第一章 概述
本章重要内容： (1)互联网边缘和核心部分的作用 (2)计算机网络的性能指标 (3)计算机网络分层的系统结构
1.1 计算机网络在信息时代的作用
21世纪的重要特征：数字化、网络化、信息化，一个以网络为核心的信息时代。 有三种网络：电信网络（提供电话、电报、传真等服务）、有线电视网络（传输电视节目）和计算机网络（数据文件在计算机之间传输）。计算机网络是信息过程的核心。 20世纪90年代以后，Internet计算机网络的快速发展，从最初仅供美国人使用的免费教育研究网络，到全球商业网络。 Internet译名:(1)由国家科技术名词审批委员会推荐，翻译准确，但未推广。(2)互联网，流行翻译。Internet这个译名可以通过大量的计算机互联反映出来Internet主要特征。 计算机网络围内连接的计算机网络只能被称为互联网，而不是互联网。互联网可以为用户提供大量的服务，基于连通性（信息交换方便、经济）和共享（资源共享）两个重要特点。
1.2 互联网概述
互联网起源于美国，并没有发展出世界上覆盖世界最大的计算机网络。 计算机网络(以下简称网络)由几个结点组成（node）链路连接这些结点（link）组成。网络中的结点可以是计算机、集线器、交换器或路由器。 网络通过路由器连接，形成一个覆盖大的计算机网络，称为互联网。互联网是一个网络网络。连接到网络的计算机通常被称为主机（host）。
互联网的基础设施一般经历了三个阶段的演变。 第一阶段:从单个网络ARPNET互联网发展的过程。1969年，美国国防部成立了第一个分组交换网络ARPNET。1983年TCP/IP协议称为ARPNET所有使用该协议的计算机都可以使用互联网通信，因此1983年被用作互联网的诞生时间。 internet（互连网）是一个通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。这些网络之间的通信协议可任意选择。 Internet(互联网，或因特网)是一个特殊的术语，是指世界上最大的开放互联网，由许多网络连接，使用TCP/IP作为通信规则，协议家的前身是美国ARPNET。 第二阶段的特点是建立了三级结构的互联网(主干网、区域网、校园网或企业网)。 第三阶段的特点是形成多层次ISP互联网的结构。互联网服务提供商ISP它是一家从事商业活动的公司，也被翻译成互联网服务提供商（中国电信、中国移动）。所谓的互联网是指通过某个ISP获得的IP接入互联网的地址。 ISP根据提供服务的覆盖面积和所有权IP地址数量的差异分为：主干ISP(由几家专业公司创建和维护，服务面积最大)，区域ISP（较小的ISP，通过主干ISP连接)和本地ISP(为用户提供连接到区域的直接服务ISP或主干ISP）。 互联网交换点IXP主要功能：允许两个网络直接连接和交换分组，无需通过第三个网络转发分组。IXP由一个或多个网络交换机组成，许多ISP连接到这些网络交换机的相关端口。IXP通常使用在数据链路层工作的交换机，它们由局域网连接。 互联网的快速发展始于20世纪90年代，欧洲原子核研究组织CERN万维网开发WWW广泛应用于互联网。
所有的互联网标准都是基于RFC(请求评论)以互联网的形式发表。 制定互联网的正式标准要经历：（1）互联网草案（2）建议标准（此时成为RFC(3)互联网标准
1.3 互联网的组成
工作方式可分为：（1）边缘部分由连接到互联网的所有主机组成。这部分直接用于通信和资源共享。（2）核心部分由大量连接到这些网络的网络和路由器组成，为边缘部分提供服务（连接和交换）。 互联网边缘的部分是连接到互联网上的所有主机，也被称为终端系统。边缘部分使用核心部分的服务，使许多主机相互通信、交换或共享数据。主机A和主机B通信是指主机A的一个过程和主机B的另一个过程通信，称为计算机之间的通信。 网络边缘端系统之间的通信模式可分为：客户-服务器模式（C/S）和对等方式（P2P）。 客户-服务器是最常用和传统的方式，如发送电子邮件和在线搜索信息。（client）和服务器（server）它们都是指通信中设计的两个应用程序。客户-服务器模式描述了过程中服务与服务之间的关系。客户是服务请求方，服务器是服务提供商。 客户程序特点：被客户调用后，主动通信远程服务器，因此必须了解服务器程序的地址。不需要特殊的硬件和复杂的操作系统。 服务器程序特点：专门用于提供某种服务的程序可以同时处理多个远程或本地客户的请求。系统启动后，自动呼叫并连续运行，被动等待并接受来自世界各地的客户通信请求。不需要知道客户程序的地址。一般来说，它需要强大的硬件和先进的操作系统的支持。 平等连接是指两个主机在通信时不区分哪一个是服务请求方，哪一个是服务提供商。本质上，平等连接仍然是客户服务器，但平等连接中的每个主机都是客户和服务器。
网络的核心部分与网络边缘的大量主机相连，使边缘部分的任何主机都能与其他主机通信。路由器在网络的核心部分起着特殊的作用（router），它是一种特殊的计算机（不是主机）。路由器是实现分组交换的关键结构，其任务是转发收到的分组，是网络核心部分最重要的功能。 电路交换：交换是以某种方式动态分配传输线路的资源。必须建立连接(占用通信资源)->通话(一直占用通信资源)->三个步骤的交换方信资源)三个步骤的交换称为电路交换。电路交换的重要特点：两个用户总是占用端到端的通信资源。计算机数据的电路交换传输效率很低。 分组交换：采用存储转发技术。将要发送的整个数据称为报纸（message），发送前，将其分为较小的等长数据段，并在每个数据段之前添加一些必要的控制信息（header）然后形成一个分组（packet）。分组也叫包，分组的第一部也叫包头。分组是在互联网上传输的数据单元。第一个分组包含重要信息，如目的地址和源地址，因此每个分组可以在互联网上独立选择传输路径，并正确交付到分组传输的终点。 位于网络边缘的主机和位于网络核心部分的路由器都是计算机，但功能不同。主机处理用户的信息，并通过网络与其他主机交换信息。路由器用于转发分组。 路由器暂时存储短组，而不是整个长报纸。短组暂时存储在路由器的存储器（内存）中，而不是磁盘中，这确保了更高的交换速率。在传输数据之前，不需要占用端到端链路的通信资源。该组间歇性地占用通信资源，因此数据传输效率较高。 存储和转发的分组交换本质上是在数据通信过程中间歇（或动态）分配传输带宽的策略。适用于传输突发计算机数据。为了提高分组交换网络的可靠性，网络拓扑结构通常用于互联网的核心部分。 分组交换的优点：（1）高效、动态分配传输带宽，逐段占用通信链路。（2）灵活，为每个组选择最合适的转发路由。（3）快速，以分组为单位，可以将分组发送到其他主机，而无需建立连接。（4）可靠的网络协议，以确保可靠性。 小组交换问题：（1）存储和转发需要排队，并且有一定的延迟。（2）不提前建立连接，不能保证通信时端到端所需的带宽。（3）控制信息造成费用。 电路交换：整个报纸的比特流从源点连续到终点，仿佛在管道中传输。 报文交换:整个报文先传送到相邻结点，全部存储后搜索转发表，再转发到下一个结点。 分组交换：单个分组传送到相邻结点，存储下来后查找转发表转发到下个结点。 如果要连续传输大量数据，传输时间远远大于建立时间，则电路交换的传输速度较快。传输带宽不需要提前分配，可以提高网络在传输突发数据时的信道利用率。由于分组的长度远小于整个报纸的长度，分组交换比报纸交换的延迟小，灵活性更好。
1.4 我国计算机网络的发展
铁道部是第一个开始建设特殊计算机广域网的人，1989年是中国第一个公共分组交换网CNPAC建成运行。1994年，中国使用64kbit/s专线正式接入互联网，同年中科院设立了第一个万维网服务器。
