CN-0/1/2 体系结构、物理层与数据链路层

计算机网络

来源：40-CN012-体系结构物理层链路层.md · 完整笔记（7 节，未删减）

计算机网络模块。计网的地基三问：为什么分层（CN-0）、比特怎么在线路上跑（CN-1）、相邻节点间怎么可靠传帧（CN-2）。滑动窗口部分与 CN-4（TCP）构成 X-6 连接点；设备部分为 CN-3（路由器）做铺垫。

核心问题

这一部分为什么存在？

CN-0（分层）：两台主机通信要解决信号、成帧、寻址、选路、可靠、应用语义等一大堆互相独立又彼此依赖的问题——一个巨型协议无法设计、无法实现、无法替换。分层的回答是：每层只解决一个问题，向上提供服务，向下使用服务，层间只留接口。代价是每层加首部（封装开销）。OSI 七层（理论模型）与 TCP/IP 四层（事实标准）并存，408 要求对照记忆。

CN-1（物理层）：分层定了之后，最底层要先回答“比特如何变成能在铜线/光纤/空气里跑的物理信号，以及一条信道最快能跑多快”。

CN-2（数据链路层）：物理层只管传比特，不管对错。相邻两个节点之间还要回答：比特流从哪到哪是一帧（组帧）？错了怎么发现（差错控制）？发快了怎么办、丢了怎么办（流量控制与可靠传输）？一条共享信道谁先用（介质访问控制）？

没有这三层：上层的 IP、TCP 全是空中楼阁。

概念体系

flowchart TD
    subgraph CN0["CN-0 分层"]
        A1["应用/表示/会话"] --> A2["传输层：端到端"] --> A3["网络层：寻址选路"] --> A4["数据链路层：成帧可靠"] --> A5["物理层：传比特"]
    end
    subgraph CN1["CN-1 物理层"]
        B1["信道极限：奈氏(无噪) / 香农(有噪)"] --> B2["编码调制 + 复用"]
    end
    subgraph CN2["CN-2 数据链路层"]
        C1["组帧 + CRC 检错"] --> C2["可靠传输：停等/GBN/SR"]
        C2 --> C3["共享信道：CSMA/CD、CSMA/CA"]
        C3 --> C4["以太网 + 交换机"]
    end
    A5 -.承载.-> B1
    A4 -.使用.-> C1

核心概念：

概念	要点	易考点
三种交换方式	电路交换（建专用通路，时延小但利用率低）、报文交换（整报文存储转发）、分组交换（切片流水，互联网的选择）	2013-35：8Mb 报文、两段 10Mbps 链路 → 报文交换 1600ms、分组交换 801ms（切片后各段流水）
时延构成	发送时延 = 帧长/速率；传播时延 = 距离/电磁波速；排队 + 处理	“总时延”题逐项相加，注意 $10^6$ 与 $2^{20}$ 的约定
奈氏准则	无噪声： $C = 2W\log_2 V$ （ $V$ = 码元状态数）	2009-34：3kHz、16 电平 → 24kbps
香农公式	有噪声： $C = W\log_2(1+S/N)$ ；dB 换算 $10\lg(S/N)$	2016-34：8kHz、30dB → 80kbps
曼彻斯特编码	每个码元中间必跳变（自带时钟）；差分曼彻斯特看码元起点有无跳变	2021-34（读波形图）；2015-36（编码组合）
帧	链路层 PDU；以太网帧：目的 MAC 6B + 源 MAC 6B + 类型 2B + 数据 46~1500B + FCS 4B	最短 64B（CSMA/CD 决定）、最长 1518B
冲突域 vs 广播域	冲突域：同时发会撞的范围；广播域：广播帧能到的范围	集线器不分隔任何域；交换机分隔冲突域不分隔广播域；路由器都分隔（2015-37：交换机 = 多端口网桥）

实现机制

1. 信道极限：奈氏与香农分别回答什么

奈氏准则（无噪声理想信道）：码元速率上限 2W 波特，所以提高速率的办法是增加每个码元的电平数 $V$ 。
香农公式（有噪声实际信道）：给的是无论如何编码都不可逾越的上限，由带宽 $W$ 和信噪比 $S/N$ 决定。
易混点：奈氏管“码元打多快”，香农管“比特至多传多快”；题目同时给两个公式条件时取较小者。

