架构师之路（十二）计算机网络（链路层）

前置知识（了解）：计算机基础。

作为架构师，我们所设计的系统很少为单机系统，因此有必要了解计算机和计算机之间是怎么联系的。局域网的集群和混合云的网络有啥区别。系统交互的时候网络会存在什么瓶颈。

数据链路层讨论的是如何把网络层的数据封装成帧，有效的进行通信传输。链路是指：一个结点到另一个结点的具体的物理线路。分为：点对点通讯，广播通讯。传播的单元为：（帧）；

链路层特性

封装成帧

指将数据报加之首部和尾部形成帧。首部和尾部是必要的，主要作用是帧定界、添加控制信息，以及差错控制。

透明传输

如果是文本文件，可以用SOH/EOT充作帧开始、结束控制符，但数据中可能也出现SOH/EOT，这时需要加转义字符ESC，如ESC-SOH,ESC-EOT,ESC-ESC，以达到透明传输。这里的透明指的是，数据链路层对传输的数据透明，传输的数据实际上感受不到数据链路层所做的操作。

差错校验（crc）（重复、失序、丢失）

奇偶检测、循环冗余CRC等。采用CRC，采用n+1位除数（由生成多项式得到），得到n位余数，称作帧检验序列FCS。检测时，将传输得到的数据除以同一个除数，若余数0，则可以说无差错。若有差错，直接丢弃，除此之外，不做任何操作。故差错检测只是检测了bit错误，并不能解决帧失序、丢失、重复等问题。也就是说，数据链路层实现的是尽最大努力的交付，即不可靠的传输。

点对点协议

点对点信道主要用于用户同ISP（验证身份）通信时。早期使用高级数据链路控制HDLC，已经淘汰，现在用的是PPP协议，即point-to-point protocol，点对点通信协议。

我们熟知网络是分层的，且对等层之间进行相互通信，而下层为上层提供服务。当对等层进行通信时首先需获知对方的地址，而对不同的网络，在数据链路层则表现为需要知道对方的MAC地址、X.21地址、ATM地址等；在网络层则表现为需要知道对方的IP地址、IPX地址等；而在传输层则需要知道对方的协议端口号。如果两个以太网上的主机希望能够通信的话，首先发送端需获知对端的MAC地址。

但由于PPP协议是被运用在点对点的链路上的特殊性，它不像广播或多点访问的网络那样，需要标识通信的对方。因为点对点的链路就可以唯一标识对方，因此使用PPP协议互连的通信设备的两端无须知道对方的数据链路层地址，所以该字节已无任何意义，按照协议的规定将该字节填充为全1的广播地址。

Ppp协议格式：

Ppp状态图：

广播协议

因为侠义的局域网不涉及到网络层，因此借用局域网来研究链路层的广播协议。局域网（LAN）指的是一个网络为一个单位所拥有，地理位置和站点数据有限的统称。局域网的工作跨越了物理层和数据链路层。以太网（施乐公司标准）是局域网的一种实现方式，但如今以太网占据了绝大多数市场，故某种意义上，以太网就是局域网。以太网的标准有DIX Ethernet V2和IEEE 802.3。二者差别不大，现在广泛使用的是DIX Ethernet V2。

IEEE 802.3把以太网的数据链路层划分为：逻辑链路控制（LCP）和媒体接入控制（MAC），但LCP实际上并无用，现在只使用MAC层。以太网的其他特点：

1.以太网采用的是尽最大努力的交付，不可靠的交付。

2.以太网采用使用CSMA/CD协议。

3.以太网采用的是曼彻斯特编码，基带信号传输。这种编码中间跃变，由高->低为1，反之为0。

以太网的广播信道主要由总线式网络，环形网，星形网等。广播信道的数据链路层讨论的是如何在一个网络中实现一对一、一对多通信。这里要解决的问题是，总线网络上不能有两个站点同时发送数据，否则就称碰撞（冲突）。必须有解决这个问题的协议，这就是CSMA/CD协议。