1.5 计算机网络的类别
1.根据网络的作用范围 （1）广域网WAN 几十到几千公里到几千公里，也称为远程网络。广域网是互联网的核心部分，其任务是通过长途运输主机发送的数据。连接广域网的每个结点交换机的链路是通信容量大的高速链路。 （2）城域网MAN 作用范围一般为城市，约5-50km。它被用来连接多个局域网，许多城域网使用以太网技术，因此有时也被纳入局域网进行讨论。 （3）局域网LAN 微型计算机或工作站一般通过高速通信线路连接，地理限制在较小范围内(1km左右）。 (4)个人区域网PAN 用无线技术连接个人工作场所使用的电子设备的网络，又称无线个人区域网WPAN，范围很小，10左右m左右。 若中央处理器之间的距离很近(1)m它被称为多处理机系统，而不是计算机网络。 2.根据网络的用户 （1）公用网 所有按规定付费的人都可以使用电信公司建造的大型网络，也称为公共网络。 （2）专用网 为满足本单位特殊业务需要，某部门一般不提供外部服务。 3.用于将用户连接到互联网网络 接入网AN（Access Network），它被称为本地访问网络或居民访问网络。访问网络本身既不是互联网的核心部分，也不是边缘部分。访问网络是从用户端系统到互联网的第一个路由器（边缘路由器）之间的网络。从覆盖范围的角度来看，它属于一个局域网。在早期，用户使用更多的电话线拨号访问，速度非常低，现在使用更多的宽带访问。
1.6 计算机网络的性能
计算机网络的性能一般是指其几个重要指标，而一些非性能特征对计算机网络的性能也有很大的影响。 计算机网络的性能指标： （1）速率 计算机发出的信号是数字形式的。网络中的速率是指数据的传输速率，也称为数据率或比特率，一个比特是二进制数字的0或1。 （2）带宽 原指某个信号的频带宽度(频域称谓)，该单位为赫兹。在计算机网络中，带宽表示网络中某个通道传输数据的能力(时域称谓)，网络带宽表示单位时间内某个通道可以通过的最高数据率，单位的单位bit/s。 （3）吞吐量 单位时间内通过某个网络(信道/接口)的实际数据量。受带宽或网络额定率的限制。 （4）时延 从网络(链路)路)的一端传输到另一端所需的时间，也称为延迟或延迟。 1.发送延迟：主机或路由器发送数据帧所需的时间，即发送数据帧的第一个比特，也称为传输延迟。 发送时延=数据帧长度（bit）/发送速率（bit/s） 2.传播延迟:电磁波在信道中传播一定距离需要时间。 传播时延=信道长度（m）/电磁在信道上的传播速率（m/s） 发送时延发生在机器内部的发送器中（一般在网络适配器中），与传输信道的长度（或信号传送的距离）无关。传播时延发生在机器外部的信道媒体上，与信号的发送速率无关。 3.处理时延：主机或路由器收到分组时要花费一定时间进行处理。 4.排队时延：分组进入路由器后要再输入队列中排队等待处理。 对于高速网络链路，提高的仅是数据的发送速率，而不是比特在链路上的传播速率。 （5）时延带宽积 =传播时延x带宽，又称以比特为单位的链路长度，表示链路可容纳多少个比特。 （6）往返时间RTT 有效数据率=数据长度/（发送时间+RTT） （7）利用率 有信道利用率和网络利用率，信道利用率指某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过），完全空闲的信道利用率为0。网络利用率时全网络的信道利用率的加权平均值。 网络当前时延D=网络空闲时延D0/（1-利用率U）。信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延。
计算机网络的非性能特征 （1）费用 一般来说网速越高，价格越高 （2）质量 取决于网络中构件的质量和构件组成网络的方式 （3）标准化 最好采用国际标准，可得到更好的互操作性，易于得到技术支持 （4）可靠性 与网络的性能和质量密切相关 （5）可扩展性和可升级性 性能越高扩展费用和难度越高 （6）易于管理和维护 没有良好管理和维护很难达到和保持目标性能
1.7 计算机网络的体系结构
相互通信的两个计算机系统必须高度协调，为设计这样复杂的计算机网络，最初ARPNET设计时就提出了分层的方法。分层可将庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题，从而易于研究和管理。 为使不同网络体系结构的计算机网络实现互连，国际标准化组织ISO提出了著名的开放系统互连参考模型OSI/RM，简称OSI。开放指非独家垄断，只要遵循OSI标准，系统就可和世界上任何地方的也遵循统一标准的其他任何系统通信。系统指在现实的系统中与互连有关的各部分。OSI是抽象概念，1983年形成了ISO 7498国际标准，即七层协议的体系结构。 OSI失败原因：（1）专家缺乏实际经验（2）实现复杂，效率低（3）制订周期太长，按OSI标准生产的设备无法及时进入市场（4）层次划分不合理，有些功能在多层次重复
网络协议：为网络中的数据交换建立的规则、标准或约定 由以下三个要素组成：（1）语法，数据与控制信息的结构或格式（2）语义，需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应（3）同步，事件实现顺序的详细说明 分层好处： （1）各层之间是独立的。某一层不需要知道它下一层的具体实现，只需要知道该层通过层间接口所提供的服务。降低了整个问题的复杂性。 （2）灵活性好。任何一层发生变化时，只要层间接口的关系不变，则这层以上或以下均不受影响。 （3）结构上可分隔开 各层都可采用最合适的技术实现 （4）易于实现和维护 （5）可促进标准化工作 分层时应使每一层的功能非常明确，各层的功能主要有以下（可包含一种或多种）：差错控制，使相应层次对等方的通信更加可靠；流量控制，发送端的发送速率必须使接收端来得及接受；分段和重装，发送端将数据库划分，在接收端还原；复用和分用，发送端几个高层会话复用一条低层连接，在接收端再进行分用；连接建立和释放，交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放。 网络的体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合。体系结构是抽象的，实现是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。
OSI的七层协议体系结构概念清楚，理论完整，但既复杂又不实用。TCP/IP体系结构则不同，TCP/IP是一个四层体系结构，包含应用层、运输层、网际层和网络接口层。从实质上讲TCP/IP只有最上面的三层，因为网络接口层没有具体内容。因此学习计算机网络原理时往往采取折中方法，综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。 （1）应用层 体系结构中的最高层，任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。应用层协议：DNS、HTTP、SMTP。应用层数据单元：报文（message）。 （2）运输层 运输层的任务就是负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。由于一台主机可同时运行多个进程，因此运输层有复用和分用的功能。复用就是多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务，分用是运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程。 