計算機網(wǎng)絡(luò)知識是自動化測試等技術(shù)基礎(chǔ)挣饥，也是測試面試必考題目自晰〗Ｌ樱霍格沃茲測試學(xué)院特別策劃了本系列文章浙宜，將帶大家一步步夯實計算機網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識。
由于物理層知識在互聯(lián)網(wǎng)軟件研發(fā)工作中用到的并不多蛹磺，所以可以僅做一個簡單的了解粟瞬。
物理層解決如何在連接計算機的各種傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，而不是指具體的傳輸媒體萤捆。
物理層的主要任務(wù)描述為：確定與傳輸媒體的接口的一些特性裙品，即：
機械特性：
例如接口形狀俗批、大小、引線數(shù)目
電氣特性：
例如規(guī)定的電壓范圍(-5V-+5V)
功能特性：
例如規(guī)定-5V表示0市怎，+5V表示1
過程特性：
也稱規(guī)程特性岁忘，規(guī)定建立連接時各個相關(guān)部件的工作步驟
典型的數(shù)據(jù)通信模型，如下圖所示：
我們輸入的文字通過計算機的網(wǎng)卡以0101的二進制比特流數(shù)字信號發(fā)送出去区匠，經(jīng)調(diào)制解調(diào)器轉(zhuǎn)換為模擬信號干像，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，再利用調(diào)制解調(diào)器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號驰弄，最終由接收計算機的網(wǎng)卡接收轉(zhuǎn)換顯示麻汰。
相關(guān)術(shù)語
通信的目的是傳送消息
有關(guān)信道的幾個基本概念
信道一般表示向一個方向傳送信息的媒體，所以咱們說平常的通信線路往往包含一條發(fā)送信息的信道和一條接收信息的信道
生活中的實例：
數(shù)字信號通過實際的信號
奈氏準則
1924 年揩懒，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準則什乙。他給出了在假定的理想條件下挽封，為了避免碼間串?dāng)_已球，碼元的傳輸速率的上限值。
在任何信道中辅愿，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜闹橇粒駝t就會出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能点待。
單獨看專業(yè)解釋比較晦澀阔蛉，舉個實際的例子：
好比我們正常看電影或者以前用磁帶歌(暴露年齡了~現(xiàn)在的00后估計都不知道磁帶長啥樣了)癞埠；正常情況下我們可以聽清楚臺詞和歌詞状原，那么加速快進一點，也沒有問題苗踪，繼續(xù)加速呢颠区？加速非常快的時候通铲，就好比有的電影會有場景回溯的情節(jié)毕莱，已發(fā)生的事情快速的倒放，聲音就變成哇啦啦啦啦嘰里呱啦(自己腦補吧)颅夺，臺詞或歌詞也就聽不清了朋截。
也就是說信道傳輸速率不能無限制的快，有一個限度吧黄。
信噪比和香農(nóng)(Shannon)公式
香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限部服、無差錯的信息傳輸速率。
信道的極限信息傳輸速率 C 可表達為：
結(jié)論：減少速度和增大功率能提高準確度
奈氏準則和香農(nóng)公式的應(yīng)用范圍
導(dǎo)向傳輸媒體中拗慨，電磁波沿著固體媒體傳播
各種電纜
光纖
非導(dǎo)向傳輸媒體廓八，指自由空間厦酬，其中的電磁波傳輸被稱為無線傳輸。
短波通信主要是靠電離層的反射瘫想，但短波信道的通信質(zhì)量較差仗阅。
微波在空間主要是直線傳播：
信道復(fù)用技術(shù)
頻分復(fù)用
時分復(fù)用
統(tǒng)計時分復(fù)用
波分復(fù)用
碼分復(fù)用
數(shù)字傳輸系統(tǒng)
帶寬接入技術(shù)
若從主機H1向主機H2發(fā)送數(shù)據(jù)，所經(jīng)歷的模型方式如下圖
只關(guān)心數(shù)據(jù)鏈路層的話国夜，如下圖所示：
點到點信道：
這種信道使用一對一的點到點通信方式减噪；好比我們拿兩臺電腦，用一根網(wǎng)線直接將兩臺電腦相連接车吹，這就屬于點到點筹裕。
廣播信道：
這種信道使用一對多的廣播通信方式，因此過程比較復(fù)雜窄驹。廣播信道上連接的主機很多朝卒，因此必須使用專用的共享信道協(xié)議來協(xié)調(diào)這些主機的數(shù)據(jù)發(fā) 。
接著上面的例子乐埠，如果將兩臺電腦直接用集線器進行連接抗斤，同時再接入其他電腦，那么只要其中一臺電腦發(fā)消息丈咐，其他電腦都可以收到瑞眼，這種就屬于廣播信道。
鏈路(link)
是一條點到點的物理線路段棵逊，中間沒有任何其他的交換節(jié)點伤疙。一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。例：一根網(wǎng)線就屬于鏈路辆影，是一條物理鏈路徒像。
數(shù)據(jù)鏈路(data link)
除了物理線路外，還必須有通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸蛙讥。若把實現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上锯蛀，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路。
現(xiàn)在最常用的方法是使用適配器(網(wǎng)卡)來實現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件键菱。
