计算机网络（六）：链路层

1. 概述

链路层中有两种截然不同的链路层信道：

• 第一种类型是广播信道，这种信道用于连接有线局域网、卫星网和混合光纤同轴电缆接人网中的多台主机。
• 第二种类型的链路层信道是点对点通信链路，这在诸如长距离链路连接的两台路由器之间，或用户办公室计算机与它们所连接的邻近以太网交换机之间等场合经常能够发现。

链路层相关术语：

• 运行链路层协议的任何设备均称为节点（node），节点包括主机、路由器、交换机和WiFi接入点。
• 把沿着通信路径连接相邻节点的通信信道称为链路（link）。
• 在通过特定的链路时，传输节点将数据报封装在链路层帧中，并将该帧传送到链路中。

链路层提供的服务：

• 成帧：在每个网络层数据报经链路传送之前，几乎所有的链路层协议都要将其用链路层帧封装起来。
• 链路介入：媒体访问控 (Medium Access Conlrol , MAC) 协议规定了帧在链路上传输的规则。
• 可靠交付：当链路层协议提供可靠交付服务时，它保证无差错地经链路层移动每个网络层数据报。
• 差错检测和修复：许多链路层协议提供一种机制来检测比特差错 通过让发送节点在帧中包括差错检测比特，让接收结点进行差错检查。

链路层在何处实现：

• 链路层的主体部分是在网络适配器 (network adapter) 中实现的， 络适配器有时也称为网络接口卡 (Network Interface Card , NIC)。
• 位于网络适配器核心的是链路层控制器，该控制器通常是一个实现了许多链路层服务(成帧、链路接人 差错检测等)的专用芯片。
• 链路层控制器很多功能是靠硬件实现的。

2. 差错检测和纠正技术

• 奇偶校验码：采用单个校验位进行奇偶校验，只能检验奇数位错误。
• 循环冗余校验码：将发送的比特串看作系数是0和1的多项式，通过模二除的方式计算FCS帧检验序列，最终发送的数据＝要发送数据+帧检验序列，接收端将发送的全部数据除以生成多项式，余数为0，则没有出错。
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• 海明校验码：计算出信息位，可以进行检错和纠错。
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3. 多路访问链路和协议

网络链路分为两种：

• 点对点链路( point- to- point link) ：由链路一端的单个发送方和链路另一端的单个接收方组成，，如点对点协议 ( point- to- point protocol , PPP) 和高级数据链路控制 (bigh-Ievel data link control，HDLC) 就是两种这样的协议。
• 广播链路 (broadcast link) ：它能够让多个发送和接收节点都连接到相同的、单一的、共享的广播信道上。

而所谓多路访问问题，就是协调多个发送和接收节点对一个共享广播信道的访问。

因为所有节点都能够传输帧，所以多个节点可能会同时传输帧，当发生这种情况时，所有节点同时接到多个帧，传输的帧在所有的接收方处碰撞（collide），所有碰撞帧的信号纠缠在一起，所以就视为全部丢失。

多路访问协议主要划分为3种类型之一：

• 信道划分协议 (channel partitioning protocol)
• 随机接入协议 (random access protocol)
• 轮流协议( taking- turns protocol)

3.1 信道划分协议

• 频分多路复用（FDM）：用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽（频率带宽）资源。简单来说就是在同一个链路中传输采用不同的频带，在接收端可以加以区分。
• 时分多路复用（TDM）：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙，所有用户轮流占用信道。
• 波分多路复用（WDM）：波分多路复用就是光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长（频率）的光信号，由于波长（频率)不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。（和频分多路复用相似）。
• 码分多路复用CDM：
  • 采用码分多址 (Code Di sion Multiple Access , CDMA)
  • CDMA对每个节点分配一种不同的编码，然后每个节点用它唯一的编码来对它发送的数据进行编码。以便在接收端进行分解。

3.2 随机接入协议

3.2.1 ALOHA协议

• 纯ALOHA协议：不监听信道，不按时间槽发送，随机重发。
• 时隙ALOHA协议：把时间分成若干个相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道,若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。