2. CRC 循环冗余校验（2023-37 模板）

生成多项式 $G(x)$ 转二进制位串（ $x^4+x+1$ → 10011，校验位 = 最高次幂 4 位）→ 收发双方对帧做模 2 除法（异或，不借位），余数全 0 = 无错。CRC 只检错不纠错；纠错需海明码（理解级）。

3. 可靠传输三协议：窗口为什么受限（X-6 的地基）

链路上“发快淹没、丢包乱序”两个问题的解决史：

协议	发送窗	接收窗	确认方式	出错重传	序号位数 $n$ 的窗口上限
停等	1	1	逐帧	超时重传该帧	利用率低
GBN	$W$	1	累计确认	重传出错帧及其后全部	$W \leq 2^n - 1$
SR	$W$	$W$	逐帧确认	只重传出错帧	收发等窗时 $W \leq 2^{n-1}$

窗口上限的由来（补充理解）：GBN 若 $W = 2^n$ ，全部帧发出后收方 ACK 全丢，发方超时重发，收方无法区分“新帧”还是“重发帧”——所以要留一个序号。SR 双方窗口总和不能超过序号空间，等窗时各一半。

信道利用率公式（来源：复习资料 P5 模板 9）： $U = \dfrac{W \cdot T_f}{T_f + RTT}$ （未满流水时）， $T_f$ = 帧长/速率。

2012-36：GBN、16kbps、单向 270ms、帧 128~512B、确认帧等长 → 由 $U \geq$ 最大值反推 $W$ ，再由 $W \leq 2^n - 1$ 定序号比特数。
2015-35：卫星链路 128kbps、单向 250ms、帧 1000B、 $U \geq 80\%$ → $n$ 至少多少。
2019-35：序号 3 比特、发送窗 5 → SR 接收窗最大 = $2^{3-1} = 4$ （但发送窗 5 已超界，实际考察窗口约束）。
2023-35：同信道三协议利用率 $U_1, U_2, U_3$ 的大小关系（停等 < GBN < SR 的条件比较）。
2017-47（GBN 双向大题）：捎带确认 + 序号/确认号字段 3 比特，读时序图推发送与确认序列。

4. 介质访问控制：共享信道谁先用

CSMA/CD（有线以太网）：先听后发、边发边听、冲突停发、随机重发（二进制指数退避：第 $k$ 次冲突后在 $[0, 2^k-1]$ 个争用期中随机， $k$ 封顶 10）。为什么有最短帧长：发完一帧之前必须能检测到最远端的冲突 → 帧发送时间 $\geq$ 争用期 $2\tau$ ，故 $L_{min} = (2d/v) \cdot R$ ，以太网定 64B（2009-37：速率提到 1Gbps 后最短帧长不变则覆盖距离减小 80m；2023-36：连续 4 次冲突，退避最长 $(2^4-1) \times 51.2\mu s = 768\mu s$ ）。
CSMA/CA（无线 802.11）：无线环境测不出冲突（信号衰减 + 隐蔽站），所以改为冲突避免：IFS 帧间间隔优先级（SIFS < PIFS < DIFS，2020-37 考最长）、RTS/CTS 预约信道（2018-35）、每帧都要 ACK。
易混对 CSMA/CD vs CSMA/CA：为什么易混——都是载波监听。本质区别——CD 能检测冲突（有线能量叠加可测）所以不需要 ACK；CA 检测不到只能避免并靠 ACK 确认成功。判别线索：题目出现“争用期/最短帧长/退避”→ CD；“RTS/CTS/IFS/隐蔽站”→ CA。

5. 交换机：自学习与转发

交换机 = 多端口网桥（2015-37）。自学习：从每个帧的源 MAC + 入端口登记交换表；转发：查目的 MAC——查到从对应端口转发、查不到/广播则泛洪（除入端口外全发）。真题：2013-34（两帧一来一回后交换表的变化与转发端口）、2009-36（转发决策用目的 MAC）、2024-35（VLAN 划分广播域后 ARP 表内容）。