运输层主要使用以下两种协议： 传输控制协议TCP：提供面向连接的、可靠的数据传输服务，数据传输单位是报文段（segment）。 用户数据报协议UDP：提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性），数据传输单位是用户数据报。 （3）网络层 网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据报，或简称数据报。 无论哪一层传送的数据单元，都可笼统地用分组来表示，运输层的用户数据报UDP和网络层的IP数据报不同。 网络层的另一个任务即选择合适的路由，使源主机运输层传下来的分组，能够通过网络中的路由器找到目的主机。网络层中的网络不是通常提到的具体网络，而是计算机网络体系结构模型中的第三层的名称。 互联网由大量的异构网络通过路由器相互连接起来。互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议IP和许多种路由选择协议，因此互联网的网络层也叫做网际层或IP层。 （4）数据链路层 简称为链路层。两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧（framing），在两个相邻结点之间的链路上传送帧（frame）。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）。 接收数据时，控制信息使接收端能够知道一个帧从哪个比特开始到哪个比特结束。还使接收端能够检测收到的帧中有无差错，如发现差错就简单地丢弃。 （5）物理层 传送的数据单位是比特。物理层要考虑用多大的电压代表1或0，以及接收方如何识别发送方所发送的比特。物理层还要确定连接电缆的插头应有多少根引脚以及各引脚如何连接。传递信息所利用的物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等并不在物理层协议内而是其下面。 TCP/IP并不一定单指TCP和IP两个具体的协议而是表示互联网所使用的整个TCP/IP协议族。
主机1的应用进程M向主机2的应用进程N传送数据时，M将数据交给应用层，应用层加上控制信息后（变为下一层的数据单元）再传给运输层，如此逐层递交，到了第二层（数据链路层）后，控制信息被分为两部分，分别加到本数据单元的首部和尾部，而第一层（物理层）由于是比特流的传送，所以不加控制信息，传送比特流时应从首部开始。OSI将对等层之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元PDU。 比特流离开主机1经网络的物理媒体传送到路由器，从路由器的第一层依次上升到第三层，每一层都根据控制信息进行必要操作，然后剥去控制信息，将剩下的数据单元交给更高层。当分组到第三层时根据首部中的目的地址查找路由器中转发表，找出转发分组的接口，然后往下传送到第二层，加上新的首部和尾部，再到第一层，发送比特。 比特流到达主机2时，就从主机2的第一层按上述方式依次上升到第五层，最后把应用进程M发送的数据交给目的站的应用进程N。
使用实体（entity）表示任何发送或接收信息的硬件或软件进程，许多情况下实体就是一个特定的软件模块。 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。协议的语法定义了所交换的信息的格式，协议的语义定义了发送者或接收者所要完成的操作。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层提供的服务。 协议和服务是不同的。协议的实现保证了能够向上一层提供服务，使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议，下面的协议对上面的实体是透明的。 协议是水平的，是控制对等实体直接的通信规则。但服务是垂直的，即由下层向上层通过层间接口提供的。只有能被高一层实体看得见的功能才能称为服务，上层使用下次服务必须通过与下层交换一些命令（在OSI中称为服务原语）。 同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方称为服务访问点SAP。SAP是一个抽象概念呢，实际上是一个逻辑接口，OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU，它可以与PDU不一样，例如可以是多个SDU合为一个PDU，也可以是一个SDU划分为几个PDU。 第n层向第n+1层提供的服务已经包括在它以下的各层提供的服务。第n层的实体对第n+1的实体相当于一个服务提供者，在服务提供者的上一层的实体又称为服务用户，因为它使用下层服务提供者提供的服务。 协议必须把所有不利的条件实现估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。因此看一台计算机网络协议是否正确，不能只看正常情况下是否正确，还必须非常仔细检查这个协议能否应付各种异常情况。 TCP/IP协议可为各种应用提供服务，同时TCP/IP协议也允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上允许。IP协议在互联网中起核心作用。
1.8 本章的重要概念
计算机网络（简称网络）把许多计算机连接在一起，而互连网则把许多网络连在一起，是网络的网络。 以i小写开头的internet（互连网）是通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的网络，在这些网络之间的通信协议可以是任意。 以I大写开头的Internet（互联网）是专用名词，指当前全球最大的、开发的、由众多网络相互连接而成的特定互连网，并采用TCP/IP协议族作为通信规则，前身是美国的ARPNET。 互联网采用存储转发的分组交换技术以及三层ISP结构。 互联网按工作方式分为边缘部分与核心部分。主机在网络的边缘部分，作用时进行信息处理。路由器在网络的核心部分，其作用是按存储转发方式进行分组交换。 计算机通信时计算机中进程的通信，通信方式分为客户-服务器方式和对等连接方式（P2P）。 客户和服务器都是通信中涉及的应用进程，客户是服务请求方，服务器是服务提供方。 按作用范围不同，计算机网络分为广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN和个人区域网PAN。 计算机网络的常用性能指标：速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、防范时间和信道（网络）利用率。 网络协议即协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则，计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。 五层协议的体系结构由应用层、运输层、网络层（网际层）、数据链路层和物理层组成。运输层最重要的协议是TCP和UDP协议，而网络层最重要的是IP协议。
第二章 物理层
本章重要内容： （1）物理层的内容 （2）几种常用的信道复用技术 （3）几种常用的宽带接入技术，主要是ADSL和FTTx
2.1 物理层的基本概念