3.2.2 CSMA

因为ALOHA协议传输的决定独立于连接到这个广播信道上的其他节点，不关心别的节点是否在传输或者发生碰撞。

在传输中应该遵守两个规则：

• 载波侦听（carrier sensing）：即一个节点在传输前先听信道，如果来自另一个节点的帧正向信道上发送，节点则等待直到检测到一小段时间没有传输，然后开始传输。
• 碰撞检测（collision detection）：即当一个传输节点在传输时一直在侦听此信道，如果它检测到另一个节点正在传输干扰帧，它就停止传输。

这两个规则包含在载波侦听多路访问( Carrier Sense Multiple Access, CSMA) 和具有碰撞检测的CSMA (CSMA with Collisjon Detection , CSMA/CD) 协议族中。

• CSMA

  • CSMA的主要思想就是传输前先监听信道，再采取下一步措施，主要分为以下三类
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• CSMA/CD

  • 在发送数据之前以及发送数据时侦听信道是否空闲，如果空闲则开始传输帧，如果忙则等待。
  • 在传输过程中，适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况，如果检测到其他适配器的信号能量，则中止传输。

• CSAM/CA

  • 在无线局域网中做详细阐述。

3.3 轮流协议

• 轮询协议（polling protocol）

  • 主节点一轮询的方式访问每个节点，轮流让从属节点选择是否要发送数据。
  • 缺点：① 轮询开销。② 等待延迟。③ 单点故障。

• 令牌传输协议（token-passing protocol）

  • 一个称为令牌的小的特殊帧在节点之间以某种固定的次序进行交换。用来控制信道的使用，确保同一时刻只有一个节点独占信道。
  • 采用令牌传送方式的网络常用于负载较重、通信量较大的网络中。
  • 缺点：① 令牌开销。② 等待延迟。③ 单点故障。

4. 交换局域网

4.1 MAC地址

MAC地址用于识别数据链路中互连的节点。

MAC地址长48比特，具体结构如下，在使用网卡（NIC）的情况下，MAC地址一般会被烧入到ROM中。

• MAC地址中3～24位（比特位）表示厂商识别码，每个NIC厂商都有特定唯一的识别数字。
• 25～48位是厂商内部为识别每个网卡而用。

为什么有了IP地址还需要MAC地址：

• 局域网是为任意网络层协议而设计的，而不是只用于IP和因特网。
• 为了保持各层独立，使网络体系结构中各层次称为极为独立的构建模块，不同的层次需要有它们自己的寻址方案。例如（应用层主机名，网络层IP地址，链路层MAC地址）。

4.2 以太网

以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带总线局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（(载波监听多路访问及冲突检测）技术。

到21世纪初，以太网使用星形拓扑，位于中心的是交换机。

4.2.1 以太网帧结构

• 数据字段（46 ~ 1500 字节）：这个字段承载了 IP 数据报 以太网的最大传输单元(MTU) 1500 字节 这意味着如果 数据报超过了 1500 字节，则主机必须将该数据报分片。
• 目的地址 (6 字节)：这个字段包含目的适配器的 MAC 地址。
• 源地址 (6 字节) ：这个字段包含了传输该帧到局域网上的适配器的 MAC 地址。
• 类型字段 (2 字节) ：类型字段允许以太网复用多种网络层协议。
• CRC (4 字节) ：CRC (循环冗余检测)字段的目的是使得接收适配器检测帧中是否引人了差错。
• 前同步码 (8 字节)：以太网帧以一个 字节的前同步码( Preamble) 字段开始，是对端网卡能够确保与其同步的标志。

