计网Lesson8 - NAT技术与链路层概述

---

---

NAT 技术

1. 因特网的接入方式

光猫将电信号转换为数字信号发送给路由器

2. 光纤入户
   

光纤传递的就是数字信号，不需要转换

---

2. 公网和私网

所以私网 IP 想进入公网，需要先将私网 IP 转换为公网 IP

---

3. NAT 技术

• NAT 转换
  • 静态转换
    • 每个私网 IP 有个固定与之对应的公网 IP
  • 动态转换
    • 每个私网IP 在需要发送数据时进行动态申请，路由器在 IP 池里选一个分配给私网 IP
  • PAT
    • NAT 将相同主机的不同端口对应到同一公网 IP 的不同端口上
    • NAT 将不同主机也会对应到同一公网 IP 的不同端口上
    • 内部网络的所有主机均可共享一个合法外部 IP 地址实现对 Internet 的访问，从而可以最大限度地节约 IP 地址资源。同时，又可隐藏网络内部的所有主机，有效避免来自 internet 的攻击。

---

---

链路层

1. 数据链路层概述

• 链路是指从一个节点到相邻节点的一段物理线路（不管有线无线），而且中间没有其他交换节点
  
  • 集线器本身就只是一种线路连接设备，没有任何交换行为存在
  • 交换机有交换行为，所以是一个节点

• 信道
  • 广播信道用于局域网，也就是私网中。
  • 点对点信道用于骨干网中路由器的接受与发送。
• 链路与数据链路的关系
  • 链路包含数据链路
  • 在数据传输的过程中，会经过多条链路，每条链路上的数据链路协议可能不同，这些协议可能包括以太网协议、局域网协议、无线协议等。这些协议都属于数据链路层的协议，它们的主要作用是在不可靠的物理链路上建立可靠的数据传输。

---

2. 数据链路层的三个问题

2.1 封装成帧

• 帧（Frame）的数据部分是从 IP 层传下来的数据包
  

• 最大传输单元 MTU（Maximum Transfer Unit）

  • 每一种数据链路层协议都规定了所能传输的帧数据长度上限
  • 以太网的 MTU 为 $1500$ 字节

• 以太网V2的 MAC 帧
  

  • 以太网多用于边缘网络上的主机与路由的互联。
    • 所以帧中包含了 MAC 地址，标记目标
  • 最小帧长为 $64$ 字节，其中 MTU 最小为 $46$ 字节。
    • 当数据不足 $46B$ 时，协议会对数据包进行填充补 $0$
  • 以太网帧的接收
    • 以太网帧使用曼彻斯特编码，每一个码元的正中间都一定会有一次电压的跳变，当以太网把一个 MAC 帧发完过后就不在发送其他的码元了（MAC 帧之间都是有一定间隙的），所以这样就很容易找到帧的结束位置。
    • 而 MAC 帧前含有前导码标记数据的开始
      

• PPP 帧
  

  • PPP 帧的接收
    • PPP是一种点对点协议，逻辑上相连的就一台设备，因此不需要寻址。PPP 在封装方式以以太网的封装方式不同，它没有以太网帧所要求的 MAC 地址，它通过自身的协商过程实现点到点的数据传输。PPP 帧发送的是连续字节流，必须前后都添加定界符以区分不同的帧。在同一个广播域中只能有两个节点，无法加入第三个节点，所以也并不需要物理地址。

2.2 透明传输

• 透明传输是指数据链路层对上层交付的数据不做任何改变，使得上层感受不到有数据链路层的存在。

  不做任何改变是指上层接收到的数据跟发送来的数据一致，而不是数据链路层不对数据做任何操作。

  • 发送方数据链路层会对数据做出操作，然后在接收方的数据链路层将操作去除，让接收方的网络层拿到的数据跟发送时的一样，对于双方网络层来说是“透明的”。

• 面向字节的物理链路使用字节填充法实现透明传输。
  

  • 数据链路层将网络层协议封装成帧时，会在首部和尾部分别添加SOH以及EOT这两个特殊字符，接收方是根据这两个字符来确定帧首和帧尾的。
  • 如果上层协议发送过来的数据（即链路层的数据部分）包含EOT，那么接收方在解析这个帧的时候就会误以为数据已经结束1。所以，如果链路层对这种情况没有特殊处理，那么就可以理解链路层为非透明传输（因为无法传输EOT这个字符）。
  • 但是数据链路层通过对这个字符添加转移符（如果网络层数据中还存在转移符，就再添加一个转移符）的办法来使数据部分可以传输EOT字符，就实现了透明传输。

• 面向比特的物理链路使用零比特填充法实现透明传输。

  • 在 PPP 协议和 HDLC 协议中，都使用了这种方法。
    • 零比特填充法：当数据中出现连续 $5$ 个 $“1”$ 时，在其后面插入一个 $“0”$。接收端在接收到数据时，如果发现连续 $5$ 个 $“1”$，就将其后面的 $“0”$ 删除，从而还原出原来的数据。

2.3 差错检测

• 奇偶校验
  • 对数据每次取一位进行异或，最终得到答案 $1$ 或 $0$，代表数据中 $1$ 的数量是奇数还是偶数，然后接收方按这个进行验证。
  • 奇偶校验只能应用于产生一个误码的情况，如果产生了多个误码，那么这种情况就不适用了。
• 循环冗余校验（CRC）：一般计算的链路层采用循环冗余校验CRC。
  

  • $FCS$ 是根据帧的数据部分 + 数据链路层首部算出（也就是根据所有要发送的数据算出）。

  • $FCS$ （帧检验序列）通常放在数据的尾部，而不是首部，主要有以下几个原因：

    1. 数据传输的顺序：在数据通信中，数据一般是按照从头到尾的顺序进行发送的。如果将FCS放在数据的首部，那么在数据发送之前就需要计算出FCS，这就意味着在发送数据之前需要先处理完整个数据帧，这可能会增加数据传输的延迟。

    2. 实时性：将FCS放在数据的尾部可以实现数据的实时处理。也就是说，在发送数据的同时，可以边发送边计算FCS，当数据发送完毕时，FCS也计算完毕，然后将FCS添加到数据的尾部并发送出去。

    3. 错误检测：在接收端，数据也是按照从头到尾的顺序进行接收的。如果FCS在数据的首部，那么在接收到FCS之后就需要等待接收完整个数据帧才能进行错误检测。而如果FCS在数据的尾部，那么在接收数据的同时，可以边接收边进行错误检测，当接收到FCS时，就可以立即完成错误检测。

    因此，将FCS放在数据的尾部，既可以提高数据传输的效率，又可以实现数据的实时处理和错误检测，这是一种更为合理和高效的设计方式。

  • 基本思想：

    • 收发双方规定一个生成多项式。
    • 发送方根据生成多项式计算出 $FCS$ 放在数据尾部发送出去。
    • 接收方根据数据算出 $FCS$ 跟尾部校验数据正确性。
      
    • $G(X)=X^3+X^2+1$：这就是生成多项式。
      意思就是：$1$ 后面 $3$ 个 $0$，$2$ 个 $0$，$0$ 个 $0$。也就得到了我们的除数：$"1101"$
    • 构造被除数（补 $0$）：根据我们的生成多项式的最高次补，最高次是几就补几个 $0$。
    • 二进制模 $2$ 除法：就是异或运算，只要位数够了就进行异或。
    • 补余数：将余数补到被除数上，这样被除数就可以被除数整除了。
      
    • 校验也是同理，如果最后运算答案为 $0$，说明整除，数据正确；如果非 $0$，说明数据有误，扔包。