物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是尽可能屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，使其只需考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段。用于物理层的协议也称物理层规程。 将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体接口有关的一些特性： （1）机械特性：指明接口所用接线器的相关规定。 （2）电气特性：指明接口电缆的各条线上出现的电压范围。 （3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。 （4）过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 数据在计算机内部多采用并行传输，但在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输，即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。 物理层协议种类较多，因为物理连接方式很多，而传输媒体的种类也很多，学习物理层时，重点放在掌握基本概念上。
2.2 数据通信的基本知识
一个数据通信系统可划分为三大部分，源系统（发送端、发送方）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端、接收方）。 源系统一般包括以下两部分： （1）源点（source） 源点设备产生要传输的数据，源点又称源站，或信源。 （2）发送器 源点生成的数字比特流通过发送器编码后才能够在传输系统进行传输，典 型的发送器是调制器。 （3）接收器 接受传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。 典型的接收器是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号解调，提取出在发送端置入的 消息，还原出数字比特流。 （4）终点（destination） 终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输 出。终点又称为目的站，或信宿。 源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线，也可以是连接在两系统之间的复杂网络系统。 通信的目的是传送消息（message）。数据（data）是运送消息的实体，数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。信号（signal）是数据的电气或电磁的表现。 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类： （1）模拟信号，或连续信号 代表消息的参数的取值是连续的。用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号。 （2）数字信号，或离散信号 代表消息的参数的取值是离散的。用户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话网中继线上传送的就是数字信号。在使用时间域的剥削表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元。二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态一种代表1状态。
信道（channel）和电路并不等同，信道一般都是用来表示向某个方向传送信息的媒体。因此一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。 从通信双方的信息交互方式来看，有以下三种基本方式： （1）单向通信 又称单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。例如：无线电广播、有线电广播，电视广播。 （2）双向交替通信 又称半双工通信，即通信双方都可以发送信息，但不能双方同时发送。一方发送而另一方接收，过一段时间后可以再反过来。 （3）双向同时通信 又称全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。 单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信都需要两个信道（每个方向各一条）。双向同时通信的传输效率最高。 来自信源的信号常称为基带信号（基本频带信号）。计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号一般包含较多低频成分，甚至直流成分，许多信道不能传输这种低频分量或直流分量，为解决该问题必须对基带信号进行调制。 调制可分为两大类。一类仅对基带信号的波形进行变换，使它与信道特性相适应，变换后的信号仍是基带信号，这类调制叫基带调制。由于这种调制时把数字信号转换成另一种形式的数字信号，也成为编码（coding）。另一类调制则需要使用载波（carrier）进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号。经过载波调制的信号为带通信号，使用载波的调制称为带通调制。
常用编码方式： （1）不归零制 正电平=1，负电平=0 （2）归零制 正脉冲=1，负脉冲=0 （3）曼彻斯特编码 位周期中心的向上跳变=0，位周期中心的向下跳变=1，也可反过来定义 （4）差分曼彻斯特编码 每一位的中心处始终有跳变，位开始边界有跳变=0，位开始边界没有跳变=1 基本的带通调制方法： （1）调幅（AM）载波的振幅随基带数字信号变化，例如1或0分别对应无载波和有载波输出。 （2）调频（FM） 载波的频率随基带数字信号变化，例如1或0分别对应频率f1或f2。 （3）调相（PM） 载波的初始相位随基带数字信号变化，例如1或0分别对应相位0度或180度。 为达到更高信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制，如正交振幅调制QAM。
数字通信的优点：虽然信号在信道上产生失真，但接收端只要从失真的波形中识别出原来的信号，那么对通信质量就没有影响。码元传输速率越高，信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，传输媒体质量越差，在接收端的波形失真就越严重。 限制码元在信道上传输速率的因素有以下两个： （1）信道能通过的频率范围 在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限，这种现象叫做码间串扰。1924年内奎斯特推导出了奈式准则。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决（识别）成为不可能。 信道频带越宽，能通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高速的速率传送码元而不出现码间串扰。 （2）信噪比 噪声存在于所有电子设备和通信设备中，由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1误判为0或0误判为1）。噪声影响是相对的，信号较强噪声的影响就较小。信噪比即信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N，用分贝（dB）作为度量单位。 信噪比（dB）=10 log10(S/N)（dB） 1948年，香农推导出了香农公式，香农公式指出信道的极限信息传输速率C是 C=W log2（1+S/N） W为信道的带宽（以Hz为单位），S为信道中所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。该公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种方法来实现无差错的传输。 若频带宽度已确定的信道，如果信噪比也不能提高，可让每个码元携带更多比特的信息量以提高信息的传输速率。