4.3 链路层交换机

交换机的任务是接收入链路层帧并将它们转发到出链路。

4.3.1 交换机转发和过滤

• 过滤：是决定一个帧应该转发到某个接口还是应当将其丢弃的交换机功能。
• 转发：是决定一个帧应该被导向哪个接口，并把该帧移动到那些接口的交换机功能。

交换机的过滤和转发借助于交换机表（switch table）。

交换机的一个转发表通常包含三个字段：① MAC地址；② 通向改地址的交换机接口；③ 该表项放置的时间。

转发或者过滤的工作过程主要有以下三种情况：

• 表中没有目标地址：这种情况下，交换机会向除了发送接口之外的所有前面的输出缓存转发该帧的副本，即广播该帧。
• 表中存在目标地址，但是出接口和入接口是用一个：说明是自己网段内的广播，无须转发到其他接口，交换机直接丢弃执行过滤功能。
• 表中存在目标地址，并且接口与入接口不同：该帧需要被转发到与表中对应接口相连的局域网网段，交换机通过将该帧放到接口前面的输出缓存完成转发功能。

网段：一般指一个计算机网络中使用同一物理层设备(传输介质，中继器，集线器等）能够直接通讯的那一部分。

交换机的自学习：它的表是自动、动态和自治地建立的，即没有来自网络管理员或来自配置协议的任何干预。实现方式如下：

1. 交换机表初识为空。
2. 对于每个接口接收到的每个入帧，交换机在其表中存储：
   • 该帧源地址字段中的MAC地址。
   • 该帧到达的接口。
   • 当前时间。
3. 如果一段时间后，交换机没有接收到以该地址作为源地址的帧，就在表中删除这个地址。

所以，交换机是即插即用设备。

4.3.2 链路层交换机的性质

• 消除碰撞：在使用交换机(不使用集线器)构建的局域网中，没有因碰撞而浪费的带宽。
• 异质的链路：交换机将链路彼此隔离，因此局域网中的不同链路能够以不同的速率运行并且能够在不同的媒体上运行。
• 管理：除了提供强化的安全性，交换机也易于进行网络管理。
  • 为保证安全性，当一台主机与某交换机相连时，它通常仅接收到明确发送给它的帧。
  • 交换机毒化攻击 (swiLch poisoning) ：向交换机发送大量的具有不同伪造源 MAC 地址的分组，因而用伪造表项填满了交换机表，没有为合法主机留下空间。

交换机和路由器的比较:

• 交换机：是第二层的交换机，通过MAC地址转发分组。
  • 优点
    • 是即插即用的。
    • 具有相对高的分组过滤和转发速率。
  • 缺点
    • 为了防止广播帧的循环，交换网络的活跃拓扑限制为一棵生成树。
    • 大型交换网络要求在主机和路由器中有大的ARP表，这将生成巨大的ARP流量和处理量。
    • 对于广播风暴不提供任何保护措施，如果某主机出了故障并传输出没完没了的以太网广播帧流，该交换机将转发所有这些帧，使得整个以太网的崩溃。
• 路由器：是第三层的交换机，通过IP地址转发分组。
  • 优点
    • 分组不会被限制到生成树上，可以使用源到目的地的最佳路径，拓扑结构更加丰富。
    • 对第二层的广播风暴提供了防火墙保护。
  • 缺点
    • 不是即插即用。
    • 对每个分组的处理事件通常比交换机长。

所以器，通常，由几百台主机组成的小网络通常有几个局域网网段，交换机就足够了，因为它们不要求IP 地址的任何配置就能使流盘局部化并增加总计吞吐量，但是在由几千台主机组成的更大网络中，通常在网络中(除了交换机之外)还包括路由路由器提供了更健壮的流量隔离方式和对广播风暴的控制，并在网络的主机之间使用更"智能的"路由。

5. 无线网络和移动网络

无线网络主要包括如下要素：

• 无线主机：运行应用程序的端系统设备。
• 无线链路：主机通过无线通信链路连接到一个基站或者另一台无线主机。
• 基站：负责向与之关联的无线主机发送数据和从主机那里接收数据。

IEEE802委员会制定了无线PAN（Personal Area Network） （802.15）、无线 LAN（Local Area Network） （802.11）、无线MAN（Metropolitan Area Network） （802.16）以及无线RAN（Regional Area Network）（802.22）等无线标准。

5.1 IEEE802.11

IEEE802.11定义了无线LAN协议中物理层与数据链路层的一部分（MAC层）。IEEE802.11这个编号有时指众多标准的统称，有时也指无线LAN的一种通信方式。

