1. 網路介面卡的作用及工作在哪一層?

網路介面卡即網路介面卡,簡稱網絡卡

• 作用
  實現聯網計算機和網路電纜之間的物理連線
• 工作層數
  物理層和資料鏈路層

2. 資料鏈路層的三個基本問題(封裝成幀,透明傳輸,差錯檢測)為何必須解決?

• 封裝成幀:封裝成幀是分組交換的必然要求
• 透明傳輸:避免訊息符號與幀定界符號相混淆
• 差錯檢測:防止含差錯的無效資料幀浪費後續路由上的傳輸和處理資源

1.封裝成幀

• 定義:
  幀(framing)就是在一段資料的前後分別新增首部和尾部，然後就構成了一個幀。確定幀的界限。
• 分類:
  
  1. 面向字元:IBM的BSC規程
  2. 面向位元 :ISO的HDLC規程

2.透明傳輸

位元組填充(注意和PPP的位元組填充不同):
幀傳送在資料中出現控制字元“SOH”或“EOT”的前面插入一個轉義字元“ESC”(其十六進位制編碼是 1B)。

3.差錯檢測

誤位元速率:在一段時間內，傳輸錯誤的位元佔所傳輸位元總數的比率
特點:

• 並不能確定究竟是哪一個或哪幾個比特出現了差錯。
• 只要經過嚴格的挑選，並使用位數足夠多的除數 P，那麼出現檢測不到的差錯的概率就很小很小

迴圈冗餘檢驗 CRC

傳送端工作

1. 把資料劃分為組。假定每組 k 個位元。
2. k位資料M後新增供差錯檢測用的n 位冗餘碼一起傳送

獲取冗餘碼的方法(關鍵):加n個0後除以(n+1)位的除數P得到n位的餘數R即為冗餘碼

1. 事先選定好的長度為(n + 1)位的除數P，用二進位制的模 2 運算進行 2n$2^n$ 乘 M 的運算，這相當於在 M 後面新增 n 個 0
2. 得到的 (k + n)位的數除以事先選定好的長度為(n + 1)位的除數P，得出商是 Q而餘數是 R，餘數 R 比除數 P 少1 位，即 R 是 n 位。

用多項式來表示迴圈冗餘檢驗過程

生成多項式 P(X)=X3+X2+1$P(X)=X^3+X^2+1$ 表示除數 P=1101$P=1101$

接收端工作

接收端把收到的第一幀都除以同樣的除數P(模2除法) ,檢查餘數R
注意:
模2除法與算術除法類似，但每一位除的結果不影響其它位，即不向上一位借位

• 餘數 R = 0，則判定這個幀沒有差錯，就接受(accept)
• 餘數 R ≠$\ne$ 0，則判定這個幀有差錯，就丟棄

3. 點對點協議PPP

特點:點對點,全雙工,支援面向字元型協議與面向位元型協議
標誌欄位（flag）：就是PPP幀的定界符. F=0x7E$F=0x7E$ （符號“0x”—十六進位制。7E 的二進位制表示是— 01111110）。
PPP解決透明傳輸問題的兩種方法:

位元組填充(字元填充)

• 適用範圍:非同步傳輸
• 規則:
  
  1. 當資訊欄位中出現和標誌欄位一樣的資料（0x7E）時，就要將該位元組轉變為2位元組序列（0x7D,0x5E）；
  2. 若資訊中出現一個0x7D位元組，則將其轉變為2位元組序列 （0x7D,0x5D） ；
  3. 若資訊欄位中出現 ASCII 碼的控制字元（即數值小於 0x20 的字元），則在該字元前面要加入一個 0x7D 位元組，同時將該字元的編碼加以改變。
     如：0x03—(0x7D，0x23 )
• 例子:
  資料幀部分為:7D 5E FE 27 7D 5D 7D 5D 65 7D 5E
  則真正的資料為: 7E FE 27 7D 7D 65 7E

零位元填充

• 適用範圍:同步傳輸（一連串的位元連續傳送）
• 7E 的二進位制表示是— 01111110,即有連續的6個1
• 規則:
  
  • 傳送端:當一串位元流資料中有 5 個連續 1 時，就立即填入一個 0
  • 接收端:
    
    1. 先找到 F 欄位(即 7E ,也就是01111110)以確定幀的邊界。接著再對位元流進行掃描。
    2. 每當發現 5 個連續 1 時，就將其後的一個 0 刪除，以還原成原來的位元流
• 例子:
  
  1. 原位元串為 0110 1111 1111 1100,則零位元填充後為: 0110 1111 1011 1110 00
  2. 接收端收到的PPP幀的資料部分為 0001 1101 1111 0111 1101 10,則原位元串為: 0001 1101 1111 1111 1110

4. CSMA/CD 協議

• 含義:載波監聽多點接入/碰撞檢測 (Carrier Sense Multiple Access with /Collision Detection)
• 使用場景:乙太網
• 乙太網的訊號編碼:曼切斯特編碼
  
