【计算机网络】6.链路层和局域网
1 导论
- 节点（nodes）：主机和路由器（网桥和交换机也是）
- 链路（links）：沿着通信路径，连接相邻节点通信信道（有线链路、无线链路、局域网共享性链路）
- 帧（frame）：第二层协议数据单元，封装数据报
IP数据报分组在不同的链路上以不同的链路协议传送，路由器根据要打出的端口确定封装的协议，例如从以太网接收的数据报转发到WLan打出
1.1 链路层服务
- 成帧，链路接入
- 将数据报封装到帧中，加上帧头帧尾
- 共享性介质需要首先获得信道访问权再进行传输
- 帧头使用MAC物理地址来标示源和目标地址
- 相邻两个节点完成可靠数据传递
- 传输层完成该工作
- 在光纤这类低出错率的线路上很少使用（每一帧都来回确认是否有错误，但出错率本身很低，代价太大）
- 无线链路上链路层和传输层都实现了可靠性（无线链路出错率很高，不做确认上层的代价就会非常大）
- 流量控制：相邻节点发送和接收方节点的速度匹配
- 错误检测：信号衰减和噪声引起
- 差错纠正：接收端不通过重传检查和纠正bit级错误
- 全双工和半双工：链路可以双向传输，但一次只能传输一个方向
1.2 适配器通信
每个主机上都有以太网卡或802.11网卡等，实现了链路层和相应的物理层的功能。网络适配器接到主机的总线上
2 CRC循环冗余校验
3 多点访问协议
- 两种类型的链路
- 点对点连接的网络：拨号访问PPP，以太网交换机和主机之间的点对点链路
- 广播式的链路
- 传统以太网
- HFC上行链路
- 802.11无线局域网
多个站点使用同一个信道，如果多个站点同时发送信息会导致冲突，会收到多个信号的叠加，信息将会是错误的
理想的多路访问协议：如果广播信道速率为Rbps，有M个节点发送时，每个节点以R/M的平均速率发送
3.1 媒体访问控制协议
MAC（媒体访问控制协议）不是mac物理地址，基本有3类方式
- 信道划分：把信道划分成小片（时间、频率、编码）
- 随机访问：信道不划分，允许冲突，检测冲突后恢复
- 依次轮流：节点依次轮流，但数据量大的节点使用较长的时间
随机访问 纯ALOHA：有帧立刻发送，冲突就冲突了，信道利用率17.5%，很垃圾
随机访问 CSMA（载波侦听多路访问）：侦听到信道空闲就发送整个帧，如果信道忙就推迟发送，也有问题，可能对方已经发了，还没传到我这，我以为没人发我就发了，这也能冲突
随机访问 CSMA/CD（冲突检测，以太网）：
- 发送前侦听信道，如果信道空闲则发送，忙则等待到空闲再发送
- 发送过程中若没有检测到冲突则成果，检测到冲突放弃发送并尝试重新发送
- 发生冲突的节点必须发送强化冲突信号，通知所有站点信道发生了冲突
- 如果放弃，适配器进入指数避退状态，第m次失败，适配器随机选择{0,1,2,...,2m-1}中一个值K，等待K*512位时后再开始侦听并准备发送
随机访问 CAMA/CA（冲突避免，无线局域网）：不冲突不一定代表发送成功，例如A和B同时给C发送数据，但A和B有格挡，导致A不知道有冲突，B也不知道有冲突，但C接受失败
- 发送方侦听信道，如果信道空闲则直接发送，如果收到一个返回值ACK则说明发送成功
- 发送方侦听信道，如果信道忙，则随机选择一个值，并在信道空闲时递减该值，递减到0后如果信道空闲则发送整个帧，如果没有收到ACK则增加回退值并重新进行递减
4 LANs 局域网
- 32 bit IP地址
- 网络层地址
- 前n-1跳：用于使数据报到达目的IP子网
- 最后一跳：到达子网中的目标节点
- LAN（MAC/物理/以太网）地址：
- 用于帧从一个网卡传递到另一个网卡（物理网络）
- 48bit MAC地址固化在适配器的ROM，有时也可以通过软件设置
- 理论上MAC地址全球唯一
4.1 网络地址和mac地址
- IP地址和MAC地址的作用不同
- IP地址是分层的，实现路由聚集，减少路由表；IP地址完成网络到网络的交付
- mac地址是平面的，网卡生产时只给网卡一个唯一标识，用于区分网络内部不同的网卡，可以完成物理网络内部的节点到节点的数据交付
- IP和MAC分离的好处
- 网卡坏了IP不变，只需要绑定到另一个网卡的MAC地址
- 物理网络还可以使用其他上层的网络协议，如IPX
- MAC地址由IEEE管理和分配，制造商从IEEE购入MAC地址
4.2 LAN和ARP
- 在LAN上的每个IP节点都有一个ARP（Address Resolution Protocol）表
- ARP表：包括LAN节点IP/MAC地址的映射 <IP address; MAC address; TTL>
从一个LAN路由到另一个LAN的例子
- R为网络上的路由器，R上有两个ARP表，分别对应两个LAN的地址映射关系
- 源主机A发送数据报到目标主机B，网络层：源IP111.111.111.111，目标IP222.222.222.222
- A->R：第一跳时它的源mac为74-29-9C-E8-FF-55，查ARP目标MAC为E6-E9-00-17-BB-4B
- R->B：第二跳时它的源mac为1A-23-F9-CD-06-9B，查ARP目标MAC为49-BD-D2-C7-56-2A
- 每一跳网络层源IP和目标IP都不变，但每一跳mac都在通过查ARP表变化
4.3 以太网
- 以太网帧的结构
- 前导码：用来同步接收方和发送方的时钟频率，使接收方调到发送端的时钟，按照发送端的时钟接收发来的帧
- 地址：6字节源MAC地址，目标MAC地址
- 类型：指出高层协议（大多数情况下是IP协议）
- CRC：在接收方校验
- 以太网：无连接、不可靠的服务，使用二进制退避的CSMA/CD介质访问控制形式
4.4 交换机
- 链路层设备：扮演主动角色（端口执行以太网协议）
- 对帧进行存储和转发
- 对于到来的帧，检查帧头，根据目标MAC地址进行选择性转发
- 当帧需要向某个网段转发时，使用CSMA/CD进行接入控制
- 通常一个交换机需要一个独立网段
- 透明：主机对交换机的存在可以不关心
- 通过交换机相联的各节点如同直接连接
- 有MAC地址，无IP地址
- 交换机（switch）实现多路同时传输，A到A'传输数据，则瞬时开关打开端口1和4
- 主机有一个专用和直接到交换机的连接
- 交换机缓存到来的帧
- 对每个帧进入的链路使用以太网协议，没有碰撞，全双工
- 每条链路都是独立的碰撞域
- MAC协议在其中的作用弱化了
4.5 路由器和交换机
- 都是存储转发设备
- 交换机：链路层设备（检查链路层头部）
- 路由器：网络层设备（检查网络层头部）
- 都有转发表：
- 交换机：维持交换表，按照MAC地址转发，2层设备
- 路由器：维护路由表，执行路由算法
- 拓扑构建网络
- 对广播分组做限制
- 需要配置网络地址（子网前缀）
- 三层设备，速率低