一般的適配器都包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這兩層的功能谬墙。
數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)鏈路層變成幀，由幀頭幀尾來表示幀的開始和結(jié)束
傳到物理層變?yōu)楸忍亓骰虿ㄐ盘柧福ㄟ^鏈路進行發(fā)送
接收端收到數(shù)據(jù)后依次反向解析
具體參考如下圖：
封裝成幀(framing)就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部拭抬，然后就構(gòu)成了一個幀。確定幀的界限侵蒙。
首部和尾部的一個重要作用就是進行幀定界造虎。
如果再傳輸過程中有數(shù)據(jù)中斷或丟失了，在收到數(shù)據(jù)的時候發(fā)現(xiàn)沒有幀頭或幀尾纷闺，那么計算機就會將此斷數(shù)據(jù)丟棄算凿。
傳輸過程中可能會出現(xiàn)如下情況份蝴，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中包含了和幀尾結(jié)束符一樣的數(shù)據(jù)，這樣就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)被誤認為結(jié)束了氓轰，具體見下圖：
因此在傳輸過程中加入轉(zhuǎn)義字符婚夫，發(fā)送后和接收前加入，而發(fā)送方和接收方并不知道署鸡，所以也就稱之為透明傳輸
字節(jié)填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符案糙。
如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，那么應(yīng)在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個轉(zhuǎn)義字符靴庆。當(dāng)接收端收到連續(xù)的兩個轉(zhuǎn)義字符時时捌，就刪除其中前面的一個。
在傳輸過程中可能會產(chǎn)生比特差錯：1 可能會變成 0 而 0 也可能變成 1炉抒。
在一段時間內(nèi)奢讨，傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率稱為誤碼率 BER (Bit Error Rate)。
誤碼率與信噪比有很大的關(guān)系焰薄。
為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃阅弥睿谟嬎銠C網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時，必須采用各種差錯檢測措施
循環(huán)冗余檢驗 CRC：計算余數(shù)來判斷數(shù)據(jù)是否丟失
注意事項：
僅用循環(huán)冗余檢驗 CRC 差錯檢測技術(shù)只能做到無差錯接受(accept)蛤奥。
“無差錯接受”是指：“凡是接受的幀（即不包括丟棄的幀）佳镜，我們都能以非常接近于 1 的概率認為這些幀在傳輸過程中沒有產(chǎn)生差錯”僚稿。
也就是說：“凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層接受的幀都沒有傳輸差錯”（有差錯的幀就丟棄而不接受）凡桥。
要做到“可靠傳輸”（即發(fā)送什么就收到什么）就必須再加上確認和重傳機制。
考慮幀重復(fù)蚀同、幀丟失缅刽、幀亂序的情況
總結(jié)：CRC只負責(zé)無差錯接收，且只是無比特差錯蠢络，出錯后需要上層進行重傳衰猛。
最早我們使用電話撥號上網(wǎng)就是這種PPP協(xié)議：
它具有身份驗證，記賬的功能刹孔。
PPP協(xié)議幀格式
局域網(wǎng)最主要的特點是：
網(wǎng)絡(luò)為一個單位所擁有啡省，且地理范圍和站點數(shù)目均有限。
局域網(wǎng)具有如下的一些主要優(yōu)點：
具有廣播功能髓霞，從一個站點可很方便地訪問全網(wǎng)卦睹。局域網(wǎng)上的主機可共享連接在局域網(wǎng)上的各種硬件和軟件資源。
便于系統(tǒng)的擴展和逐漸地演變方库，各設(shè)備的位置可靈活調(diào)整和改變结序。
提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和殘存性纵潦。
局域網(wǎng)的拓撲(也就是指物理上怎么連接的)：
最初的以太網(wǎng)是將許多計算機都連接到一根總線上徐鹤。當(dāng)初認為這樣的連接方法既簡單又可靠垃环，因為總線上沒有有源器件。但是這樣的話很不安全(參考集線器)
“多點接入”表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上返敬。
“載波監(jiān)聽”是指每一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發(fā)送數(shù)據(jù)遂庄，如果有，則暫時不要發(fā)送數(shù)據(jù)劲赠，以免發(fā)生碰撞涧团。
總線上并沒有什么“載波”。因此经磅， “載波監(jiān)聽”就是用電子技術(shù)檢測總線上有沒有其他計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)信號泌绣。
“碰撞檢測”就是計算機邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓大小。
當(dāng)幾個站同時在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時预厌，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）阿迈。
