链路层--计算机网络自顶向下笔记（五）

简介

• 链路层信道的类型
  
  1. 点对点链路（point-to-point link）：长距离链路连接的两台路由器之间、主机与邻接的以太网交换机之间。
  2. 广播链路（broadcast link）：以太网、无线局域网等。
• 与网络层的关系。数据报在两台路由器之间可以通过多段链路，多种链路，使用多种链路层协议。
• 提供的服务
  
  1. 成帧。分装网络层数据报，有不同的帧格式。
  2. 链路接入。媒体访问控制（Medium Access Control, MAC）协议协调结点发送帧，包括点对点链路和广播链路。
  3. 差错检测和纠正。
• 链路层主体部分在网络适配器（network adapter）中实现，也有部分功能在主机CPU中的软件实现。

差错检测方法

1. 奇偶校验、二维奇偶校验。
2. 校验和。
3. 循环冗余检测（Cyclic Redundancy Check, CRC）。
   
   • 附加比特R共r比特，生成多项式 G共r+1比特，数据段D共d比特。若得到的d+r比特用 模二算数（加减等价于异或运算）恰好能被G 整除，则正确接收，否则错误。
     
   • 附加比特R的获得方式如下，使用模二算数，G通常取32位。
     

多路访问协议

• 多路访问问题（multiple access problem）：协调多个发送和接收结点对共享信道的访问。
• 多路访问协议分为三种类型：信道划分协议（channel partitioning protocol），随机接入协议（random access protocol），轮流协议（taking-turns protocol）。
• 理想特性：
  
  1. 只有一个活跃结点时，该结点具有R吞吐量。
  2. 有M个活跃结点时，每个活跃结点接近R/M的吞吐量。

信道划分协议

1. 时分多路复用（TDM）。将时间划分为N个时间帧。
   
   • 消除碰撞，非常公平。
   • 结点被限制于R/N的平均速率。
   • 结点必须等待，及时只有一个结点需要发送帧。
2. 频分多路复用（FDM）。将信道划分为N个不同频段，每个频段R/N带宽。
   
   • 类似FDM。
3. 码分多址（Code Division Multiple Access, CDMA），为每个结点分配不同的编码。
   
   • 使得不同结点能够同时传输，而不相互干扰。
   • 与无线信道紧密相关。

随机接入协议

• 一个传输结点总是以信道的全部速率发送。
• 当有碰撞时，涉及碰撞的结点反复重发帧。
• 重发之前等待一个随机时延。

ALOHA

• 检测到碰撞之后结点以概率p在后序的每个时隙（时序ALOHA）或者帧传输时间（纯ALOHA)重传帧。
• 时序ALOHA效率为1/e，37%；纯ALOHA为1/2e。
• 结点的传输决定独立于其他结点的活动。

CSMA

• 载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access, CSMA）
  具有碰撞检测的CSMA（CSMA with Collision Detection, CSMA/CD）
• 适配器操作：
  
  1. 从网络层收到数据报，成帧，放入适配器缓存。
  2. 适配器侦听信道，若信道空闲（无信号能量从广播信道进入适配器），传输帧；否则，等待直到侦听到信道空闲。
  3. 传输过程中监视信道。如果传输整个帧未碰撞（检测到来自其他适配器的信号能量）,完成传输；否则，中止传输，等待一个随机时间量，返回2，开始侦听。
• 碰撞之后等待的时间量可用二进制指数后退算法，用于以太网和DOCSIS中。
  
  • 从{0,1…2^n-1}（n为经历的碰撞次数）中随机选择一个整数K，对于以太网，等待K*512比特时间。
  • 碰撞的结点数多，间隔时间多。
  • 一个帧经历的碰撞多，间隔时间的选择范围越大。
• 效率。prop：信道能量在任意两个适配器之间传播的最大时间；trans：传输一个最大长度的以太网帧的时间。
  
  
  • 信道能量传播时间越短，效率越高。
  • 帧传输时间约长，效率越高。

轮流协议

1. 轮询协议（polling protocol）。主结点以轮询的方式控制每个结点传输帧。
2. 令牌传递协议（token-passing protocol）。将一个小的令牌（特殊帧）在结点之间以某种顺序传播，获得令牌之后发送最大数目的帧数。

交换局域网

MAC地址

• 链路层地址也称MAC地址、LAN地址、物理地址。不是主机和路由器具有的，是他们的适配器具有的。
• 链路层交换机不具有与他们接口相关联的链路层地址，透明传输。
• MAC地址长度为6个字节，以太网广播地址为48个连续的1。
• MAC地址具有扁平结构，与IP地址的层次结构相反，和适配器绑定，不会变化。

