中科大郑烇、杨坚《计算机网络》课程 第六章笔记

计算机网络第六章

第6章：链路层和局域网

导引:
网络层解决了一个网络如何到达另外一个 网络的路由问题
在一个网络内部如何由一个节点（主机或 者路由器）到达另外一个相邻节点
链路层的点到点传输层功能

目标:

• 理解数据链路层服务的原理:

  • 检错和纠错
  • 共享广播信道:多点接入（多路访问）
  • 链路层寻址
  • LAN:以太网、WLAN、VLANs
  • 可靠数据传输，流控制:解决!

• 实例和各种链路层技术的实现

网络节点的连接方式

数据链路层和局域网

WAN—— 广域网，LAN —— 局域网

• WAN:网络形式采用点到点链路
   带宽大、距离远（延迟大）

  带宽延迟积大
   如果采用多点连接方式
  • 竞争方式：一旦冲突代价 大
  • 令牌等协调方式：在其中 协调节点的发送代价大

• 点到点链路的链路层服务 实现非常简单，封装和解 封装

• LAN一般采用多点连接方式
   连接节点非常方便  接到共享型介质上（或网络 交换机），就可以连接所有其他节点

• 多点连接方式网络的链路层 功能实现相当复杂
   多点接入：协调各节点对共 享性介质的访问和使用
   竞争方式：冲突之后的协调 ；
   令牌方式：令牌产生，占有 和释放等

6.1 引论和服务

链路层: 导论

一些术语:

• 主机和路由器是节点（网桥和交换机也是）: nodes
• 沿着通信路径,连接个相邻节点通信信道的是链路:links
  • 有线链路
  • 无线链路
  • 局域网，共享性链路
• 第二层协议数据单元帧frame，封装数据报

数据链路层负责从一个节点通过链路将(帧中的）数据报发送到相邻的物理节点(一个子网内部的2节点)

链路层: 上下文

• 数据报（分组）在不同的链路上以不同的链路协议传送：
   第一跳链路：以太网
   中间链路：帧中继链路
   最后一跳：802.11 (无线局域网通用的标准)

• 不同的链路协议提供不同 的服务

  • e.g.,比如在链路层上提供（ 或没有）可靠数据传送

传输类比

• 从Princeton到Lausanne
  • 轿车: Princeton to JFK
  • 飞机: JFK to Geneva
  • 火车: Geneva to Lausanne
• 旅行者=数据报datagram
• 交通段=通信链路 communication link
• 交通模式=链路层协议 : 数 据链路层和局域网 protocol
• 票务代理=路由算法 routing algorithm

链路层服务

• 成帧，链路接入：
  • 将数据报封装在帧中，加上帧头、帧尾部
  • 如果采用的是共享性介质，信道接入获得信道访问权
  • 在帧头部使用“MAC”（物理）地址来标示源和目的
    • 不同于IP地址
• 在（一个网络内）相邻两个节点完成可靠数据传递
  • 已经学过了（第三章） —— 传输层
  • 在低出错率的链路上（光纤和双绞线电缆）很少使用
  • 在无线链路经常使用：出错率高

Q: 为什么在链路层和传输层都实现了可靠性？

一般化的链路层服务，不是所有的链路层都提供这些服务
一个特定的链路层只是提供其中一部分的服务

• 在相邻节点间（一个子网内）进行可靠的转发

  • 我们已经学习过（见第三章）！
  • 在低差错链路上很少使用 (光纤,一些双绞线)
    • 出错率低，没有必要在每一个帧中做差错控制的工作，协议复杂
      • 发送端对每一帧进行差错控制编码，根据反馈做相应的动作
      • 接收端进行差错控制解码，反馈给发送端（ACK，NAK）
    • 在本层放弃可靠控制的工作，在网络层或者是传输层做可靠控制的工作，或者根本就不做可靠控制的工作
  • 在高差错链路上需要进行可靠的数据传送
    • 高差错链路：无线链路：
      • Q：为什么要在采用无线链路的网络上，链路层做可靠数据传输工作 ；还要在传输层做端到端的可靠性工作？
      • 原因：出错率高，如果在链路层不做差错控制工作，漏出去的错误比较高；到了上层如果需要可靠控制的数据传输代价会很大 —— 出错率较大的时候，传到上层再纠错代价大
        • 如不做local recovery 工作，总体代价大

