計算機網絡總結：第五章 鏈路層

第五章 鏈路層：鏈路、接入網和局域網

5.1 鏈路層概述

• 一些術語
  –結點：運行鏈路層協議的任何設備（主機、路由器。交換機）
  –鏈路：沿着通信路徑連接相鄰結點的通信信道
  –在通過特定的鏈路時，傳輸結點將數據報封裝在鏈路層幀中，並將該幀傳送到鏈路中

5.1.1 鏈路層提供的服務

• 成幀（framing）：在每個網絡層數據報經鏈路傳送之前，幾乎所有的鏈路層協議都要將其用鏈路層幀（數據字段+首部字段）封裝起來
• 鏈路接入（link access）：媒體訪問控制（Medium Access Control，MAC）協議規定了幀在鏈路上傳輸的規則
• 可靠交付（reliable delivery）：通過確認和重傳保證無差錯地經鏈路層移動每個網路層數據報，常用於產生高差錯率的鏈路（無線鏈路）
• 差錯檢測和糾正（error detection and correction）：比特差錯（鏈路層硬件將比特1判斷爲比特0）是由信號衰減和電磁噪聲導致的

5.1.2 鏈路層在何處實現

• 鏈路層的主題部分是在網絡適配器（network adapter）中實現的，網絡設配器也稱網絡接口卡（Network Interface Card，NIC）
  
• 適配器的交流
  

5.2 差錯檢測和糾正技術

• 檢測和糾正比特（Error-Detection and-Correction，EDC）
  –可能有未檢出比特差錯（undetected bit error）

5.2.1 奇偶校驗（Parity checking）

• 例子：假設要發送的信息D有d個比特。在偶校驗方案中，發送方只需包含一個附加的比特，選擇他的值，使得這d+1個比特中1的總數是偶數（奇校驗同理）
• 二維奇偶校驗，可以檢測並糾正一個比特差錯，可以檢驗一個分組中兩個比特差錯的任何組合
  

5.2.2 檢驗和方法

• 因特網校驗和（Internet checksum）

5.2.3 循環冗餘檢測（Cyclic redundancy check，CRC）

• 廣泛應用
• CRC編碼也稱爲多項式編碼（polynomial code）
  

5.3 多路訪問鏈路

• 兩種類型的網絡鏈路
  –點對點鏈路（point-to-point）
  –廣播電路（broadcast）
• 多個結點共享一個廣播信道，當多個結點同時傳輸幀時，傳輸的幀在所有接受方處碰撞（collide）
• 多路訪問協議（multiple access protocol）
  

5.3.1 信道劃分協議（channel partitioning）

• 時分多路複用（TDM）
  
• 頻分多路複用（FDM）
  

5.3.2 隨機接入協議（random access）

• 一個傳輸結點總是以信道的全部速率進行發送。當有碰撞時，涉及碰撞的每個結點反覆地重發它的分組，直至無碰撞地通過。（重發前等待一個隨機時延）
• 常見的隨機接入協議
  –slotted ALOHA
  –ALOHA
  –CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA

5.3.3 輪流協議（“taking turns”）

• 輪詢協議（polling protocol）：指定一個主結點，主結點以循環的方式輪詢每個結點
  –缺點：引入輪詢時延（通知一個結點可以傳輸所需的時間）；如果主結點有故障，整個信道都變得不可操作
• 令牌傳遞協議（token-passing protocol）：一個稱爲令牌（token）的小的特殊幀在結點之間以某種固定的次序進行交換。當一個結點收到令牌時，僅當它有一些幀要發送時才持有該令牌，否則它將立即發送給下一結點
  –缺點：一個結點的故障可能會使整個信道崩潰
  *多路訪問協議總結
  

5.4 交換局域網

5.4.1 鏈路層尋址和ARP

• MAC地址
  –長度六字節（48位）
  –鏈路層地址的不同稱呼：LAN地址，物理地址，MAC地址
  –當某適配器要向某些目的適配器發送一個幀時，發送適配器將目的適配器的MAC地址插入到該幀中，並將該幀發送到局域網上
• 地址解析協議（Address Resolution Protocol，ARP）
  –ARP表：包含IP地址到MAC地址的映射關係
  *格式：< IP address; MAC address; TTL>
  *TTL：地址映射將被遺忘的時間
  –若ARP中沒有目的主機的表項
  
• 發送數據報到子網以外
  
  

5.4.2 以太網（Ethernet）

• 特點：第一個廣泛部署的高速局域網，簡單便宜，速度不慢
• 物理拓撲（physical topology）
  
• 以太網幀結構
  
  –前同步碼（preamble）（8字節）：前七個字節的值都是10101010，用於“喚醒”接受適配器，並且將它們的時鐘和發送方的時鐘同步；最後一個字節是10101011，最後兩個比特用於警告適配器B；
  –目的地址（6字節）：目的的適配器的MAC地址
  –源地址（6字節）：傳輸該幀到局域網上的適配器的MAC地址
  –類型字段（2字節）：允許以太網複用多種網絡層協議
  –數據字段（46-1500字節）
  –CRC（循環冗餘檢測）（4字節）：使得接收適配器檢測幀中是否映入了差錯
• 以太網特點：無連接，不可靠
• 以太網技術
  

5.4.3 鏈路層交換機

• 它是即插即用設備（plug-and-play）
• 交換機轉發和過濾
  –轉發（forwarding）：決定一個幀應該被導向哪個接口，並把該幀移動到那些接口
  –過濾（filtering）：決定一個幀應該轉發到某個接口還是應當將其丟棄
  –以上兩種功能借助於交換表（MAC地址，接口，時間）
• 自學習：表是自動、動態和自治地建立的
• 鏈路層交換機的性質（優點）
  –消除碰撞
  –異質的鏈路：交換機將鏈路彼此隔離，因此局域網中的不同鏈路能夠以不同的速率運行並且能夠在不同的媒體上運行
  –易於管理
• 交換機和路由器比較
  1. 路由器
     –它是使用網絡層地址轉發分組的存儲轉發分組交換機
     –優點
     *分組不會限制在一棵生成樹上，它們允許以豐富的拓撲結構構件因特網
     *對第二層的廣播風暴提供了防火牆保護
     –缺點
     *不是即插即用的
     *對每個分組的處理時間通常比交換機更長
  2. 交換機
     –它是使用鏈路層地址轉發分組的存儲轉發分組交換機
     –優點
     *即插即用
     *具有高的分組過濾和轉發速率
     –缺點
     *對於廣播風暴並不提供任何保護措施
     3. 結論
     –幾百臺主機組成的小網絡：交換機
     –幾千臺主機組成的大網絡：路由器

5.4.4 虛擬局域網

• 局域網等級結構的缺點
  –缺乏流量隔離：廣播流量仍然必須跨越整個網路
  –交換機的無效使用
  –管理用戶

• 虛擬局域網
  
  

• 擴展的以太網幀格式：802.1Q

5.5 鏈路虛擬化：網絡作爲鏈路層

• 多協議標籤交換（Multiprotocol Label Switching，MPLS）
  

5.6 數據中心網絡