计算机网络：数据链路层：有线和无线网络（4）

有线网络

介绍

结点和链路

应用层、传输层和网络层的通信是端到端的，而数据链路层的通信是结点到结点的。在网络中，将端主机和路由器视为节点，将它们之间的网络视为链路。

两类链路

有点对点链路和广播链路，在点对点链路中，链路专供给两个设备使用；在广播链路中，链路在几对设备之间共享。
例如，当两个朋友通过家用电话聊天时，他们使用的是点对点链路。当它们使用蜂窝电话时，他们使用的是广播链路，因为空气由很多蜂窝电话用户共享。

两个子层

将数据链路分为两个子层：数据链路控制（DLC）和介质访问控制（MAC）。DLC处理两类链路的共有问题，而MAC只处理广播链路的特定问题。

数据链路控制（DLC）

DLC处理两个邻近结点的通信过程，无论该链路是专用的还是广播的。DLC的功能包括：成帧、流量控制、差错控制、差错检测和差错纠正。

两种DLC协议

HDLC协议是很多为局域网设计的协议的基础，而PPP来源于HDLC ，用于点对点链路。

多路访问协议

当我们使用专用链路时，如拨号电话线，我们只需要诸如PPP的数据链路控制协议。另一方面，如果我们和其他用户共享有线的或者无线介质，我们首先需要一个协议来管理共享过程，然后进行数据传输。
多路链路或者广播链路保证两个人不会同时发言，发言者不会打扰到彼此，不会独占发言权。我们要阻止结点间的冲突，如果由于某种原因冲突发生了，就要及时处理该冲突。
有3组协议设计用来处理访问共享链路。

随机访问

在随机（竞争）访问方法中，没有站点优于其他站点。只要遵循预定义的程序，包括介质状态的检测，满足条件的每一个站点都能传输数据。
随机访问中，每个站点的传输没有特定的时间表，站点的传输是随机的，也没有规则来规定下一个将要发送的站点是哪一个。
然而，如果多于一个站点尝试发送时，便会产生访问冲突碰撞，那么便会有帧被破坏或修改。

受控访问

在受控访问中，站点之间互相协商以确定哪一个站点有权发送帧。如果一个站点没有其他站点授权，该站点就不能发送帧。
我们讨论3种受控访问方式。

预约

轮询

轮询地拓扑结构是一个设备做主站，其他设备是从站。所有的数据交换必须通过主站设备。由主站决定哪一个设备在给定的时间内使用通道，缺点是如果主站出现问题，系统就崩溃了。

令牌传递

在令牌传递中，网络中的站点组织为一个逻辑环，每个站点都有一个前驱和一个后继。访问权由前驱结点传递到当前节点，如果当前节点没有数据发送时，访问权传递给后继结点。
访问权是通过令牌这个特殊的信息分组实现的，它在环中循环。
站点获得令牌的时间必须是受限制的，令牌必须被监控以确保它没有丢失或者被破坏。

通道化

通道化也称为通道划分，它是一种多路访问方法。不同的站点之间可以通过时间、频率或编码共享链路的可用带宽。它通常在无线网络中使用。

链路层寻址

源端IP地址和目的端IP地址只定义了两个终端但是没有定义数据报应该经过哪条链路。
链路层地址有时称为物理地址或MAC地址。当数据报从网络层传递到数据链路层时，数据报被封装为帧，两个数据链路层地址添加到帧头部。每当帧从一个链路移动到另一个链路时，这两个地址就要发生变化。
MAC地址的长度依赖于链路层使用的协议。

地址解析协议（ARP）

ARP协议是定义在网络层的辅助协议之一，它属于网络层，但它将IP地址映射为逻辑链路地址。

有线局域网

TCP/IP协议簇没有为数据链路层和物理层定义任何协议，换言之，TCP/IP接收这两层中能够向网络层提供服务的任意协议。

点对点网络

一些点对点网络，如拨号、DSL和电缆用来为因特网用户提供互联网络接入。由于这些网络在两个设备之间使用一个专用链接，因此它们不使用介质访问控制，只需要PPP协议即可。

拨号

拨号网络使用电话网络提供的服务来传输数据。电话网络最初是一个传输声音的模拟系统，现在大部分的电话网络是数字的，只有连接用户接入电话网络的那部分线路是模拟的。传输数字数据的需求导致了拨号调制解调器的发明。
调制解调器是信号调制器和信号解调器的合成词。调制器由数字数据创建一个模拟信号。解调器把调制信号恢复成数字数据。其下载速率最大为56kbps，上传速率最大为33.6kbps。
当电话线路用于因特网接入时，不能同时用于音频通信。

数字用户线路（DSL）

DSL通过现有的电话来支持高速数字通信，它是一组技术，每一种的第一个字母都不同，（ADSL、VDSL、HDSL和SDSL），该集合经常被称为xDSL。这里主要讨论ADSL。
ADSL使用已经存在的电话线路（本地环路），而整个可用带宽被分为一个音频通道、一个上行通道和一个下行通道。
ADSL允许用户同时使用音频通道和数据通道。

电缆

简单来说，有线电视公司也能像电话公司那样称为ISP，为用户提供因特网服务。在用户住所，有线调制解调器将数据和视频分离，将其发送到电视或计算机。

连接设备

连接设备可以运行在因特网模型的不同层次上，中继器（或集线器）、链路层交换机（或两层交换机）和路由器（或三层交换机）。
中继器和集线器运行在物理层，链路层交换机和两层交换机运行在前两层，路由器和三层交换机运行在前三层。