IEEE802.11是所有IEEE802.11相关标准的基础。其中定义的数据链路层的一部分（MAC层）适用于所有IEEE802.11的其他标准。MAC层中物理地址与以太网相同，都使用MAC地址，而介质访问控制上则使用CSAM/CD相似的CSAM/CA（CSMA/CA Carrier Sense MultipleAccess with Sollision Avoidance） 方式。通常采用无线基站并通过高基站实现通信。

5.1.1 CSAM/CA

为什么不使用CSAM/CD？

在无线局域网中可能会出现隐蔽终端的可能性，导致冲突。由于衰减，无线节点信号范围有一定局限，当两个节点之间都检测不到信号，认为信道空闲时，同时向终端发送数据帧，就会导致冲突。

CSAM/CD工作流程如下：

• 当发送方要发送数据帧时，它首先想接收方发送一个RTS（请求发送，Request To Send）帧，其中包括发送端的地址、接收端的地址、下一份数据将持续发送的时间等信息，如果信道忙则等待。
• 接收方收到RTS帧后，广播一个CTS（允许发送，Clear To Send）帧作为响应，包括两个目的：① 给发送发明确的发送许可；② 指示其他节点在预约期间内不要发送。
• 发送端收到CTS后，开始发送数据帧（同时预约信道：发送方告知其他站点自己要传多久数据)。
• 接收端收到数据帧后，将用CRC来检验数据是否正确，正确则响应ACK帧。
• 发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧的发送，若没有则一直重传至规定重发次数为止(采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间）。

5.1.2 IEEE 802.11 帧

尽管 802 11 帧与以太网帧有许多共同特点，但它也包括了许多特定用于无线链路的字段

• 有效载荷与CRC字段：
  • 帧的核心是有效载荷，它通常是由一个lP数据报或者 ARP 分组组成。
  • CRC字段用于接收方检测比特错误。
• 地址字段：
  • 802.11帧具有四个地址，因为将网络层数据报从一个无线站点通过一个接入点送到一台路由器接口，需要三个地址；当接入点在自组织模式中互相转发时使用第四个地址，这里就对前三个进行讨论。
    • 地址 2 是传输该镇的站点MAC地址。
    • 地址 1 是接收该帧的站点的MAC地址。
    • 地址 3 包括路由器接口的MAC地址。
• 序号、持续期和帧控制字段
  • 序号类似于TCP的序号，用于排序和去重。
  • 持续期用于传送预约信道的时间。
  • 控制字段包括很多字字段，如RTS、CTS、ACK等。

5.2 移动IP

移动IP标准由三部分组成：

• 代理发现：移动IP定义了一个归属代理或外部代理用来向移动节点通告其服务的协议以及移动节点请求一个外部代理所使用的协议。
• 向归属代理注册：移动 IP 定义了移动结点和/或外部代理向一个移动结点的归属代理注册或注销 COA 所使用的协议。
• 数据报的间接路由选择：该标准也定义了数据报被一个归属代理转发给移动结点的方式，包括转发数据报使用的规则、处理差错情况的规则和几种不同的封装形式。

6. PPP：点对点协议

PPP（Point-to-Point Protocol）是指点对点，即1对1连接计算机的协议。

在开始进行数据传输前，要先建立一个PPP级的连接，当这个连接建立以后就可以进行身份认证、压缩与加密。

在PPP的主要功能中包括两个协议：一个是不依赖上层的LCP协议（Link Control Protocol），另一个是依赖上层的NCP协议（Network Control Protocol）。如果上层为IP，此时的NCP也叫做IPCP（IP Control Protocol）。

• LCP主要负责建立和断开连接、设置最大接收单元（MRU，Maximum Receive Unit）、设置验证协议（PAP或CHAP）以及设置是否进行通信质量的监控。
• 而IPCP则负责IP地址设置以及是否进行TCP/IP首部压缩等设备。

HDLC就是在每个帧的前后加上一个8位字节“01111110”用来区分帧。这一个8位字节叫做标志码。而PPP标准帧格式与此完全相同。