-5E-00-00-00

类型/Length

Ethernet V2将其视为上一层的协议类型，IEEE802.3将其视为数据长度。

故如果小于 0x05dc 则为802.3，否则是 Ethernet V2

数据

46 ~ 1500字节

最小帧长 = 46+18 = 64B

最大帧长 = 1500+18 = 1518B （MTU：1500B）

数据字段不足46字节，需要填充整数字节（Padding）至46字节，以保证以太网MAC帧不小于64字节。

📌

以太网规定最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

• 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内

• 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节

• Why 64B ？
802.3规范中的10Mbps以太网，最大长度为2500米，具有4个中继器，在最差情况下往返一次时间大约是50微秒，在这个时间内能发送500bit，加上安全余量增加至51bit，即64Bytes。

校验和

FCS Frame Check Sequence 帧检测序列 - 使用 CRC32 计算除了校验和以外的其他字段

对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃，以太网不负责重传丢弃的帧。

• 数据字段的长度与长度字段的值不一致；

• 帧的长度不是整数个字节；

• 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；

• 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。

交换式以太网

集线器式以太网

使用集线器HUB组建以太网

• Hub所有端口内部都是连通的

• 使同一根总线

• 和Repeater一样，也是物理层设备

使用Hub扩展以太网

• 集线器不能增加容量

• 用集线器组成更大的局域网都在一个冲突域中

• Hub级连：限制了网络的可扩展性

内部连接所有线缆，逻辑上等同于单根总线的经典以太网

所有站都位于同一个冲突域，必须使用CSMA/CD协议

交换式以太网

• 核心是交换机Switch

• 工作在数据链路层，检查MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发

• 交换机通过高速背板把帧传送到目标端口

 

内部通过高速背板连接所有端口

每个端口都有独立的冲突域，在全双工模式下端口可以同时收发，则不需要CSMA/CD

可以实现并行传输

速分以太网

数据链路层交换

网桥

网桥对于入境帧的处理：

Forwarding 转发

逆向学习源地址，并根据目的地址，查询MAC地址表

如果没有查到对应的表项，则进行广播

Filtering 过滤

逆向学习源地址，并根据目的地址，查询MAC地址表

如果发现是在同一域内，则直接丢弃

Flooding 泛洪

找不到匹配表项，从所有端口（除了入境口）发送出去

一个网段的数据被发送到无关网段，存在安全隐患，且浪费网络资源

两种目的地址的帧，需要泛洪：

• 广播帧：目的地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的数据帧

• 未知单播帧：目的地址不在MAC地址转发表中的单播数据帧

链路层交换机

交换模式 - 从转发时机的角度

存储转发模式（Store and Forward）

特点：转发前必须接收整个帧、执行CRC校验

缺点：延迟大

优点：不转发出错帧、支持非对称交换

直通模式（Cut-through）

特点：一旦接收到帧的目的地址，就开始转发

缺点：可能转发错误帧、不支持非对称交换

优点：延迟非常小，可以边入边出

此时交换机只需要接受到 6 个字节就可以开始转发了（不包含前导码）

无碎片模式（Fragment-free）（一般不使用）

特点：接收到帧的前64字节，即开始转发

缺点：仍可能转发错误帧，不支持非对称交换

优点：过滤了冲突碎片，延迟和转发错帧介于存储转发和直通交换之间

生成树协议

物理环路引发的问题

广播风暴

交换机（网桥）在物理环路上无休止地泛洪广播流量，无限循环，迅速消耗网络资源。

重复帧

X发送到环路的单播帧，造成目的设备Y收到重复的帧。

Mac地址表不稳定（漂移）

当一个帧的多个副本到达不同端口时，交换机会不断修改同一MAC地址对应的端口。

STP

生成树的三个选举过程：

选举根桥(Root Bridge)

