计算机网络开荒5-数据链路层

• 主机 路由器 都是：结点nodes
• 连接相邻结点的通信信道：链路links
  • 有线链路wired links
  • 无线链路 wireless links
  • 局域网 LANs
• 链路层(第二层)数据分组：帧frame，封装网络层数据报

一、 数据链路层服务

数据链路层：负责通过一条链路从一个结点向另一个物理链路直接相连的节点传送数据报

组帧framing

• 封装数据报构成数据帧，加首部和尾部
• 帧同步

链路接入link access

• 如果是共享介质，需要解决信道接入(channel access)
• 帧首部中的MAC地址，用于标识帧的源和目的
  • 不同的IP地址

相邻结点可靠交付

• 在低误码率的有线链路上很少采用(光纤、某些双绞线)
• 无线链路：误码率高，需要可靠交付

流量控制flow control

• 协调pacing相邻的发送节点和接收

差错检测error edtection

• 信号衰减和噪声会引起差错
• 接收端检测到差错：通知发送端 或 直接丢弃

差错纠正error correction

• 接收端直接纠正比特差错

全双工和半双工通信

• 全双工：同时 双向传输
• 半双工：交替 双向传输

二、链路层具体实现

每个主机或路由器接口
网卡

• 发送端
  • 将数据报封装成帧
  • 增加差错检测比特，实现流量控制和可靠性传输
• 接收端
  • 检测差错，实现可靠数据传输和流量控制
  • 提取数据报，交付上层协议实体

三、差错检测

3.1 差错编码

检错码

纠错码

3.2 奇偶校验吗

比特检验位：
检测奇数位差错

二维奇偶校验：
检测奇数位差错、部分偶数位差错
纠正同一行/列的奇数位错

3.3 Internet校验和checksum

3.4 循环冗余校验码CRC

检错能力强大
将数据比特，D，视为一个二进制数
选择一个r+1位的比特模式(生成比特模式)，G
广泛应用于实际网络(以太网、WiFI、ATM)

四、多路访问控制MAC协议

Multiple Access Control
点对点链路

• 拨号接入的PPP
• 以太网交换机与主机对点链路

广播链路(共享介质)

• 早期的总线以太网
• HFC的上行链路
• 无线局域网

• 单一共享广播信道
• 两个或以上节点同时传输：干扰interference
  • 冲突 collision
    • 结点同时接收到两个或者多个信号：接受失败

因此需要一个协议控制多路访问 ，协调机制
多路访问控制协议Multiple access control protocol

• 采用分布式算法决定节点如何共享信道，决策节点何时可以传输数据
• 基于信道本身，通信信道共享协调信息：没有外信道用于协调

4.1 理想的MAC协议

假设速率R bps的广播信道

1. 只有一个结点希望传输数据时，它速率为全部 R
2. M个同送，每个节点平均发送数据的平均速率为R/M
3. 完全分散控制：
   • 无需特定节点系诶套
   • 无需时钟、时隙同步
4. 简单

4.2 MAC协议分类

信道划分channel partitioningMAC协议

• 多路复用技术
• TDMA、FDMA、CDMA、WDMA等

随机访问random accessMAC协议

• 信道不划分、允许冲突
• 采用冲突 ”恢复“机制

轮转taking turns MAC协议
结点轮流使用信道

4.2.1 TDMA

time division multiple access

• 周期性 接入通道
• 每个站点在每个周期，占用固定的长度的时隙
• 未用的时隙空闲
  

4.2.2 FDMA

频分复用

4.3 随机访问控制协议

• 当节点要发送分组时：
  • 利用信道完全数据速率R发送分组
  • 没有事先的节点间协调
• 两个或多个结点同时传输：冲突
• 随机访问MAC协议需要先定义：
  • 如何检测冲突
  • 如何从冲突中恢复(延迟重传)
• 典型的随机访问MAC协议
  • 时隙sloted ALOHA
  • ALOHA
  • CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA

4.3.1 时隙ALOHA协议

假设

• 所有针的大小相同
• 时间被划分为等长的时隙(每个时隙可以传输1个帧)
• 结点只能在时隙开始的时刻发送帧
• 节点间的时钟同步
• 2个或以上节点在同一时隙发送帧，结点即检测到冲突

运行

• 当节点有新的针的时候，在下一个时隙slot发送
  • 无冲突，继续发送
  • 有冲突，下一个时隙概率p重传该针，直到成功

优点：

• 单个活动结点时：可以连续一信道全部速率传输数据
• 高度分散化：只需同步 时隙
• 简单

缺点：

• 冲突，浪费时隙
• 空闲时隙
• 结点以小于分组传输时间检测到冲突
• 时钟同步

效率： 长期运行时，成功发送帧的时隙所占比例

4.3.2 ALOHA

纯ALOHA协议：更加简单，无需同步
当有新的针生成时：立即发送

冲突可能性增大：

比时隙ALOHA协议更差

4.4 CSMA

载波监听多路访问协议 CSMA (carrier sense multiple access)