2.3 物理层下面的传输媒体
传输媒体也称传输媒介或传输介质，它是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播，而非导引型传输媒体就是指自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输称为无线传输。
导引型传输媒体 （1）双绞线 双绞线也称双扭线，是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰，使用双绞线最多的是电话系统。从用户电话机到交换机的双绞线称为用户线或用户环路。 模拟传输和数字传输都可使用双绞线，通信距离一般为几到十几公里。距离太长时要加放大器将衰减信号放大（模拟传输）或加上中继器对失真的数字信号整形（数字传输）。导线越粗，通信距离越远，价格越高。 为提高双绞线抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加一层用金属丝编织成的屏蔽层。这就是屏蔽双绞线，简称STP，价格高于无屏蔽双绞线UTP。 对传送数据来说，最常用的UTP是5类线，相比3类线大大增加了每单位长度的绞合次数，具有更高的绞合度，提高了线路的传输速率。 无论是哪种双绞线，衰减都随频率的升高而增大，使用更粗的导线可以降低衰减，但却增加了导线的重量和价格。信号应有足够大的振幅，以便在噪声干扰下能被接收端正确地检测出来。双绞线的最高速率与数字信号的编码方式有关。 （2）同轴电缆 同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编制的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆有很好的抗干扰性，被广泛用于传输速率较高的数据。 局域网发展初期广泛使用同轴电缆，现在多用双绞线。同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。同轴电缆的贷款取决于电缆的质量。 （3）光缆 光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，没有相当于0。由于可见光频率非常高，因此光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他传输媒体的带宽。 光纤是光纤通信的传输媒体，发送端有光源，可采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下能产生光脉冲，在接收端利用光电二极管做成光检测器，检测到光脉冲时还原出电脉冲。 光纤通常由非常透明的石英玻璃丝拉成细丝，主要有纤芯和包层构成双层通信圆柱体。利用光的折射实现传输。 可以存在多条不同角度入社的光线在一条光纤中传输，这种光纤叫多模光纤。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真。因此多模光纤只适合近距离传输。若光线的直径减小到只有一个光的波长，则光线可一直向前传输，不会发生多次反射，这样的光纤称为单模光纤，成本较高，损耗小，可在高速率下传输远距离而不使用中继器。 光纤通信常用三个波段的中心分别位于850nm，1300nm和1550nm。后两种衰减较小，850nm衰减大但其他特性较好。所有三个波段都具有25000-30000GHz带宽，可见光纤通信容量非常大。 光纤除通信容量大，还有其他优点： 1.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输经济。 2.抗雷电和电磁干扰性能好。 3.无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。 4.体积小，重量轻。 （4）架空明线 铜线或铁线，在电线杆上架设地互相绝缘的明线，安装简单，通信质量差，已淘汰
非导引型传输媒体 当通信距离很远，敷设电缆既昂贵又费时，利用无线电波在自由空间的传播可较快地实现多种通信，由于该通信方式不使用各种导引型传输媒体，因此将自由空间称为非导引型传输媒体。 无线传输可使用的频段很广，紫外线和更高的波段目前还不能用于通信。 短波通信（高频通信）主要靠电离层的反射，但电离层的不稳定产生的衰落现象和电离层反射产生的多径效应（同一信号经过不同反射路径到达同一个接受点，但各反射路径的衰减和时延都不同，使得合成信号失真很大），使得短波信道的通信质量较差。使用短波无线电台传送数据时，一般都是低速传输，除非采用复杂的调制解调技术才能提速。 无线电微波通信在数据通信中占有重要地位，微波在空间主要是直线传播，传统的微波通信主要有两种，地面微波通信接力通信（由于微波直线传输而地球是曲面，传播距离受限，为实现远距离通信必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干中继站，中继站把前一站送来的信号放大后再发送到下一站，称为接力）和卫星通信。 微波接力可传输电话、电报、图像、数据等信息，主要特点是： （1）波段频率高，频段范围宽，通信信道容量很大 （2）传输质量高（工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低很多） （3）与电缆载波通信比，建设投资小，见效快，易于跨山区，江河 微波缺点： （1）相邻站之间必须直视（常称为视距LOS）不能有障碍物，否则会失真 （2）有时也会受恶劣天气影响 （3）与电缆通信比，屏蔽性和保密性较差 （4）中继站需要大量人力物力维护 卫星通信是利用人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。主要优缺点和微波接力通信相似，最大特点是通信距离远，且费用和距离无关。另一特点是有较大的传播时延（不等同于传送数据的时延大）。适合偏远处的通信，还非常适合广播通信，覆盖面很广，但保密性较差。 红外通信、激光通信也使用非导引型媒体，可用于近距离的笔记本电脑相互传送数据。
2.4 信道复用技术