• 流量控制：

  • 使得相邻的发送和接收方节点的速度匹配

• 错误检测：

  • 差错由信号衰减和噪声引起
  • 接收方检测出的错误:
    • 通知发送端进行重传或丢弃帧

• 差错纠正:

  • 接收端检查和纠正bit错误，不通过重传来纠正错误

• 半双工和全双工:

  • 半双工：链路可以双向传输，但一次只有一个方向

链路层在哪里实现？

• 在每一个主机上
  • 也在每个路由器上
  • 交换机的每个端口上
• 链路层功能在“适配器”上 实现 (aka network interface card NIC) 或 者在一个芯片组上
  • 以太网卡，802.11 网卡 ; 以太网芯片组
  • 实现链路层和相应的物 理层功能
• 接到主机的系统总线上
• 硬件、软件和固件的综合 体

适配器通信

• 发送方:
  • 在帧中封装数据报
  • 加上差错控制编码，实现RDT和流量控制功能等
• 接收方：
  • 检查有无出错，执行rdt和流量控制功能等
  • 解封装数据报，将至交 给上层

6.2 差错检测和纠正

错误检测

EDC=差错检测和纠正位（冗余位）

D =数据由差错检测保护，可以包含头部字段错误检测不是100%可靠的!

错误检测不是100%可靠的!

• 协议会漏检一些错误，但是很少
• 更长的EDC字段可以得到更好的检测和纠正效果

奇偶校验

Internet校验和

目标: 检测在传输报文段时的错误（如位翻转），（注：仅仅用在传输层）

• 发送方:

  • 将报文段看成16-bit整 数
  • 报文段的校验和: 和 (1’ 的补码和)
  • 发送方将checksum的 值放在‘UDP校验和’ 字段

• 接收方:

  • 计算接收到的报文段的校验和
  • 检查是否与携带校验和字 段值一致:
    • 不一致：检出错误
    • 一致：没有检出错误，但可能还是有错误

有更简单的检查方法 全部加起来看是不是全1

检验和：CRC（循环冗余校验）

1、模二运算 —— 异或运算

2、位串的两种表示

3、生成多项式，r次方

G = X^3 + 1 r + 1位 例子：1001

4、发送方:根据r位 CRC 计算r位冗余位，使得

• 正好被 G整除 (modulo 2)
• 接收方知道 G, 将除以 G. 如果非0余数: 检查出错误!
• 能检出所有少于r+1位的突发错误

D ——发送的数据 （左移r位）+ R —— 冗余位 （r位）

G —— 生成多项式（r - 1次方)

• 强大的差错检测码
• 将数据比特 D, 看成是二进制的数据
• 生成多项式G：双方协商r+1位模式（r次方）
  • 生成和检查所使用的位模式
• 目标:选择r位 CRC附加位R，使得
  • 正好被 G整除 (modulo 2)
  • 接收方知道 G, 将 除以 G. 如果非0余数: 检查出错误!
  • 能检出所有少于r+1位的突发错误
• 实际中广泛使用（以太网、802.11 WiFi、ATM）

CRC 例子

• 需要: D.2r XOR R = nG
• 等价于: D.2r = nG XOR R
• 等价于: 两边同除G 得到余数 R=…

remainder —— 余数 、当余数R不足r位，补0

CRC性能分析

• 突发错误和突发长度
• CRC检错性能描述
  • 

6.3 多点访问协议

多路访问链路和协议

两种类型的链路（一个子网内部链路连接形式）：

• 点对点
  • 拨号访问的PPP
  • 以太网交换机和主机之间的点对点链路
• 广播 (共享线路或媒体)
  • 传统以太网
  • HFC上行链路
  • 802.11无线局域网

多路访问协议

• 单个共享的广播型链路
• 2个或更多站点同时传送: 冲突（collision）
  • 多个节点在同一个时刻发送，则会收到2个或多个信号 叠加

多路访问协议（介质访问控制协议：MAC）

• 分布式算法-决定节点如何使用共享信道，即：决定节点什么时候可以发送？
• 关于共享控制的通信必须用借助信道本身传输！
  • 没有带外的信道，各节点使用其协调信道使用
  • 用于传输控制信息

理想的多路访问协议

• 给定：Rbps带宽的广播信道

必要条件：

1. 当一个节点要发送时，可以以R速率发送.