• 发送之前，监听信道载波

  • 信道空闲：发送完整
  • 信道忙：推迟发送
    • 1-坚持CSMA
    • 非坚持CSMA
    • P-坚持CSMA

• 冲突可能仍然发生：信号传播延迟

  • 发送短时间检测到冲突，立刻停止发送

• 冲突检测

  • 有线局域网易于实现：测量信号强度，比较发射信号 接受信号
  • 无线局域网难实现：接收信号强度淹没子啊本地反射强度下

边发边听，不发不听

4.5 轮转访问MAC协议

• 信道划分MAC

  • 网络负载重时：效率高，公平
  • 网络负载轻时：共享信道效率低

• 随机访问MAC协议

  • 网络负载重时：冲突开销
  • 网络负载轻时：效率高，单个节点利用全部

• 轮转访问MAC协议：结合了两者的优点

4.5.1 轮询polling

• 主节点轮流”邀请“从节点发送数据
• 典型应用：”哑dumb“从设备
• 缺点：
  • 轮询开销
  • 等待延迟
  • 单点故障

4.5.2 令牌传递 token passing

令牌：特殊针，代表介质的使用权

• 控制令牌依次从一个结点传递到下一个节点

蓝牙、FDDI

五、ARP协议

IP------> MAC
转换

5.1 Mac地址

在OSI（开放式系统互联）七层模型中，MAC地址是属于第二层数据链路层的部分。数据链路层是网络协议栈的第2层，它位于物理层和网络层之间，负责将物理层提供的原始比特流转换为可以进行网络通信的逻辑帧（也称为数据包）。在数据链路层中，数据帧通过MAC地址来识别目的设备，以便正确地传递数据。因此，MAC地址是数据链路层的重要组成部分。

• 32位IP地址：
  • 接口的网络层地址
  • 标识网络层(第三层)分组，支持分组转发
• Mac地址(称LAN地址，物理地址，以太网地址)
  • 作用：标识局域网内一个帧从那个接口发出，到达哪个物理接口
  • 48位MAC地址，固话在ROM中
  • 标识方法：6 * 8 = 1A-2F-BB-76-09-AD 16进制

MAC地址由IEEE统一管理分配
网卡购买前24bit的空间，后24 厂商自己分配

• MAC地址是“平面”地址：可以携带，：可以从一个LAN到另一个LAN，帧
• IP地址是层次地址：不可携带：依赖于节点连接到哪个子网，数据报

5.2 ARP地址解析协议

Address Resolution Protocol

只知道IP地址，如何直到其MAC地址？

LAN中的每个IP节点(主机、路由)维护一个表

• 存储某些LAN节点的ip/MAC地址映射关系
• TTL（Time To Live）：经过这个时间以后该映射该系会被遗弃，默认20min

5.3 两个LAN之间传输

• A构造IP数据报，源：A的IP。目的IP：B的IP
• A构造链路层帧，源MAC是A的MAC地址，目的MAC地址是R左接口的MAC地址，封装A到B的IP数据报
  
• R转发IP数据报(源和目的IP地址不变)
• R创建链路层帧，源MAC：R右侧MAC接口。目的MAC：B的MAC接口，封装A到B的IP数据报

只有在内网 发到 外网的时候，IP地址才会被路由器改变，因此也吐槽路由器 不按照 网络层来

六、以太网

统治地位的有线LAN技术：

• 造价低廉
• 广泛使用
• 比令牌局域网和ATM更 更加 简单便宜
• 满足网络速率需求：10Mbps - 10Gbps

6.1 物理拓扑

总线bus
所有节点在同一个冲突域
星型star
中心交换机switch
每个节点一个单独冲突域

• 无连接
• 不可靠，需要高层协议(TCP)提供可靠服务
• 以太网的MAC协议：采用二进制指数退避算法CSMA/CD

6.2 以太网帧结构

• 前导码Preamble 8B
  • 7个字节的10101010，第8字节位10101011
  • 发送端和接收端的时针同步
• 目的、源MAC地址
• 类型type：高层协议的类型 IP、IPX数据报
• 数据
• CRC：循环冗余校验码

有多种不同的以太网标准：

七、交换机

• 链路层设备
  • 存储-转发以太网帧
  • 检验到达帧的目的MAC地址 选择性向一个或多个输出链路转发帧
  • 利用CSMA/CD访问链路 发送帧
• 透明：主机感受不到switch的存在
• 即插即用plug-and-play
• 自学习：无需配置

j交换机可以互联

组织机构的网络拓扑图：

在一个子网中，没有路由器，只有交换机，是可以有IP地址的
只是没有用到IP地址

九、虚拟局域网VLAN

在多个交换机组成的子网中，没有使用路由器，只能有一个子网
划分子网，可以使用路由器，或者使用 虚拟局域网VLAN

9.1 基于端口VLAN

• 流量隔离
• 动态成员
• 在VLAN之间转发，通过路由

• 多线缆链接
• 中继端口trunk port：在跨越多个物理交换机的VLAN

十、PPP

之前都是广播链路
现在介绍点对点链路（一个发送端、接收端、链路）
无需介质访问
无需MAC地址

PPP设计需求

• 组帧
• 比特透明传输
• 差错检测
• 连接灵活检测
• 网路层地址协商

十一、无线局域网

BSS:Basic Servie Set基本服务集 cell 单元

802.11b: 2.4GHz-2.485GHz频谱划分为11个不同 频率的信道

• 每个AP选择一个频率(信道)
• 存在干扰的可能：相邻的AP可能选择相同的信道！
  主机必须与某个AP关联(associate)
• 扫描信道，监听包含AP名称 和 MAC地址信标beacon帧
• 选择一个AP关联

11.2 无线局域网避免冲突

不能像CSMA/CD那样，边发送、边检测冲突!  无线信道很难实现
 无法侦听到所有可能的冲突:隐藏站、信号衰落
 目标: 避免冲突(avoid collisions)-CSMA/C(ollision)A(voidance)

基本思想
发送端 “预约reserve”通道，而不是随机发送数据帧，避免长数据帧的冲突