  • 編碼方式:通過電壓的變化來表示訊號(如,”前高後低”表示1,”前低後高”表示0),即傳送的每一位都有兩個訊號週期
  • 例子:資料率為 10Mbit/s 的乙太網在物理媒體上的碼元傳輸速率是 20M 碼元/秒
• 要點
  
  • 多點接入:匯流排型網路,許多計算機以多點接入的方式連線在一根總線上
  • 載波監聽:檢測通道,用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機發送的資料訊號,每一個站在傳送資料之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在傳送資料，如果有，則暫時不要傳送資料，以免發生碰撞
  • 碰撞檢測: 邊傳送邊監聽,一旦發現總線上出現了碰撞，就要立即停止傳送
• CSMA/CD協議以爭用方式接入到共享通道 與 傳統的時分複用TDM 相比的優缺點:
  
  • 優點: 網路負載輕時,CSMA/CD 協議較靈活,利用率高
  • 缺點: 控制複雜,網路負載重時,通道衝突多,利用率低
• CSMA/CD 最短幀長
  
  • 由來: 在一幀傳送完畢之前，傳送方必須要檢測到是否有衝突發生，如果沒有才能傳送下一幀，如果有則按照相應演算法檢測後重新發送該幀。故 一個幀傳送完的時間必須大於檢測到衝突的最長時間
  • 檢測到衝突的最長時間 為 爭用期,或碰撞視窗,時間為兩倍段到段往返時延,記為 2τ$2\tau$
  • 例子:假定 1km 長的 CSMA/CD 網路的資料率為 1Gbit/s,設訊號在網路上的傳播速率為 200 000 km/s.則最短幀長為?
    τ=1/200000=5∗10−6s$\tau =1/200000=5\ast {10}^{-6}s$,2τ=1∗10−5s$2\tau =1\ast {10}^{-5}s$,2τ$2\tau$時間內能傳送的bit數為:1∗109∗1∗10−5=10000位$1\ast {10}^9\ast 1\ast {10}^{-5}=10000位$,即 1250位元組長.
  • 動態退避時間
  • 由來:CSMA/CD演算法中，在檢測到衝突，為了降低再衝突的概率，需要等待一個隨機時間，然後再用CSMA的演算法傳送
  • 計算: 隨機數r∗基本退避時間(爭用期)2τ$隨機數r\ast 基本退避時間(爭用期)2\tau$
  • 爭用期長度:
    
    • 10 Mb/s 乙太網: 51.2us$51.2us$
    • 100 Mb/s 乙太網: 5.12us$5.12us$

5. 集線器和交換機的區別

1. 工作層次不同
   交換機和集線器在OSI／RM開放體系模型中對應的層次就不一樣，集線器是工作在第一層（物理層），而交換機至少是工作在第二層，更高階的交換機可以工作在第三層（網路層）和第四層（傳輸層）。
2. 資料傳輸方式不同
   集線器的資料傳輸方式是廣播（broadcast）方式，而交換機的資料傳輸是有目的的，資料只對目的節點發送，只是在自己的MAC地址表中找不到的情況下第一次使用廣播方式傳送，然後因為交換機具有MAC地址學習功能，第二次以後就不再是廣播發送了，又是有目的的傳送。用集線器組成的網路稱為共享式網路，而用交換機組成的網路稱為交換式網路。
3. 頻寬佔用方式不同
   在頻寬佔用方面，集線器所有埠是共享集線器的總頻寬，而交換機的每個埠都具有自己的頻寬。
4. 傳輸模式不同
   集線器只能採用半雙工方式進行傳輸的，因為集線器是共享傳輸介質的，這樣在上行通道上集線器一次只能傳輸一個任務，要麼是接收資料，要麼是傳送資料。交換機可以是半雙工操作，也可以是全雙工操作。

最大吞吐量的計算

• 集線器:如果全部接在一個集線器上，那麼該網路的最大總的吞吐量就是這個集線器的最大值
• 交換機:各個介面全部與交換機相連,那麼總的最大吞吐量就是每個鏈路最大值的總和

6. 多介面網橋(乙太網交換機)的自學習和轉發幀 步驟

1. 網橋收到一幀後先進行自學習。
   查詢轉發表中與收到幀的源地址有無相匹配的專案。
   
   • 有:把原有的專案進行更新
   • 沒有:在轉發表中增加一個專案（源地址、進入的介面和時間）
2. 轉發幀
   查詢轉發表中與收到幀的目的地址有無相匹配的專案
   
   • 有:按轉發表中給出的介面進行轉發(若轉發表中給出的介面就是該幀進入網橋的介面，則應丟棄這個幀,因為這時不需要經過網橋進行轉發)
   • 沒有:通過所有其他介面（但進入網橋的介面除外）按進行轉發