當(dāng)一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認為總線上至少有兩個站同時在發(fā)送數(shù)據(jù)轧叽，表明產(chǎn)生了碰撞苗沧。
所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”炭晒。
最先發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站待逞，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后至多經(jīng)過時間 2τ（兩倍的端到端往返時延）就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。
以太網(wǎng)的端到端往返時延 2τ稱為爭用期网严，或碰撞窗口识樱。
經(jīng)過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會發(fā)生碰撞震束。
爭用期長度
以太網(wǎng)取 51.2 us 為爭用期的長度怜庸。
對于 10 Mb/s 以太網(wǎng)，在爭用期內(nèi)可發(fā)送512 bit垢村，即 64 字節(jié)割疾。
以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若前 64 字節(jié)沒有發(fā)生沖突嘉栓，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生沖突宏榕。
DIX Ethernet V2 是世界上第一個局域網(wǎng)產(chǎn)品（以太網(wǎng)）的規(guī)約。
IEEE 的 802.3 標準侵佃。
DIX Ethernet V2 標準與 IEEE 的 802.3 標準只有很小的差別麻昼，因此可以將 802.3 局域網(wǎng)簡稱為“以太網(wǎng)”。
嚴格說來趣钱，“以太網(wǎng)”應(yīng)當(dāng)是指符合 DIX Ethernet V2 標準的局域網(wǎng)
為了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應(yīng)多種局域網(wǎng)標準涌献，802 委員會就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個子層：
邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層
媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層。
以太網(wǎng)提供的服務(wù)是不可靠的交付首有，即盡最大努力的交付燕垃。
當(dāng)目的站收到有差錯的數(shù)據(jù)幀時就丟棄此幀枢劝，其他什么也不做。差錯的糾正由高層來決定卜壕。
如果高層發(fā)現(xiàn)丟失了一些數(shù)據(jù)而進行重傳您旁，但以太網(wǎng)并不知道這是一個重傳的幀，而是當(dāng)作一個新的數(shù)據(jù)幀來發(fā)送轴捎。
傳統(tǒng)以太網(wǎng)最初是使用粗同軸電纜鹤盒，后來演進到使用比較便宜的細同軸電纜，最后發(fā)展為使用更便宜和更靈活的雙絞線侦副。
這種以太網(wǎng)采用星形拓撲侦锯，在星形的中心則增加了一種可靠性非常高的設(shè)備，叫做集線器(hub)
集線器原理示意圖：
由圖中可以看到集線器邏輯上仍然是一個總線網(wǎng)秦驯，就像一個多接口的轉(zhuǎn)發(fā)器尺碰，工作在物理層。
一個幀從開始發(fā)送译隘，經(jīng)可能發(fā)生的碰撞后亲桥，將再重傳數(shù)次，到發(fā)送成功且信道轉(zhuǎn)為空閑(即再經(jīng)過時間 τ 使得信道上無信號在傳播)時為止固耘，是發(fā)送一幀所需的平均時間题篷。
要提高以太網(wǎng)的信道利用率，就必須減小 τ 與 T0 之比厅目。在以太網(wǎng)中定義了參數(shù) a番枚，它是以太網(wǎng)單程端到端時延 ? 與幀的發(fā)送時間 T0 之比：
a→0 表示一發(fā)生碰撞就立即可以檢測出來，并立即停止發(fā)送璧瞬，因而信道利用率很高户辫。
a 越大，表明爭用期所占的比例增大嗤锉，每發(fā)生一次碰撞就浪費許多信道資源，使得信道利用率明顯降低墓塌。
當(dāng)數(shù)據(jù)率一定時瘟忱，以太網(wǎng)的連線的長度受到限制，否則 ? 的數(shù)值會太大苫幢。
以太網(wǎng)的幀長不能太短访诱，否則 T0 的值會太小，使 a 值太大韩肝。
因此信道利用率在理想狀況下是這樣的：
在理想化的情況下触菜，以太網(wǎng)上的各站發(fā)送數(shù)據(jù)都不會產(chǎn)生碰撞（這顯然已經(jīng)不是 CSMA/CD，而是需要使用一種特殊的調(diào)度方法）哀峻，即總線一旦空閑就有某一個站立即發(fā)送數(shù)據(jù)涡相。
發(fā)送一幀占用線路的時間是 T0 + ?哲泊，而幀本身的發(fā)送時間是 T0。于是我們可計算出理想情況下的極限信道利用率 Smax為：
IEEE 的注冊管理機構(gòu) RA 負責(zé)向廠家分配地址字段的前三個字節(jié)(即高位 24 位)催蝗。
地址字段中的后三個字節(jié)(即低位 24 位)由廠家自行指派切威，稱為擴展標識符，必須保證生產(chǎn)出的適配器沒有重復(fù)地址丙号。一個地址塊可以生成2^24個不同的地址先朦。這種 48 位地址稱為 MAC-48，它的通用名稱是EUI-48犬缨。
“MAC地址”實際上就是適配器地址或適配器標識符EUI-48喳魏。
適配器從網(wǎng)絡(luò)上每收到一個 MAC 幀就首先用硬件檢查 MAC 幀中的 MAC 地址.