复用（multiplexing）是通信技术中的基本概念。 最基本的复用就是频分复用FDM和时分复用TDM。频分复用最简单，用户在分到一定频带后，在通信过程中始终占用这个频带，可见频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。时分复用则将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每个时分复用用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙。每个用户占用的时隙周期性出现，TDM信号也称等时信号，时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。这两种复用的优点是技术成熟，缺点是不灵活。时分复用更有利于数字信号的传输。 在进行通信时，复用器总是和分用器成对使用，复用器和分用器之间的是用户共享的高速信道，分用器的作用和复用器相反，它把高速信道中的数据进行分用，交送到相应用户。 由于计算机数据的突发性质，当用户在某一端时间无数据传输时，已经分配到的子信道是空的且其他用户也无法使用，因此时分复用可能会造成线路资源的浪费。统计时分复用STDM，一种改进的时分复用，能明显提高信道利用率。集中器常使用STDM。 统计时分复用使用STDM帧传送复用数据，但每个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就发往集中器的输入缓存，集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中输入的数据放入STDM帧，没有数据的缓存就跳过，满了就发送，因此STDM帧并非固定分配资源，而是动态按需分配，STDM可以提高线路的利用率。在输出线路上，某个用户的时隙不是周期性出现，因此STDM又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。集中器正常工作的前提是各用户都是间歇性工作，否则缓存将溢出。 由于STDM帧动态分配，因此每个时隙中必须又用户的地址信息。使用STDM的集中器也叫做智能复用器，它能提供对整个报文的存储转发能力。TDM帧和STDM帧都是在物理层传送的比特流中划分的帧，并非数据链路层的帧。
波分复用WDM就是光的频分复用，由于光的频率很高，所以习惯用波长而不使用频率来表示所使用的光载波。最初人们只能在一根光纤上复用两路光载波信号，叫做波分复用WDM，现在已能做到在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号，于是就使用了密集波分复用DWDM。 波分复用的复用器为光复用器（又称合波器），分用器为光分用器（又称分波器），光信号传输时会衰减，通过掺铒光纤放大器EDFA将光信号转换成电信号，经过电放大器放大后再转换成光信号。
码分复用CDM是另一种共享信道的方法。更常用的名词是码分多址CDMA，每个用户可在同样的时间使用同样的频带通信，由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此个用户之间不会造成干扰。码分复用最初用于军事通信，因其信号具有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。现已广泛民用，特别是无线局域网中，CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰影响，增大通信系统的容量等等。 CDMA中，每个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片。通常m=64或128。使用CDMA的每一个站被指配一个唯一的m bit码片序列。若要发送比特1，则发送自己的m bit码片序列。若要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。码片中的0写为-1，1写为+1。假定S站要发送信息的数据率为b bit/s，由于每个比特要转换成m个比特的码片，则发送速率提高至mb bit/s，所占用的频带宽度也提高到m倍。这种通信方式是扩频通信中的一种，扩频通常有两大类，一种是直接序列扩频DSSS，如上述的使用码片序列就是这一种，另一种是跳频扩频FHSS。 CDMA系统的一个重要特点即这种体制给每一个站点分配的码片序列不仅必须各不相同，还必须相互正交。在使用的系统中是使用伪随机码序列。 令向量S表示站S的码片序列，T表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量S和向量T的规格化内积都是0。任何一个码片向量和自己的规格化内积都为1，和自己反码的规格化内积为-1。
2.5 数字传输系统
早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线采用双绞线，而长途干线采用频分复用FDM的模拟传输方式。由于数字通信相比模拟通信无论质量还是经济上都有优势，目前长途干线大多采用时分复用PCM的数字传输方式。模拟线路基本只剩用户电话机到市话交换机之间的几公里长的用户线上。 数字化的同时，光纤开始成为长途干线最主要的传输媒体。光纤的高速带宽是用于承载高速率数据业务和大量服用的低速率业务。早期的数字传输系统存在许多缺点，主要是以下两个：（1）速率标准不统一。（2）非同步传输。为节约经费，各国数字网主要采用准同步方式，准同步系统中各支路信号时钟频率存在一定偏差，给时分复用和分用带来许多麻烦。为解决该问题，1988年美国推出了一个数字传输标准，同步光纤网SONET。
2.6 宽带接入技术
用户要连接到互联网，必须先连接到某个ISP，以获得上网所需的IP地址。从宽带接入的媒体看，可划分为有线宽带接入和无线宽带接入，此处讨论前者。
ADSL技术 非对称数字用户线ADSL技术使用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载带宽数字业务。ADSL将低端频谱留给传统电话使用，把原来没有利用的高端频谱留给用户上网使用。由于用户上网主要是下载而非上传文件，因此ADSL的下行带宽（从ISP到用户）都远远大于上行（从用户到ISP）带宽，因此称为“非对称”。 ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线粤西，信号传输时的衰减就越大）。此外ADSL所能得到的最高数据传输速率还与实际的用户线上的信噪比密切相关。 ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。我国目前采用的调制解调器实现方案使离散多音调DMT调制技术。多音调指多载波和多子信道。DMT调制技术采用频分复用FDM，把高端频谱划分为许多子信道，25个子信道用于上行信道，249个子信道用于下行信道，并用不同的载波（不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制器并行传送数据。由于用户线的具体条件差异大，因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用频率，各子信道干扰情况，信号的传输质量。这样ADSL就能选择合适的调制方案以获得较高的数据率，可见ADSL不能保证固定的数据率。 基于ADSL的接入网由以下三大部分组成：数字用户线接入复用器DSLAM，用户线和用户家中的一些设施。DSLAM包括许多ADSL调制解调器，ADSL调制解调器又称为接入端接单元ATU。由于ADSL调制解调器必须成对使用，因此把在电话端局（或远端站）和用户家中的ADSL调制解调器分别记为ATU-C（C表示端局Central Office）和ATU-R（R表示远端Remote）。用户电话通过电话分离器和ATU-R连接，经用户线到端局，并再次经过一个电话分离器把电话连到本地电话交换机。电话分离器是无源的（为在停电时不影响传统电话使用），它利用低通滤波器将电话信号和数字信号分开。 ADSL最大的好处即可以利用现有电话网中的用户线（铜线），而不需要重新布线。ADSL借助在用户线两端安装的ADSL调制解调器对数字信号进行了调制，使得调制后的数字信号的频谱适合在原来的用户线上传输。 第二代ADSL的改进：（1）通过提高调制效率得到了更高的数据率。（2）采用了无缝速率自适应技术SRA，可在运营中不断通信和不产生误码的情况下，根据线路实时状况，自适应调整数据率。（3）改善了线路质量测评和故障定位功能。 ADSL不适合企业，因为企业需要使用上行信道发送大量数据。为满足企业要求ADSL技术有几种变变型。如对称DSL即SDSL，还有一种使用一对线或两队线的DSL叫做HDSL，是用来取代T1线路的高速数字用户线。
