鏈路層和局域網

鏈路層和局域網

鏈路層協議的任何設備均稱爲節點。節點包括主機，路由器，交換機和$WiFi$接入點。節點之間的通信信道稱爲鏈路。在通過鏈路時，傳輸節點將數據報封裝到鏈路層幀中，並將該幀傳送到鏈路中。

鏈路層協議可能提供的服務包括：

• 成幀：將網絡層的數據報放到幀裏面，幀由一個數據字段和若干的首部字段組成。
• 鏈路接入：**媒體訪問控制(MAC)**協議規定了幀在鏈路上的傳輸規則。
• 可靠交付：通常用於易於產生高差錯率的鏈路，如無線鏈路。在差錯率比較低的鏈路，鏈路層的可靠交付被認爲是不必要的開銷。所以在許多有線鏈路不提供可靠交付。
• 差錯檢驗和糾正。

1. 差錯檢驗和糾正

1.1 奇偶校驗

奇偶校驗就是在全部數據的後面在增加一位，作爲檢驗位。如何是偶校驗，那麼所有位的1的個位爲偶數，如何數據位1的個數爲奇數，那麼通過把最後數據位的數據設置0來使得所有位1的個數爲偶數。奇校驗類似。同時還有二維的奇偶校驗，假設數據的大小爲n*n，那麼二維奇偶校驗就是把數據寫成一個n*n的矩陣，然後在矩陣外增一位作爲檢驗位，使之變成(n+1)*(n+1)的矩陣。二維奇偶校驗不僅可以檢測到差錯同時還可以糾正一位的差錯。

1.2 檢驗和

將n比特的數據分成k比特一組的序列，也就是n%k=0。一個簡單的方法就是把這寫k個比特加起來，用這個和作爲差錯檢測比特。注意這樣這能檢測不能糾正。

1.3 循環冗餘檢測

循環冗餘檢測(CRC)編碼也叫做多項式編碼。現在假設發送方要發送d比特的數據。發送方和接收方要協商一個r+1的比特模式，稱爲生成多項式，記爲G。規定G的最左邊的一位必須爲1。如下圖所示：

對於大小爲d比特的數據，通過計算我們要在後面加上r比特的數據，得到d+r比特的數據。

如何發送端計算這r比特？

答：利用公式$R = (D*2^r) \space \% \space G$。

在接受方如何檢驗？

答：如果用得到的d+r比特的數據除以G沒有餘數，則說明沒有差錯，否則就有。

2. 多路訪問鏈路和協議

在鏈路層轉發的過程中，有的是點對點的通信協議，如點對點協議(PPP)和高級鏈路控制協議(HDLC)，第二中就是廣播鏈路，在廣播鏈路中存在多路訪問問題，比如在一個會議中，在一個時刻，就只能有一個人說話，如果同時由多個人說話，就會導致我們聽不清講的是什麼(假設)，要解決這個問題就要有一個規定使得，在一個時間段這能有一個人說話。如果多個人說我，我們將這種情況稱爲碰撞。解決這個問題，有三種常見的方法：信道劃分協議，隨機接入協議和輪流協議。

2.1 信道劃分協議

其中典型的信道劃分協議有時分多路複用(TDM)和頻分多路複用(FDM)。如下圖

TDM通過將時間分段來實現多路複用，避免碰撞，FDM類此通過將頻率分段實現多路複用。假設鏈路的速率爲$Rbps$，我們通過TDM和FDM將鏈路分成了$N$段，那麼對應於每一段的速率爲$R/Nbps$。TDM和FDM的好處是保證了每個信道的速率相同都是$R/Nbps$，然而他的主要的缺點是，即使鏈路中只有一個節點是活躍的，他的速率也是$R/Nbps$，沒法達到$R$。

第三種信道劃分協議是碼分多址(CDMA)。CDMA對每一個節點分配一種不同的編碼，不同的結點能過同時傳輸，並且他們各自相應的接收方仍能正確接收發送方編碼的數據比特，而不在乎其他節點的干擾。

2.2 隨機接入協議

主要介紹兩種協議ALOHA和具有碰撞檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)。

2.2.1. ALOHA協議

假設在一個節點發送完報文之前，就能檢測到來自其他節點的碰撞。

設$p$是一個概率，ALOHA的工作流程如下：

1. 當節點有要發送的節點時，立即將報文發送到鏈路中；
2. 如何沒有發生碰撞，那該節點成功的傳輸了該幀，等待下一個要傳輸的幀；
3. 如果發生了碰撞，那麼該節點在傳輸玩碰撞的幀之後，立即以$p$的概率重新傳輸該幀。