如果是發(fā)往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理怀薛。否則就將此幀丟棄截酷，不再進行其他的處理。
“發(fā)往本站的幀”包括以下三種幀：
單播(unicast)幀（一對一）
廣播(broadcast)幀（一對全體）
多播(multicast)幀（一對多）
距離上的擴展：
主機使用光纖和一對光纖調(diào)制解調(diào)器連接到集線器
數(shù)量上的擴展：
某大學(xué)有三個系乾戏，各自有一個局域網(wǎng)
由上述我們可以發(fā)現(xiàn)迂苛，用集線器擴展局域網(wǎng) ，雖然達到了擴大覆蓋的目的鼓择，但是碰撞域增大了三幻，總的吞吐量并未提高，因此我們就需要介紹另一位成員——網(wǎng)橋
在數(shù)據(jù)鏈路層擴展局域網(wǎng)是使用網(wǎng)橋呐能。
網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層念搬，它根據(jù) MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉(zhuǎn)發(fā)。
網(wǎng)橋具有過濾幀的功能摆出。當(dāng)網(wǎng)橋收到一個幀時朗徊，并不是向所有的接口轉(zhuǎn)發(fā)此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址偎漫，然后再確定將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個接口
使用網(wǎng)橋擴展以太網(wǎng)
網(wǎng)橋使各網(wǎng)段成為隔離開的碰撞域
使用網(wǎng)橋帶來的好處
過濾通信量爷恳。
擴大了物理范圍。
提高了可靠性象踊。
可互連不同物理層温亲、不同 MAC 子層和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太網(wǎng)）的局域網(wǎng)
使用網(wǎng)橋帶來的缺點
存儲轉(zhuǎn)發(fā)增加了時延。
在MAC 子層并沒有流量控制功能杯矩。
具有不同 MAC 子層的網(wǎng)段橋接在一起時時延更大栈虚。
網(wǎng)橋只適合于用戶數(shù)不太多(不超過幾百個)和通信量不太大的局域網(wǎng)，否則有時還會因傳播過多的廣播信息而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞史隆。這就是所謂的廣播風(fēng)暴魂务。
交換機
隨著網(wǎng)橋的接口的增加， 后來網(wǎng)橋和集線器合并了，計算機可以直接和交換機連接粘姜，這就是交換機鬓照。交換機就是網(wǎng)橋和集線器的合并升級版，能全雙工相艇，安全通信颖杏。
交換式集線器常稱為以太網(wǎng)交換機(switch)或第二層交換機（表明此交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層）。
以太網(wǎng)交換機通常都有十幾個接口坛芽。因此留储，以太網(wǎng)交換機實質(zhì)上就是一個多接口的網(wǎng)橋，可見交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層咙轩。
先來說什么是LAN获讳，LAN指的就是局域網(wǎng)，我們可以通過路由器接上集線器活喊，再接計算機丐膝，形成不同網(wǎng)段的局域網(wǎng)(LAN)
而虛擬局域網(wǎng) VLAN 是由一些局域網(wǎng)網(wǎng)段構(gòu)成的與物理位置無關(guān)的邏輯組。
這些網(wǎng)段具有某些共同的需求钾菊。
每一個 VLAN 的幀都有一個明確的標識符帅矗，指明發(fā)送這個幀的工作站是屬于哪一個 VLAN。
虛擬局域網(wǎng)其實只是局域網(wǎng)給用戶提供的一種服務(wù)煞烫，而并不是一種新型局域網(wǎng)浑此。
虛擬局域網(wǎng)協(xié)議允許在以太網(wǎng)的幀格式中插入一個 4 字節(jié)的標識符，稱為 VLAN 標記(tag)滞详，用來指明發(fā)送該幀的工作站屬于哪一個虛擬局域網(wǎng)凛俱。
跨交換機的VLAN
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