光纤同轴混合网（HFC网）是在目前覆盖范围很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除可传送电视节目外还能提供电话、数据和其他宽带交换业务。最早的有线电视网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，采用模拟技术的FDM对电视节目进行单向广播传输。现在的有线电视网进行了改造，变成了光纤同轴混合网（HFC网），HFC的主要特点如下。 为提高传输的可靠性和电视信号的质量，HFC网把元有线电视网中的同轴电缆主干部分换为光纤。光线从头端连接到光纤结点，在光纤结点光信号被转换为电信号，然后通过同轴电缆传送到用户家庭。 原来的有线电视网的最高传输速率450MHz且只用于电视信号的下行传输，现在的HFC具有双向传输功能，并且扩展了传输频带。 要使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号，需要把一个叫做机顶盒的连接设备连接在同轴电缆和用户的电视机之间。为使用户能利用HFC网接入互联网，以及在上行信道中传送交互数字电视所需的一些信息，还需增加一个为HFC网使用的调制解调器，又称电缆调制解调器。电缆调制解调器不需要成对使用，只需要安装到用户端。
FTTx技术 光纤到户FTTH，即把光纤一直铺设到用户家庭，只有在光纤进入用户家门后，才把光信号转换为电信号，这样做可使用户获得最高上网速率。 两个问题：（1）价格昂贵（2）一般家庭无此高数据率的需求。 因此出现了多种宽带光纤接入方式，FTTx，x表示不同的光纤接入地点。实际上，FTTx就是把光电转换的地方，从用户家中（这时x为H）向外延伸到离用户家门口有一定距离的地方。 信号在陆地上的长距离传输基本都已实现光线话，ADSL和HFC中，用于远距离的传输媒体也早使用了光缆，在临近用户的地方才转为铜缆（用户的电话线和同轴电缆）。一个家庭元雍布拉一根光纤的通信容量，为有效利用光线资源，在光线干线和广大用户之间还需要铺设一段中间的转换装置即光配线网ODN，使得数十个家庭能共享一根光纤。无源的光配线网称为无源光网络PON，无源表示在光配线网中无须配备电源，因此基本不用维护。 光线路终端OLT是连接到光线干线的终端设备。OLT把收到的下行数据发往无源的1：N光分路器，然后用广播方式向所有用户端的光网络单元ONU发送。每个ONU根据特有的标识只接收发送给自己的数据，然后转换为电信号发往用户家中。 当ONU发送上行数据时，先把电信号转换为光信号，光分路器把各ONU发来的上行数据汇总后，以TDMA的方式发往OLT。 光配线网采用波分复用WDM，上行和下行分别使用不同的波长。 无源光网络PON主要有以下两种： （1）吉比特无源光网络GPON，采用通用封装方法GEM，可承载多业务。 （2）以太网无源光网络EPON，在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现以太网的接入。优点：与现有以太网的兼容性好，成本低，扩展性强，方便管理。 现有很多种FTTx，除光纤到户FTTH外，还有光纤到路边FTTC（Curb），光纤到小区FTTZ（Zone），广信到大楼FTTB（Building），光纤到楼层FTTF（Floor），光纤到办公室FTTO（Office），光纤到桌面FTTD（Desk）等。
2.7 本章的重要概念
物理层的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。 一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统、传输系统和目的系统。源系统包括源点（或源站、信源）和发送器，目的系统包括接收器和终点（或目的站，信宿）。 通信的目的时传送消息，话音、文字、图像、视频等都是消息。数据是运送消息的实体，信号则是数据的电气或电磁的表现。 根据信号中代表消息的参数取值方式的不同，信号可分为模拟信号（连续信号）和数字信号（离散信号）。代表数字信号不同离散值的基本波形为码元。 根据双方信息交互的方式，通信可划分为单向通信（单工通信）、双向交替通信（半双工通信）和双向同时通信（全双工通信）。 来自信源的信号叫做基带信号。信号要在信道上传输就要经过调制，调制有基带调制和带通调制。最基本的带通调制方法有调幅、调频和调相。还有更复杂的调制方法，如正交振幅调制。 要提高数据在信道的传输速率，可使用更好的传输媒体，或使用先进的调制技术，但数据传输速率不可能被任意提高。 传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体（双绞线、同轴电缆或光纤）和非导引型传输媒体（无线或红外或大气激光）。 常用的信道复用技术有频分复用FDM、时分复用TDM、统计时分复用STDM、码分复用CDM和波分复用WDM（光的频分复用）。 最初在数字传输系统中使用的传输标准是脉冲编码调制PCM，现在高速的数字传输系统使用同步光纤网SONET（美国标准）或同步数字系列SDH（国际标准）。 用户到互联网的宽带接入方法有非对称数字用户线ADSL（用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造）、光纤同轴混合网HFC（在有线电视网的基础上开发的）和FTTx（即光纤到...）。 为有效利用光线资源，在光线干线和用户之间广泛使用无源光网络PON。无源光网络无需配备电源，其长期运营成本和管理成本都很低。最流行的无源光网络是以太网无源光网络EPON和吉比特无源光网络GPON。
第三章 数据链路层
数据链路层属于计算机网络的低层，该层使用的信道主要有以下两种： （1）点对点信道。使用一对一的点对点通信方式。 （2）广播信道。使用一对多的广播信道通信方式，广播信道上连接了很多主机，因此必须使用专用的共享信道协议协调这些主机的数据发送。 网络层讨论分组如何从一个网络通过路由器转发到另一个网络，本章讨论分组怎样从一台主机传送到另一台主机，不经过路由器，从整个网络看，局域网属于数据链路层的范围。 本章最重要的内容是： （1）数据链路层的点对点信道和广播信道的特点，以及这两种信道所用协议（PPP协议以及CSMA/CD协议）的特点。 （2）数据链路层的三个基本问题：封装成帧、透明传输和差错检测。 （3）以太网MAC层的硬件地址。 （4）适配器、转发器、集线器、网桥、以太网交换机的作用和使用场合。
3.1 使用点到点信道的数据链路层