• 同一广播域中的所有交换机均参与选举；

• 桥ID最小的交换机（网桥）成为生成树的根；

• 在给定广播域内只有一个根桥，其它均为非根桥。

• 根桥的所有端口都处在转发状态。

📌

如何比较桥ID？ - 首先比较优先级，优先级数值最小的交换机胜出成为根桥。 - 如果优先级数值相等，MAC地址最小的交换机成为根桥。

为每个非根桥选出一个根端口（Root Port）

• 每个非根桥，通过比较其每个端口到根桥的根路径开销，选出根端口；

• 具有最小根路径开销的端口被选作根端口；

• 如果多个端口的根路径开销相同，则端口ID最小的端口被选作根端口；

• 非根桥只能有一个根端口，根端口处于转发状态

📌

什么是根路径开销？ - 根桥的根路径开销为0 - 非根桥的根路径开销为到根桥的路径上所有端口（链路）开销之和

端口（链路）开销值由IEEE定义，也可通过手工配置改变：

为每个网段确定一个指定端口（Designated Port）

• 对于每一个网段， 在所有连接到它的交换机（网桥）端口中进行选择；

• 一个具有最小根路径开销的端口，作为该网段的指定端口；

• 指定端口处于转发状态，负责该网段的数据转发；

• 连接该网段的其他端口，若既不是指定端口，也不是根端口，则阻塞。

当且仅当所有端口处于 转发/阻塞 状态时，生成树收敛（处于稳定状态）

端口角色确定为指定端口或根端口后，从Blocking状态经Listening和Learning才能到Forwarding状态；

默认的Forwarding Delay时间是15秒，能保证当网络的拓扑发生改变时，新的配置信息能够传遍整个网络，从而避免由于网络为收敛而造成临时环路。

当由交换机（网桥）或链路故障导致网络拓扑改变时，重新构造生成树。

• 此时交换机会向根桥发送TCN报文进行通知

• 交换机D的端口F0/2从Blocking状态到Forwarding状态至少要经过两倍Forwarding Delay时间，导致网络的连通性至少要30秒之后才能恢复。

交换机D的端口F0/2从Blocking状态到Forwarding状态至少要经过两倍Forwarding Delay时间，导致网络的连通性至少要30秒之后才能恢复。

RSTP

虚拟局域网

无线局域网

介质访问控制

无线传输相关的“范围”

• 传输范围(TX-Range)：成功接收帧的通信范围，取决于发送功率和无线电波传输特性

• 物理层侦听范围（PCS-Range ）：检测到该传输的范围，取决于接收器的灵敏度和无线电波传输特性

• 干扰范围（IF-Range ）：在此范围内的节点如果发送不相关的帧，将干扰接收端的接收并导致丢帧

隐藏终端问题

• 由于距离太远（或障碍物）导致站点无法检测到竞争对手的存在

• 隐藏站点不能侦听到发送端但能干扰接收端

• 假设：A正在向B传输数据，C也要向B发送数据

暴露终端问题

• 由于侦听到其他站点的发送而误以为信道忙导致不能发送

• 暴露站点能侦听到发送端但不会干扰接收端

• 假设：B正在向A传输数据，C要向D发送数据

CSMA/CA

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid)

1. 当站点最初有数据要发送（不是重传），且监测到信道空闲，则等待 IFS 后立即发送。

2. 否则执行退避算法
• 从 (0，CWindow) 中选择一个随机数作为退后计数器 (backoff counter)
• 通过侦听确定每个时间槽是否活动，如果没有活动，则减少退后时间
• 退后过程中如果信道忙，则挂起退后过程（解决站点之间的公平问题）