2. 当M个节点要发送，每个可以以R/M的平均速率发送

3. 完全分布的:

   1. 没有特殊节点协调发送
   2. 没有时钟和时隙的同步

4. 简单

MAC（媒体访问控制）协议：分类

3大类

• 信道划分
  o把信道划分成小片（时间、频率、编码)
  o分配片给每个节点专用
• 随机访问
  o信道不划分，允许冲突
  ○冲突后恢复
• 依次轮流
  o节点依次轮流
  ○但是有很多数据传输的节点可以获得较长的信道使用权

a.信道划分MAC协议：TDMA 时分复用

a.信道划分MAC协议：FDMA 频分复用

a.码分多路访问（CDMA）

b.随机存取协议

检错冲突 与 冲突解决/冲突避免

b.1 时隙ALOHA

时隙ALOHA的效率( Efficiency )

b.2 纯ALOHA(非时隙)

纯ALOHA的效率

b.3 CSMA(载波侦听多路访问)

CSMA冲突

b.4 CSMA/CD(冲突检测)

CSMA/CD（冲突检测）

以太网CSMA/CD算法

CSMA/CD效率

b.5 无线局域网 CSMA/CA

无线局域网中的 MAC：CSMA/CA

冲突避免(续)

冲突避免：RTS-CTS 交换

b.5 线缆接入网络

c.轮流(Taking Turns)MAC协议

MAC 协议总结

多点接入问题：对于一个共享型介质，各个节点 如何协调对它的访问和使用?

• 信道划分：按时间、频率或者编码
  • TDMA、FDMA、CDMA
• 随机访问 (动态)
  • ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD
  • 载波侦听: 在有些介质上很容易 (wire：有线介质), 但在有些 介质上比较困难 (wireless：无线)
  • CSMA/CD ：802.3 Ethernet网中使用
  • CSMA/CA ：802.11WLAN中使用
• 依次轮流协议
  • 集中：由一个中心节点轮询；
    分布：通过令牌控制
  • 蓝牙、FDDI、令牌环

6.4 LANs

addressing, ARP

MAC 地址和ARP

• 32bit IP地址:
  • 网络层地址
  • 前n-1跳：用于使数据报到达目的IP子网
  • 最后一跳：到达子网中的目标节点
• LAN（MAC/物理/以太网）地址: —— （在一个物理网络的内部来标识每一个节点）
  • 用于使帧从一个网卡传递到与其物理连接的另一个网卡 (在同一个物理网络中)
  • 48bit MAC地址固化在适配器的ROM，有时也可以通过软件设定
  • 理论上全球任何2个网卡的MAC地址都不相同
  • e.g.: 1A-2F-BB-76-09-AD —— ( 16进制表示 (每一位代表4个bits) )

网络地址和mac地址分离

• IP地址和MAC地址的作用不同
  a) IP地址是分层的 —— 二层

  • 一个子网所有站点网络号一致，路由聚集，减少路由表
    • 需要一个网络中的站点地址网络号一致，如果捆绑需要定制网卡非常麻烦
  • 希望网络层地址是配置的；IP地址完成网络到网络的交付

  b) mac地址是一个平面的

  • 网卡在生产时不知道被用于哪个网络，因此给网卡一个 唯一的标示，用于区分一个网络内部不同的网卡即可
  • 可以完成一个物理网络内部的节点到节点的数据交付

从 IP 的角度，是从一个路由器到另一个路由器。
从 链路层的角度，是从一个网卡当另一个网卡。

1. 分离好处
   a) 网卡坏了，ip不变，可以捆绑到另外一个网卡的 mac上
   b) 物理网络还可以除IP之外支持其他网络层协议， 链路协议为任意上层网络协议， 如IPX等