链路和数据链路不是一回事，链路（link）是从一个结点到相邻结点的一段物理线路（有线或无线），而中间没有其他交换结点。进行数据通信时，两台计算机之间的通信路径往往要经过许多段链路，因此链路只是一条路径的组成部分。 数据链路（data link）是另一个概念。当需要在一条线路上传送数据时，除必须有一条物理线路外，还必须有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。最常用的方法是使用网络适配器（既包括硬件也包括软件）来实现这些协议。一般的适配器都包括数据链路层和物理层这两层的功能。 也有另外的术语，即把链路分为物理链路（上述链路）和逻辑链路（上述数据链路，是物理链路加上必要的通信协议）。 早期数据通信协议叫通信规程（procedure），因此在数据链路层，规程和协议是同义语。 数据链路层的协议数据单元PDU是帧。数据链路层把网络层交下来的数据构成帧发送到链路上，以及把接收到的帧中的数据提出并上交给网络层。互联网中，网络层的协议数据单元就是IP数据报（或简称数据报、包、分组）。 点到点信道的数据链路层在通信时的主要步骤： （1）结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧 （2）结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层 （3）若结点B的数据链路层收到的帧无差错，则提取出IP数据报上交网络层，否则丢弃这个帧。
数据链路层协议有许多种，但有三个基本的共同问题：封装成帧、透明传输和差错控制。 （1）封装成帧 封装成帧（framing）就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个帧，接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束。 一个帧的帧长等于数据长度部分（IP数据报构成）加上帧首部和帧尾部的长度。首部和尾部的一个重要作用就是帧定界（即确定帧的界限）。此外首部和尾部还包括许多控制信息，在发送帧时，是从帧首部开始发送的。为提高帧传输效率，应使帧的数据部分长度仅可能大于首部和尾部，但每一种链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限——最大传输单元MTU（Maximum Transfer Unit）。 当数据由可打印的ASCII码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符。控制字符SOH（Start Of Header）放在帧的最前面，表示帧的首部开始，另一个控制字符EOT（End Of Transmission）表示帧的结束。SOH和EOT都是控制字符的名字，它们的16进制编码分别是01和04。 当数据在传输中出现差错时，帧定界的作用更加明显。假定发送端在尚未发送完一个帧时发生故障，中断了发送之后恢复正常，从头开始发送刚才未发完的帧，由于使用了帧定界符，接收端就知道前面收到的数据是不完整的帧（只有SOH而没有EOT），必须丢弃。 （2）透明传输 当传送帧是用文本文件组成的帧时，其数据部分不会出现SOH或EOT这样的帧界定控制符。因此不管从键盘上输入什么字符都可以放在这样的帧中传输过去，这样的传输就是透明传输。 但当数据部分时非ASCII码的文本文件时，情况就不同了。如果数据中某个字节的二进制代码恰好和SOH或EOT一样，数据链路层会错误地找到帧的边界收下部分帧而把剩下的数据丢弃。 透明是一个重要术语，它表示：某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。在数据链路层透明传送数据，表示无论什么样的比特组合的数据，都能按原样没有差错地通过数据链路层。因此对传送数据来说，这些数据就“看不见”数据链路层有什么妨碍数据传输的东西。 为解决透明传输，必须设法使数据中可能出现的控制字符SOH和EOT在接收端不被解释为控制字符。具体的方法是：发送端的数据链路层在数据中的SOH或EOT之前插入一个转义字符ESC（其16进制编码为1B），而在接收端的数据链路层在把数据送往网络层之前删除这个ESC。这种方法称为字节填充或字符填充。如果转义字符也出现在数据，那就在ESC前再加一个ESC。 （3）差错控制 比特在传输过程中可能产生差错：1可能变成0，0可能变成1，这就叫比特差错。比特差错是传输差错的一种。在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率就叫误码率BER（Error Bit Rate）。误码率和信噪比有关，如果设法提高信噪比，误码率就会减小。为保证数据传输可靠性，必须采用各种差错检测措施，目前在数据链路层广泛使用了循环冗余检测CRC的检错技术。 在发送端，先把数据划分为组，假定每组k个比特。假定待传送数据M=101001（k=6），CRC运算就是在M的后面添加n位供差错检测用的冗余码，然后构成一个（k+n）位的帧发送出去。 n位冗余码用以下方法得出。用二进制的模2运算进行2n乘M，相当于在M后面添加n个0，得到的（k+n）位数除以事先约定的长度为（n+1）的除数P得到商Q和余数R（n位，比除数少一位）。例M=101001，P=1101即n=3，经模2除法得出的结果是商Q=110101（商无用），R=001。这个余数R就作为冗余码拼接在M的后面发送出去，这种为了检错而添加的冗余码称为帧检测码FCS，因此加上FCS后发送的帧是101001001（即2nM+FCS）。 接收端把接收到的数据以帧为单位进行CRC校验：把收到的每一个帧都出以同样的除数P（模2运算），然后检查余数R。如果传输无差错，那么R=0。若R=0，判定帧没有差错，接收，如果R不等于0，则判断帧有差错并舍弃。 一种较简便的方法是用多项式来表示循环冗余检验过程。例如用P(X)=X3+X2+1表示1101。多项式P(X)称为生成多项式。 在数据链路层，发送端帧检验序列FCS和接收端CRC检验都是用硬件完成的，处理迅速，不会延误数据的传输。从上述讨论可知如果不以帧为单位传送数据就无法加入冗余码来进行差错检验，因此要在数据链路层进行差错检验就必须把数据划分位帧，每一帧都加上冗余码，一帧一帧地发送然后在接收端逐帧进行差错检验。 若仅使用CRC，则只能做到对帧的无差错接受，即凡是接收端数据链路层接受的帧，我们都能以非常接近1的概率认为这些帧在传输中没有出现差错。出现差错的帧虽然曾接收到了但最终会被丢弃。 差错传输分类两大类：一类是前述最基本的比特差错，而另一类传输差错更复杂，就是收到的帧没有比特差错，但出现了帧丢失、帧重复或帧失序。 过去OSI的观点是：必须让数据链路层向上提供可靠传输，因此在CRC的基础上增加了帧编号、确认和重传机制。收到正确的帧就要向发送端发送确认，发送端未在时限内收到对方确认就会进行重传直到收到对方确认位置。但现在的通信线路质量已大大提高，互联网以采用了区别对待的方法。 对通信质量良好的有线传输链路，数据链路层协议不使用确认和重传机制，即不要求向上提供可靠的传输服务。如果在数据链路层传输数据时出现差错并需要更正，那么改正差错的任务交给上层协议（如运输层的TCP）来完成。 对通信质量较差的无线传输链路，数据链路层协议使用确认和重传机制，向上提供可靠的服务。实践证明，这样做可以提高通信效率。
3.2 点对点协议PPP
通信线路质量较差的年代，多使用可实现可靠传输的高级数据链路控制HDLC，现在HDLC已很少使用了，对于点对点的链路，简单得多的点对点协议PPP是目前使用的最广泛的数据链路层协议。 互联网用户通常需要连接到某个ISP才能接入互联网，PPP协议就是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。 PPP协议应满足的需求： （1）简单 IETF设计互联网体系结构时将最复杂的部分放在TCP协议中，而网际协议IP则相对简单，提供不可靠的数据包服务。因此数据链路层没必要提供比IP协议更多的功能，对数据链路层的帧，不需要纠错，不需要序号，也不