3. 当退避计数器减到0时（此时一定是空闲的），立即发送帧并等待确认。

使用退后过程延迟发送的目的：避免多个站点同时传输引起的冲突

CSMA/CA 协议需要确认信号

• 竞争窗口的选择应与网络负载情况相适应

• 发生冲突的次数能间接反映网络的负载情况 - 冲突次数越多，表明网络负载越重

• 二进制指数退后算法 - 竞争窗口的初始值为某个最小值，发生冲突时加大窗口，直到达到最大值。

• 二进制指数退后算法对网络负载情况的自适应性
• 当网络负载轻时，冲突的机率较小，选择较小的竞争窗口，减小站点的等待时间
• 当网络负载重时，冲突的机率较大，选择较大的竞争窗口，避免站点间选择的随机值过于接近，从而导致太多的冲突

RST-CST

目的：通过信道预约，避免长帧冲突

• 发送端发送RTS（request to send）

• 接收端回送CTS（clear to send）

• RTS和CTS中的持续时间（Duration）中指明传输所需时间（数据+控制）

• 其他相关站点能够收到RTS或（和）CTS，维护NAV（Network Allocation Vector ）
• 虚拟载波侦听（Virtual Carrier Sense）

• RTS和CTS帧很短，即使产生冲突，信道浪费较少

EDCA

主要域段解释

• 帧控制：具有多种用途

• 持续时间：下一个要发送帧可能持续的时间（NAV）或关联ID（AID）

• 地址1~地址4：每个地址的含义基于“去往DS”和“来自DS”域段确定

• 顺序控制：过滤掉重复帧，或用于分片组合

• QoS控制域段：存放数据流的QoS信息（802.11e中扩展）

• 数据：包含任意长度的数据（0-2312字节）

• CRC校验：802.11采用4个字节的校验码

无线局域网的构建与管理

Wi-Fi 6 核心技术概览

1. 局域网的特性主要由三个要素决定：拓扑结构、传输介质、介质访问控制方式，其中最重要的是截止访问控制方式，其决定了局域网的技术特性。
三种特殊的局域网拓扑实现如下：
• 以太网（使用最广泛的局域网） - 逻辑拓扑是总线型结构，物理拓扑是星型或拓展星型结构。
• 令牌网 - 逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是星型结构。
• FDDI - 光纤分布数字接口。

2. 数据链路层被拆为两个子层：
• 逻辑链路控制子层（LLC） - 与传输媒体无关，它向网络层提供无连接、面向连接、带确认无连接、高速传输 4 种不同的连接服务类型。（后来逐渐没有什么作用，也很少再使用了）
• 媒体介入控制子层（MAC） - 与接入传输媒体有关的内容放在 MAC 子层，它向上层屏蔽物理层访问的各种差异，提供对物理层的统一访问接口，主要包括组帧、拆卸帧、比特传输差错检测、透明传输等。

3. 网卡工作在物理层和数据链路层

4. 以太网的 MAC 协议提供的是无连接、无确认的不可靠服务。
以太网参考模型一般只包括物理层和数据链路层

5. 一些线缆：

• Base前的数字代表了数据率，单位为 Mb/s

• “BASE”指介质上的信号为基带信号（即基带传输，采用曼彻斯特编码）

• 后面如果跟的是数字，则表示最大传输距离，如 2 表示 200m，5 表示 500m 等；如果跟的是字母，则表示传输介质，如 T 表示双绞线、F 表示光纤。

1. 放大器是用来加强带宽信号（用于传输模拟信号）的设备，中继器是用来加强基带信号（用于传输数字信号）的设备。

2. 拓展以太网覆盖范围需要用的是中继器。

3. 同一局域网的两个设备有相同的静态MAC地址时，这两个设备都会无法正确通信。

4. 无线局域网使用CSDA/CA而不是CSDA/CD的原因是不需要在发送过程中进行冲突检测

5. 传输时延：路由器>网桥>交换机>集线器

6. 快速以太网帧的最小长度为 46B，即 64B - 18B = 46B，18B 是 6B 的源 MAC、6B 的目的 MAC，以及 2B 的类型（长度）和 4B 的帧尾校验和，7B 同步码和 1B 的帧开始定界符不算入长度。