2. 捆绑的问题
   a) 如果仅仅使用IP地址，不用mac地址，那么它仅支持IP协议
   b) 每次上电都要重新写入网卡 IP地址；
   c) 另外一个选择就是不使用任何地址；不用MAC地址，则每到来一个帧都要上传到IP层次，由它判断是不是需要接受，干扰一次

LAN 地址和ARP

局域网上每个适配器都有一个唯一的LAN地址

全 F 的MAX地址 是 广播地址

• MAC地址由IEEE管理和分配
• 制造商购入MAC地址空间（保证唯一性）
• 类比:
  (a)MAC地址：社会安全号
  (b)IP地址：通讯地址  MAC平面地址 ➜ 支持移动
• 可以将网卡到接到其它网络  IP地址有层次-不能移动
  • 依赖于节点连接的IP子网，与子网的网络号相同（ 有与其相连的子网相同的网络前缀）

ARP: Address Resolution Protocol

问题:已知B的IP地址，如何确定B的MAC地址?

• 在LAN上的每个IP节点都有一个ARP表
• ARP表：包括一些 LAN节点IP/MAC地 址的映射 < IP address; MAC address; TTL>
  • TTL时间是指地址映射失效的时间
  • 典型是20min

ARP协议：在同一个LAN (网络)

• A要发送帧给B(B的IP地址 已知)， 但B的MAC地址不 在A的ARP表中
• A广播包含B的IP地址的 ARP查询包
  • Dest MAC address = FF-FF-FF-FF-FF-FF
  • LAN上的所有节点都会收到 该查询包
• B接收到ARP包，回复A自 己的MAC地址
  • 帧发送给A
  • 用A的MAC地址（单播）
• A在自己的ARP表中，缓存 IP-to-MAC地址映射关系 ，直到信息超时
  • 软状态: 靠定期刷新维持的系统状态
  • 定期刷新周期之间维护的状态信息可能和原有系统不一 致
• ARP是即插即用的
  • 节点自己创建ARP的表项
  • 无需网络管理员的干预

路由到其他LAN

编址：路由到其他LAN

• A创建数据报，源IP地址：A；目标IP地址：B 封装一层

• A创建一个链路层的帧，目标MAC地址是R，该帧包含A 到B的IP数据报

以太网

• 目前最主流的LAN技术：98%占有率
• 廉价：30元RMB 100Mbps！
• 最早广泛应用的LAN技术
• 比令牌网和ATM网络简单、廉价
• 带宽不断提升：10M, 100M, 1G, 10G

以太网：物理拓扑

• 总线：在上个世纪90年代中期很流行
  • 所有节点在一个碰撞域内，一次只允许一个节点发送
  • 可靠性差，如果介质破损，截面形成信号的反射，发送节点误认为 是冲突，总是冲突
• 星型：目前最主流
  • 连接选择: hub(无法并行，一发全收) 或者 switch (并行)
  • 现在一般是交换机(switch)在中心
  • 每个节点以及相连的交换机端口使用（独立的）以太网协议（不会和其他节点的发送产生碰撞）

以太帧结构

发送方适配器在以太网帧中封装IP数据报， 或其他网络层协议数据单元

前导码:

• 7B 10101010 + 1B 10101011

• 用来同步接收方和发送方的时钟速率

  • 使得接收方将自己的时钟调到发送端的时钟
  • 从而可以按照发送端的时钟来接收所发送的帧

• 地址：6字节源MAC地址，目标MAC地址

  • 如：帧目标地址=本站MAC地址，或是广播地址， 接收，递交帧中的数据到网络层
  • 否则，适配器忽略该帧

• 类型：指出高层协(大多情况下是IP，但也支持其它网络层协议Novell IPX和AppleTalk)

• CRC：在接收方校验

  • 如果没有通过校验，丢弃错误帧

以太网：无连接、不可靠的服务

• 无连接：帧传输前，发送方和接收方之间没有握手
• 不可靠：接收方适配器不发送ACKs或NAKs给发送方
  • 递交给网络层的数据报流可能有gap
  • 如上层使用像传输层TCP协议这样的rdt，gap会被补上( 源主机，TCP实体)
  • 否则，应用层就会看到gap
• 以太网的MAC协议：采用二进制退避的CSMA/CD 介质访问控制形式