根據計算可以得到ALOHA最大的效率是$1/(2e)$。

2.2.2 具有碰撞檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)

介紹協議之前我們先來看看載波偵聽和碰撞檢測這兩種技術。

• 載波偵聽：一個節點在發送幀前先偵聽此信道。如果來自另一個節點的幀正在信道上發送，節點則等待直到檢測到一小段時間信道上沒有傳輸幀，然後在開始傳輸。
• 碰撞檢測：一個節點在傳輸幀是一直在偵聽信道。如果他檢測到有別的節點在傳輸，他立即停止傳輸，並且在重複“偵聽–空閒是傳輸”前，等待一段隨機時間。

CSMA/CD的運行過程如下：

1. 適配器從網絡層一條數據報，準備鏈路層幀，並將其放入幀適配器中。
2. 如果適配器偵聽到信道空閒，他開始傳輸幀。另一方面，如果適配器偵聽到信道正在忙，他將等待，直到偵聽到沒有信號能量是纔開始傳輸幀。
3. 在傳輸過程中，適配器監視來自其他使用該廣播信道的適配器的信號。
4. 如果適配器傳輸整個幀而未檢測到來自其他適配器的信號，該適配器完成傳輸該幀。另一方面，如果適配器在傳輸過程中檢測到來自其他適配器的信號能量，他中止傳輸該幀(ALOHA不會中止)。
5. 中止傳輸後，適配器等待一個隨機時間量，然後返回步驟二。

這個隨機時間量的選擇，我們希望他能夠有下面的特點，在碰撞節點比較少的時候，時間間隔比較短；碰撞節點比較多的時候，時間間隔比較長。

解決上面的這個問題我們用的是二進制指數後退算法。就是當一個幀發生$n$次碰撞後，他從$\{0,1,···,2^n-1\}$裏面選擇一個$K$值。當一個幀經歷多次碰撞之後，$K$選擇的間隔的均值也會變大。對於以太網來說，一個節點等待的時間量是$K·512$比特時間(發送$512$比特進入以太網所需時間量的$K$倍)，$n$能夠取的最大值在$10$以內。

例子，一個幀經歷了一次碰撞後，以相同的概率從$\{0,1\}$中選擇$K$，發生兩次碰撞時，以相同的概率從$\{0,1,2,3\}$中選取$K$，然後依次類推，第$n$次的時候，就是$\{0,1,2,3,···,2^n-1\}$。

3. MAC地址

主機和路由器也具有鏈路層地址，不過不是他們本身自帶，而是他們的適配器(網絡接口)具有鏈路層地址。需要注意的是鏈路層的交換機並沒有網絡接口，所以他們並沒有鏈路層地址，這就是說，鏈路層交換機對主機和路由器來說是透明的，主機和路由器不必明確的將幀尋址到其間的交換機。

鏈路層地址有多種叫法：LAN地址，物理地址或MAC地址。MAC地址的長度爲$6$字節，共有$2^{48}$個可能的地址。MAC地址不想一般不會發生變化，即從出廠到報銷MAC地址不變。MAC地址通常用xx-xx-xx-xx-xx-xx的形式來表示，例如24-ff-3a-ff-f3-3f。在MAC地址中，也存在廣播地址ff-ff-ff-ff-ff-ff，當鏈路層交換機收到這個地址時，會將他轉發到局域網中的所有主機或路由器中。

4. 地址解析協議(ARP)

既然存在網絡層地址(IP)和鏈路層地址(MAC)，所以需要在他們之間相互轉換，就需要地址解析協議(ARP)。這是因爲在鏈路層，幀是根據MAC地址來傳輸的，所以要將$IP$地址轉化爲MAC地址。

在每臺主機和路由器中，都有一個ARP表，這張表包含$IP$地址到MAC地址的轉換，還包括這個轉換持續的時間。

4.1 在子網內發送數據報

將設現在A要向C發送一個報文，但是在A的ARP表中並沒有C的表項，現在就需要ARP協議來轉換地址。ARP查詢報文和響應報文具有相同的格式，都包含發送和接受方的$IP$地址和MAC地址。ARP查詢步驟如下：