直通交换 vs 存储转发：直通只读目的 MAC（6B）就转发 → 延迟 = 6B/速率 = 0.48μs（2013-38）；存储转发收完整帧再转 → 延迟大但能检错。

方案比较

集线器 vs 交换机 vs 路由器（本模块第一易混对，为 CN-3 铺垫）：

设备	工作层	冲突域	广播域	依据什么转发
集线器 Hub	物理层	不分隔	不分隔	无脑全发
交换机	数据链路层	分隔	不分隔（VLAN 可分）	目的 MAC
路由器	网络层	分隔	分隔	目的 IP + 路由表

为什么易混——都能“连接设备”。本质区别——工作的层次决定了它们“看得见”什么地址、能把网络切到什么程度。判别线索：题目问“几个冲突域/广播域”→ 逐设备按上表切（2022-47 大题：同广播域不同冲突域 → 中间是交换机；同冲突域 → 集线器）。

GBN vs SR：GBN 接收简单（窗口 1）但浪费带宽（错一罚全）；SR 省带宽但接收方要缓存乱序帧。TCP 的累计确认更像 GBN，快速重传思想像 SR——X-6 的过渡。

应用与考法

形态一：信道与时延计算：2009-34（奈氏）、2016-34（香农）、2010-34（存储转发总时延）、2013-35（报文 vs 分组交换）、2024-33（路径最大吞吐量 = 瓶颈带宽）。

形态二：编码与 CRC：2015-36、2021-34（波形读码）、2023-37（CRC 逐项模 2 除）。

形态三：滑动窗口：2012-36、2015-35（利用率反推序号位数）、2019-35（SR 窗口上限）、2023-35（三协议利用率关系）、2017-47（GBN 双向时序图大题）、2024-37（SR 过程分析）。

形态四：以太网与设备：2009-36/37、2013-34/38、2014-34、2015-37、2018-35、2020-37、2022-47（冲突域/广播域设备选择大题）、2023-36、2024-35（VLAN）。

做题触发词：看到“无噪声/有噪声”→ 奈氏/香农对号入座；看到“dB”→ 先除 10 再取幂；看到“最短帧长/退避”→ CSMA/CD；看到“序号 n 比特”→ 立即写窗口约束；看到“交换表”→ 源 MAC 学习、目的 MAC 转发、未知泛洪。

来源：真题markdown/2009-2024统考真题.md 对应题号；复习资料 P5 §1.1–1.2、模板 1/2/9。

前后联系

向前依赖：无（计网起点）；与计组的呼应：总线仲裁 ≈ 介质访问控制（共享通道分配，CO-6）；CRC/编码与数据表示的位运算（CO-1）。
向后引出：
- 交换机只管一个局域网，跨网络需要寻址与选路 → CN-3 网络层（2018-37：跨路由器时帧的源/目的 MAC 每跳重写，IP 不变——链路层与网络层分工的最佳例证）；
- GBN/SR 的窗口思想 → CN-4 TCP（X-6）；
- CSMA/CA 的无线环境 → 移动互联网（理解级）；
- 封装/解封 → CN-6 协议协作全景（2021-47 大题以本层帧为起点）。

闭卷回忆链

通信问题这么多，为什么不写一个巨型协议？分层的代价是什么？
OSI 七层和 TCP/IP 四层怎么对应？每层各解决什么问题？
一条信道最快多快由什么决定？无噪声和有噪声各用哪个公式？
曼彻斯特编码为什么自带时钟？差分曼彻斯特怎么读？
比特流如何变成帧？错了怎么发现？（组帧 + CRC 模 2 除）
发快了、丢了怎么办？停等为什么慢？
GBN 和 SR 的窗口、确认、重传各有什么不同？序号 n 位时窗口为什么受限？
信道利用率怎么算？怎么由利用率反推窗口和序号位数？
共享以太网上两个站同时发会怎样？CSMA/CD 怎么处理？为什么有最短帧长？
无线网为什么用不了 CD？CSMA/CA 用什么替代？（IFS、RTS/CTS、ACK）
交换机怎么“学会”转发表？未知目的怎么办？
集线器、交换机、路由器各分隔什么域？（接 CN-3：跨网要靠谁）