802.3 以太网标准：链路和物理层

以太网使用CSMA/CD

10BaseT and 100BaseT

• 100 Mbps 速率 也被称之为 “fast ethernet” Base 基带信号
• T代表双绞线
• 节点连接到HUB上: “star topology”物理上星型
  • 逻辑上总线型，盒中总线 一发全收，一次只能发一次
• 节点和HUB间的最大距离是100 m

Hubs

• Hubs 本质上是物理层的中继器:
  • 从一个端口收，转发到所有其他端口
  • 速率一致  没有帧的缓存
  • 在hub端口上没有CSMA/CD机制:适配器检测冲突
  • 提供网络管理功能

Manchester 编码 —— 物理层

• 在 10BaseT中使用
• 每一个bit的位时中间有一个信号跳变
• 允许在接收方和发送方节点之间进行时钟同步
  • 节点间不需要集中的和全局的时钟
• 10Mbps，使用20M带宽，效率50%
• Hey, this is physical-layer stuff!

100BaseT中的4b5b编码

千兆以太网

 采用标准的以太帧格式
 允许点对点链路和共享广播信道
 物理编码：8b10b编码
 在共享模式，继续使用CSMA/CD MAC技术 ，节点间需要较短距离以提高利用率
 交换模式：全双工千兆可用于点对点链路
 站点使用专用信道，基本不会冲突，效率高
 除非发往同一个目标站点
 10 Gbps now !

802.11WLAN

802.11 LAN 体系结构

switches

Hub：集线器

交换机 —— 路由层面(主机)是看不到交换机的，透明的

交换机：多路同时传输

• 主机有一个专用和直接到交换机的连接
• 交换机缓存到来的帧
• 对每个帧进入的链路使用以太网协议，没有碰撞；全双工
  • 每条链路都是一个独立的 碰撞域
  • MAC协议在其中的作用弱 化了
• 交换：A-to-A’ 和 B-to-B’ 可 以同时传输，没有碰撞

交换机转发表

• Q:交换机如何知道通过接口1到达A，通过接口5到达B’?

• A:每个交换机都有一个交换表switch table，每个表项:

  (主机的MAC地址,到达该MAC经过的接口，时戳)
  比较像路由表!

• Q: 每个表项是如何创建的？如何维护的？

  有点像路由协议?

交换机：自学习

• 交换机通过学习得到哪些 主机（mac地址）可以通 过哪些端口到达

  • 当接收到帧，交换机 学习到发送站点所在 的端口（网段）
  • 记录发送方MAC地址/ 进入端口映射关系， 在交换表中

  

  

交换机：过滤／转发

自学习，转发的例子 —— 不知道，泛洪

帧的目标： A’, 不知道 其位置在哪：泛洪 A’ A

• 知道目标A对应的链路 ： A’ 4 60 选择性发送到那个端 口

交换机级联

交换机可被级联到一起

Q: A to G的发送 – 交换机S1 如何知道经过从 S4 和S3最终达到F?
 A: 自学习! (和在一个交换机联接所有站点一 样!)

多交换机自学习的例子

假设C向I发送帧，I给C应答

 Q: 显示交换表和帧在S1 , S2 , S3 , S4的转发

交换机 vs. 路由器

• 都是存储转发设备，但层次不同
  • 交换机：链路层设备（检查 链路层头部）
  • 路由器：网络层设备（检查 网络层的头部）
• 都有转发表：
  • 交换机：维护交换表，按照 MAC地址转发
    • 执行过滤、自学习和生成树算法
    • 即插即用；二层设备，速率高
    • 执行生成树算法，限制广播帧的 转发
    • ARP表项随着站点数量增多而增多
  • 路由器：续

• 路由器维护路由表，执行路由算法
  • 路由算法能够避免环路，无需执行生成树算法，可以以各种拓扑构建网络
  • 对广播分组做限制
  • 不是即插即用的，配置网络地址（子网前缀）
  • 三层设备，速率低