ARP

• 地址解析协议（Address Resolution Protocol, ARP），将IP地址映射到MAC地址。
• ARP只为同一个子网的主机和路由器接口解析IP地址。DNS为因特网任何位置的主机解析主机名。
• 每台主机或者路由器内存中都有一个ARP表。该表通过**广播**ARP查询分组和接收单播响应分组建立。
  
• 主机向子网之外主机发送数据报，目的IP地址为子网之外的主机，目的MAC地址为第一跳路由器接口的MAC地址。路由器接收到数据报后，查询路由器转发表，决定要被转发的端口，之后数据报被封装为新的帧从该端口发出。

以太网

• 以太网向网络层提供不可靠传输。

发展

1. 总线拓扑，是一种广播局域网，使用总线连接所有适配器，使用CSMA/CD协议。
2. 星形拓扑，使用集线器（hub）连接适配器，收到比特之后增强信号并向其他所有接口传输。检测到碰撞之后重传。
3. 星形拓扑，使用交换机（switch）。交换机是存储转发分组的交换机，“无碰撞”。无须使用MAC协议。

帧结构

• 
  是以太网特征。
• 地址：适配器收到的目的地址为广播地址或者适配器MAC地址，则传递给网络层，否则丢弃。
• 数据：以太网数据字段长度[46,1500]字节，1500字节为最大传输单元MTU。
• 类型：使用的网络层协议。
• CRC：检测。
• 前同步码：同步比特测传输速率，因为适配器不会精确的以额定速率传输帧，会有漂移。8个字节10交替，除了最后一个比特为1。

链路层交换机

转发和过滤

• 过滤（filtering）：决定一个帧应该被转发到某个接口还是丢弃。
  转发（forwarding）：决定一个帧应该被导向哪个接口，并将帧移动到那个接口的接口缓存。
• 过滤和转发通过交换机表完成。表包括MAC地址、通向该MAC地址的交换机接口、表项放置在表中的时间。
  
• 某个目的MAC地址的帧由接口x到达。
  
  1. 表中没有该MAC地址表项。向除了x接口的所有接口广播该帧。
  2. 该MAC地址与接口x联系。无需转发，丢弃该帧。
  3. 该MAC地址与接口y联系。将帧放入接口y的输出缓存。
• 交换机通过接收的帧，将MAC地址和接口关联，并和当前时间记入交换机表，在老化期之后，删除该表项。
• 交换机是一种即插即用设备（plug-and-play device），是双工的，接口可以同时发送和接收。

性质

1. 消除碰撞。交换机缓存帧，并且不同时在网段上传输超过一个帧。
2. 异质链路。隔离链路，不同链路可以使用不同速率。
3. 管理。断开异常链路、统计流量等。

交换机和路由器

• 交换机即插即用，路由器需要人为配置IP。
• 交换机分组过滤转发速率快，因为交换机处理至第二层帧，路由器处理至第三层数据报。
• 交换机活跃拓扑为一颗生成树，路由器没有限制。
• 交换机对广播风暴不提供保护，路由器提供防火墙保护。

虚拟局域网

• 虚拟局域网（Virtual Local Network, VLAN），可以隔离流量、有效使用交换机（充分利用端口）、方便用户迁移。
• 基于端口的VLAN中，端口被划为为多个组，每个组构成一个VLAN。
• VLAN帧在初始以太网的帧上增加4个字节的VLAN标签。
  
  
  • 2个字节标签协议字符。
  • 2个字节标签控制信息字符。12比特的VLAN标识字段、3比特优先权字段。
• 两个隔离的VLAN之间需要通过路由器或者三层交换机相连。
• 同一个VLAN位于两台交换机，需要通过VLAN干线连接（VLAN trunking），该干线端口属于所有VLAN。

数据中心网络

• 数据中心网络（data center network），将内部的主机彼此互联并与因特网连接。用于支持云应用。
  
  
  • 外部请求首先被定向到负载均衡器，然后向主机发放请求。这样可以平衡主机的负载，还可以隐藏网络内部结构。
  • 等级结构可以解决扩展性问题，但是主机到主机之间的容量受限。
• 发展趋势
  
  1. 全连接拓扑（fully connected topology），不同层次的交换机之间有多条路径，减轻主机之间的容量限制。
  2. 模块化数据中心（Modular Data Center, MDC），主机装配在集装箱中部署，一旦故障或者性能下降到某一值，使用新的集装箱代替。