中继器和集线器

中继器是只工作在物理层的设备。在网络中携带信息的信号在衰减到危及数据完整性之前，可以传输一段固定距离。中继器接收信号，在信号变得很弱或是被破坏之前，重新生成被破坏的位，并且从每个端口发送出去。
多端口的中继器就是集线器。两者都没有过滤功能。

链路层交换机

链路层交换机运行在物理层和数据链路层，作为物理层设备，它重新生成它接收到的信号，作为链路层设备，它能够检查包含在帧中的MAC地址。
相比集线器，链路层交换机有过滤功能，它可以检查帧的目的地址，决定帧该从哪个端口发送。

路由器

路由器是三层设备，它工作在物理层、数据链路层和网络层。
作为物理层设备，它重新生成信号，作为数据链路层设备，它检查包含在分组中的MAC地址，作为网络层设备，它检查IP地址。
和前面两种设备相比，路由器有以下特点：
1. 路由器每个端口都有一个MAC地址和一个IP地址。
2. 路由器转发分组时，它改变分组的链路层地址。

无线网络和移动IP

无线局域网

介质

在有线局域网中，我们使用电缆来连接主机，主机之间的通信是点对点和全双工的。在无线局域网中，介质是空气，信号通常是广播的。

主机

在有线局域网中，一个主机总是通过与其网卡相固定的链路层地址接入网络的。如果主机移动了，它的链路层地址（MAC）不变，而IP地址会改变。

连接至其他网络

有线局域网使用路由器连接至其他网络。
无线局域网可以连接至一个有线基础设施网络。到诸如因特网等有线基础设施网络的连接通过访问点（AP）完成，AP将有线和无线环境结合在了一起。

特性

无线局域网具有以下特性：
1. 衰减
2. 干扰
3. 多重路径广播：接收方可能从相同的发送方接收到不止一个信号，因为电磁波可以反射。
4. 差错：无线网络中的差错和差错检测比有线网络更加严重。

蓝牙

IEEE 802.15标准定义了蓝牙技术的实现，具体定义了两种网络：微微网络和散射网络。

微微网络

微微网络可以包含多达8个站点，其中之一称为主站，剩下的称为从站。超过8个站点的其他站点处于休眠状态。

散射网络

微微网络可以组合成散射网络，微微网络中的一个从站可以是另一个微微网络的主站。

其他无线网络

通道化

通道化又叫通道划分，是一种多路访问方法，其中链路的可用带宽在不同的站点之间通过时间、频率或编码来共享。这里讨论3种通道化协议：FDMA、TDMA、CDMA.

FDMA（频分多址）

在FDMA中，可用宽带被分为频带，每一个站点分配一个频带来发送数据。换言之，每个频带一直属于相应的站点。
FDMA为整个通信周期指定一个预定频率的频带，这意味着FDMA可以方便地使用流数据（不能分组的连续的数据流）。

TDMA（时分多址）

TDMA中，站点在时间上共享带宽。每个站点分配一个时隙。

CDMA（码分多址）

与FDMA不同，CDMA仅有一个通道占据链路的整个带宽，与TDMA不同，所有站点都可以同时发送数据。
公共通道可以允许不同对之间通信，但是使用不同编码。

蜂窝电话

蜂窝电话用来为两个移动站点或移动站点和地面单元之间提供通信。服务提供商必须能够定位并追踪主叫方，为呼叫分配一个通道，并且当主叫方移动到范围之外时将通道从一个基站切换到另一个基站。
每个蜂窝服务区域分成称为信元的小区域，每个信元包含一个天线，被一个称为基站的网络站点控制。每个基站又被移动交换中心（MSC）控制，MSC负责呼叫连接、记录呼叫信息和计费。

卫星网络

卫星网络中的结点可以是卫星、地面站、终端用户或电话。卫星网络像蜂窝网络一样，将地球划分成信元。

移动IP

移动IP是IP协议的扩展，允许移动计算机在连接可用的任意地点连接至因特网。

寻址

IP地址定义了前缀和后缀，前缀将一个主机和一个网络联系起来。然而，如果主机移动了，网络就改变了，IP地址就不再有效了。
对于移动主机，IP地址结构需要修改，有以下一些解决方案。

改变地址

当移动主机去往一个新的网络时，让移动站点改变它的地址。它的缺点是：
1. 配置文件需要更改；
2. 计算机要重启；
3. DNS表需要修改，其他主机要知晓这个变化；
4. 数据交换会在漫游的时候中断。

两个地址

移动主机有两个地址：一个归属地址和一个转交地址。归属地址是永久的，转交地址是随着主机移动而改变的。

代理

为了使地址的改变对因特网中其他的部分保持透明，需要一个归属代理和一个外地代理。

注意，代理是在应用层完成的，换言之，代理是路由器和主机。

归属代理

归属代理通常是附属于移动主机归属网络的路由器，当远程主机向移动主机发送分组时，归属代理代表移动主机接收分组，并发送至外地代理。

外地代理

外地代理接收归属代理发送的分组，并向移动主机发送该分组。

三个阶段

为了和远程主机通信，移动主机需要通过3个阶段：代理发现、注册和数据传输。