VLANS 虚拟局域网

VLANs: 动机

考虑场景：

• CS用户搬到EE大楼办公室 ，但是希望连接到CS的交 换机?
• 接到多个交换机上
  • 麻烦和浪费：96端口 /10个有用
• 如果都接到一个交换机上 ，在一个广播域
  • 所有的层2广播流量 (ARP, DHCP,不知道 MAC地址对应端口的帧 )都必须穿过整个LAN
  • 安全性/私密性的问题

基于端口的VLAN —— 一些端口/mac地址 通过虚拟交换机连在一起

6.5 链路虚拟化：MPLS

MPLS概述 —— 标签分发

6.6 数据中心网络

6.7 a day in the life of web request

回顾: 页面请求的历程

• Top-down的协议栈旅程结束了!
  • 应用层、运输层、网络层和链路层
• 以一个web页面请求的例子: 综述!
  • 目标: 标示、回顾和理解涉及到的协议（所有层次 ），以一个看似简单的场景: 请求www页面
  • 场景：学生在校园启动一台笔记本电脑：请求和接 受www.google.com

日常场景

日常场景：… 连接到互联网

• 笔记本需要一个IP地址，第一跳路由器的IP地址，DNS的地址:采用DHCP

• DHCP请求被封装在UDP中，封装在IP，封装在802.3以太网帧中

• 以太网的帧在LAN上广播
  (dest: FFFFFFFFFFFF)，被运行中的DHCP服务器接收到

• 以太网帧中解封装IP分组，解封装UDP，解封装DHCP

• DHCP服务器生成DHCPACK包括客户端IP地址，第一跳路由器P地址和DNS名字服务器地址

• 在DHCP服务器封装，帧通过LAN转发(交换机学习)在客户端段解封装

• 客户端接收DHCP ACK应答

客户端有了IP地址，知道了DNS域名服务器的名字和IP地址 第一跳路由器的IP地址

日常场景…… ARP (DNS之前, HTTP之前)

• 在发送HTTP request请求之前, 需要知道www.google.com的IP地 址: DNS
• DNS查询被创建，封装在UDP段中 ，封装在IP数据报中，封装在以 太网的帧中. 将帧传递给路由器 ，但是需要知道路由器的接口： MAC地址：ARP
• ARP查询广播，被路由器接收， 路由器用ARP应答，给出其IP地 址某个端口的MAC地址
• 客户端现在知道第一跳路由器 MAC地址，所以可以发送DNS查 询帧了

日常场景：使用DNS

• 包含了DNS查询的IP数据报 通过LAN交换机转发，从客 户端到第一跳路由器
• IP 数据报被转发，从校园到达 comcast网络，路由（路由表被 RIP，OSPF，IS-IS 和/或BGP协 议创建）到DNS服务器
• 被DNS服务器解封装
• DNS服务器回复给客户端： www.google.com的IP地址

日常场景： …TCP连接携带HTTP报文

• 为了发送HTTP请求，客户端打开到达web服务器的TCP socket
• TCP SYN段(3次握手的第1次握手)域间路由到web服务器
• web服务器用TCP SYNACK应答(3次握手的第2次握手)
• TCP连接建立了!

日常场景： …… HTTP请求和应答

• HTTP请求发送到TCPsocket中
• IP数据报包含HTTP请求，最终路由到www.google.com
• web服务器用HTTP应答回应(包括请求的页面)
• IP数据报包含HTTP应答最后被路由到客户端

第6章：总结

• 数据链路层服务背后的原理:

  • 检错、纠错
  • 共享广播式信道：多路访问
  • 链路编址

• 各种链路层技术的实例和实现

  • Ethernet
  • 交换式LANS, VLANs
  • 虚拟成链路层的网络: MPLS

• 综合：一个web页面请求的日常场景

• 自上而下的协议栈的旅行结束了 (除了物理层)

• 坚实地理解了网络的原理和实践

• …… 可以在这里停一下 … … 但是仍然还有很多有趣的话题!

  • 无线网络
  • 多媒体
  • 网络安全