• 查詢方，發送一個ARP查詢報文，其中的目的MAC地址爲廣播地址ff-ff-ff-ff-ff-ff，當交換機收到該報文時，將該查詢報文，轉發到子網內的所有路由器和主機中。
• 當報文到達主機或路由器時，主機或路由器查看報文的目的$IP$地址，如果目的$IP$地址和自己的$IP$地址相符，那麼他將發送一個響應報文，響應報文的源MAC地址就是要查詢的MAC地址，目的的$IP$和MAC地址是查詢報文的源$IP$和MAC地址；如果不一致，則沒有反應。

同時ARP協議是即插即用的，就是說一個ARP表是自動配置出來的。

4.2 發送數據報到子網外

如圖，當我們想把數據報發送到子網之外時，我們應該怎麼辦呢？

因爲ARP協議只在子網的內部生效，所以但我們去查詢一個子網之外的$IP$地址是，我們不會得到任何的響應。

想一下，數據報要到達子網的外部，首先就要經過路由器，然後通過路由器到達目的地。於是我們可以分兩步走：

• 第一步：得到第一跳路由器的MAC地址，我們可以通過ARP查詢報文得到第一跳路由器(網關路由器)的MAC地址，將報文轉發的路由器。
• 第二步：得到目的地址的MAC地址，現在報文已經在路由器裏面了，我們現在有將報文轉發到目的$IP$地址，這時又需要通過ARP查詢報文得到目的$IP$的MAC地址，然後轉發報文到目的MAC地址處。

5. 以太網幀格式

如圖是以太網的幀格式：

• 數據字段(46-1500字節)：如果$IP$數據報大於1500字節，將會分片；如果$IP$數據報小於46字節，將會被填充到46字節。使用填充時，數據報包含數據報和填充字段，網絡層接受到報文後，用$IP$首部字段中的長度字段來剔除填充字段。
• 目的地址和源地址(共12字節)：包含目的和源MAC地址。
• 類型字段(2字節)：用來標記數據字段報文傳輸給的上層協議。
• CRC(4字節)：循環冗餘檢測編碼。
• 前同步碼(8字節)：以太網的幀以8個字節的前同步碼開始。前同步碼的前七個字節都是10101010，第八個字節是10101011。前前同步碼的前七個字節用於喚醒接受適配器，並且將他們的時鐘和發送方的時鐘同步(因爲適配器不會以精確的速率傳輸幀，總是會有些漂移)，一般來說速率有一下幾種10Mbps，100Mbps和1Gbps，但是不會很精確，會有偏差。

6. 鏈路層交換機

交換機對於子網中的主機和路由器來說是透明的，這就是說，某主機或路由器向另一個主機或路由器尋址一個幀(而不是向交換機尋址該幀)，順利的將該幀發送進局域網，並不知道某交換機將會接受該幀並將它轉發到另一個節點。下面主要看交換機的幾個特點。

6.1 交換機的轉發和過濾

轉發是決定將報文導向那個接口；過濾是決定一個幀是該轉發到一個接口還是丟棄。轉發和過濾是通過交換機表實現的。一個交換機的表項包含：一個MAC地址，通向該MAC地址的交換機接口，表項放置在表中的時間。舉個例子：現在假定目的MAC地址爲fa-33-43-5f-2f-53的幀從交換機的$x$接口到達，交換機表中的fa-33-43-5f-2f-53有一下幾種可能：

• 表中沒有fa-33-43-5f-2f-53地址的表項。交換機廣播該幀。
• 表中的一個fa-33-43-5f-2f-53地址的表項與接口$x$聯繫起來。過濾即可。
• 表中的一個表項將fa-33-43-5f-2f-53地址與接口$y \ne x$聯繫起來。那麼將該幀轉發到$y$接口即可。

6.2 交換機的自學習功能

交換機的表項是自動、動態和自治的建立的，即沒有來自外部的干預，表項可以自己建立起來。所以交換機也是即插即用的。交換機的自學習通過一下的步驟實現：

1. 交換機的初始爲空。
2. 對於在每個接口接受到的每個入幀，該交換機在其表中儲存：①在該幀源地址字段中的MAC地址；②該幀到達的接口；③當前時間。通過這種方式可以記錄發送結點所在的局域網字段。
3. 如果一段時間會，交換機沒有接受到該地址作爲源地址的幀，那麼就在表中刪除這個地址。

6.3 交換機的性質

主要有三個：消除碰撞，異質的鏈路和管理。