CSMA/CD的要点如下：

1）多点接入

CSMA/CD协议适用于广播信道，允许总线上多个站点接入。协议的核心是载波监听和碰撞检测。

2）载波监听

由于总线型广播信道上同一时刻只允许一个站点发送数据，故站点需要时时检测信道上是否有其他站点发送数据，这就是载波监听。检测信道通过才能获得发送权。载波监听发生在：一个站点发送数据之前，以及发送数据的过程中。一旦发现有其他站点发送数据，则立即停止发送。顺便指出，信道上发送的是基带信号，并没有载波，“载波”一词为借用。

3）碰撞检测（冲突检测）

碰撞检测就是“边发送边监听”。适配器边发送数据边检测信道上信号变化情况，看是否发生了 碰撞。若有两个计算机同时发送数据，则信道上的信号电压变化幅度会超过一定的门限值，则计算机（适配器）能够发现这种变化，后续作出及时响应。

那么链路层如何寻址通信呢，基于MAC帧通信。首先应了解几个概念。适配器，即网卡，实现了数据链路层协议，工作于物理层和数据链路层。适配器的一个作用是实现并行通信和串行通信的转换。外网--适配器为串行，而适配器--主机为并行。适配器还配有ROM，实现缓存，这样可以实现不同速率的兼容。另外，需要注意，适配器中的ROM中是硬件地址，即MAC地址，而在计算机的存储器中存有IP地址，即软件地址。

MAC地址是一个硬件地址，于网卡的ROM中。他是一个48bit即6个字节的序列，现在使用的是EUI-48。一个地址是一个站的名字或者标识符，它由注册管理机构RA同一颁发。前三个字节为公司标识符，即组织唯一标识符OUI，这是生产公司申请到的。后三个字节为扩展标识符，为公司自己制定。IEEE规定，MAC地址的第一字节的最低位为I/G位，标志是I（individual）或者G（group），为I时为0，表示单个站地址，G时为1，表示组地址，用来多播。MAC地址的第一字节的倒数第二位为G/L位，表示全球管理(0)/本地管理(1)，若不申请全球OUI，也可以使用本地管理，即将G/L位置1。这样，实际上全球MAC共有244244个。

局域网内就根据MAC地址进行发送、接受数据，当某站点接收到帧，检查MAC目的地址是否与本机MAC相匹配，不匹配则不接受。发送的帧包括：单播帧、广播帧（全1）和多播帧。

MAC帧（+最前面插入8字节）格式如下：

前同步码	帧开始定界符	目的地址	源地址	类型	数据	FCS
1010..10	1010101011	目的MAC	本站MAC	网络层类型	数据报	CRC检验
7字节	1字节	6字节	6字节	2字节	46-1500字节	4字节

上面的表格中，前8个字节不属于MAC帧内容，只是为了帧同步和开始定界，CRC也不检测前8字节是否出错。MAC帧的范围是64字节-1518字节，数据部分是46-1500字节。

扩展的以太网

以太网有他的局限性，因此需要扩展以太网性能和连接方式，扩展以太网主要从下面两方面：

物理层上扩展以太网

工作在物理层的转发器、集线器，将多个局域网连接起来，扩大碰撞域，但并不增加吞吐量。

数据链路层扩展以太网

使用工作在数据链路层的以太网交换机，扩大以太网。交换机可以实现全双工，并行，存储数据帧缓存，以及自学习交换表（地址表）进行转发。这种方式增加了吞吐量。应注意自学习交换表的方法，另外，为了防止数据在物理环路上绕圈子，采用“生成树协议STP”，将某些链路在逻辑上切断，其过程类似于最小生成树。

器械

工作在物理层的：转发器、集线器hub。工作于数据链路层：交换机。工作于物理+数据链路层：适配器。

虚拟局域网

不同局域网内的几个计算机可以虚拟的连接起来构成虚拟局域网VLAN，以实现某些特定目的。VLAN就是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。VLAN的帧增加了4个字节的VLAN标识符，标记此站点属于哪个VLAN。这样可以防止广播风暴。