计网第五章笔记 -- 数据链路层

介绍

数据链路层的责任是在相邻的结点之间传输数据报(datagram)

主机和路由器都是一个结点

连接相邻结点的通道，分为以下几种

• 有线连接，无线连接
• 局域网，广域网

层二包是一个帧

数据报可以在不同连接上的不同协议间传输：

• 802.3 Ethernet link，以太网
• Ppp link，point to point protocol，点对点协议，早期的宽带，需要拨号上网
• ATM link ，异步传输模式
• Frame relay，帧中机服务
• Fiber link
• 802.11 link: one type of wireless links，统称为wifi技术
• 4G/5G link

链路层服务

• 封帧，解帧：把数据打包成帧传输
  • 确定传输目标地址时候需要使用MAC地址（media Access Control Address），6 * 8共四十八位，例如：00-16-EA-AE-3C-40
• 链路的访问控制功能
  • 上面没有标蓝的两个有可靠性控制
• 流量控制
• 检错功能
  • 检错之后直接把这个数据扔掉，不再往上传
  • 网卡，交换机都是这样，检测到有错误之后直接扔掉，到达不了网络层，如果能到三层，一定没有差错，所以checknum是多余的
• 差错的校正
  • 发四个包到接收端，四个包异或一下得到第五个包，如果有一个数据包丢掉之后，但是接收到了第五个包，可以把收到的包进行异或就可以恢复了
  • 现在的网卡没有这个功能
• 半双工和全双工通信
  • 当前的网络99%都是全双工通信的，两方可以同时发送信息
  • 半双工：对讲机

链路层的实现

对于主机来说是实现在网卡的，对于路由器来说是内置的，交换机和路由器一样

网卡：NIC(network interface card)，现在用的是 PCMCIA card，连接在总线上的

PCMCIA card: Personal Computer Memory Card International Association

网卡没有CPU，包含硬件，软件和固件（烧在芯片中的软件）

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适配器通信

• 发送端
  • 把数据报封装在帧里面
  • 添加差错检验位
  • 流量控制
• 接收端
  • 检查错误
  • 把数据报从帧中解帧出来，并向上传输到网络层

三种工作方式：

• 正常工作模式：看链路层头的mac地址是不是自己，如果是自己就解帧发送到网络层，如果不是直接扔掉
• 如果是全1的包，那么说明是一个广播地址，也会解开往上传
• 混杂模式：收到帧就解开往上传

差错检测

要求发送端发送冗余信息

奇偶校验法

一维奇偶校验

最后加一个校验码，表示这段数据中1的个数是奇数还是偶数

二维奇偶校验

把数据组织成二维的形式，一位差错时可以纠正，两位出错时可以校验

CRC

循环冗余校验(Cyclic Redundancy check)，目前普遍使用的方法

把要发的数据左移若干位（比generator少一位），然后除以generator，得到的余数叫做CRC

具体移动位数取决于发送端与接收端约定的产生式(generator)，现在普遍采用的是32位，也可以叫做多项式

余数连同要发的数据Data发送到接收端，接收端收到之后连同余数一起除以generator，如果没有差错的话，最后得到的余数是0

产生式是多少位就可以检测出来多少位的错误，检验错误之后直接取反就是正确数据

原始数据左移r位（其中generate是r+1位），然后异或得到的余数（任何数异或0都是自己）

例子

这里的除法是模二除法，不往前借位，10-01=11

generator：1001

Data：101110

Data左移三位为：101110,000，除以generator得到余数011，拼接到Data后面发送到接收端

lyn: ：为什么余数是011，不是11

这里的remainder表示求余数

多路访问链路和协议

链路类型

• 点对点链路（P2P链路）
  • PPP for dial-up access，ADSL
  • 不会出现碰撞，不需要控制，通信时候甚至不需要mac地址，因为已经建立好了二者之间的通信，我发就是你收
• 广播（shared wire or medium）
  • 数据同时发的话会产生碰撞
  • 老的以太网
  • HFC，混合光纤同轴电缆
  • 802.11 无线局域网
• 交换式链路
  • Ethernet

多路访问控制

多个结点同时使用链路时候需要处理冲突

冲突（interference）：两个结点以上同时发数据就会发生碰撞(collision)，同时发数据在收到之后一查就发现是错的，只能扔掉

分类

• 分散式的
  • 目前采用比较多的方法
  • 任意一个结点需要使用通道发数据时候就直接发了，有可能产生碰撞，产生碰撞之后停止发送，过一段时间之后再申请发送，直到发送成功为止
  • 每一个结点自行决定什么时候发送数据
  • 使用的是分布式的算法
  • 需要有能力检测是不是发生碰撞了，检测到需要直接停止发送
• 集中式的
  • 需要一个控制器
  • 发数据前现象控制器申请，许可之后才能发送
  • 可以保证任意时间点只有一个结点在发送数据
  • 控制器坏了整个网络就瘫痪了

理想的多路传输协议

四个要求（假设链路带宽为R bps）

• 只有一个结点传数据的时候可以使用全部的带宽（R bps）
• 当多个结点共享时候每一个结点使用的带宽是相等的（R/M bps）
• 尽可能的完全分散
  • 不需要集中的控制器
  • 没有同步的时钟
• 算法要足够简单

MAC协议

三种大的分类

• 信道划分
  • 时分
  • 频分
  • 码分
  • 波分
  • 空分（不同方向，例如卫星通信）
  • 适合高负载的情况
• 随机访问
  • 信道是随机划分的，允许碰撞
  • 产生碰撞时候会重新分类
  • 适合用户量比较少的情况
• taking turns
  • 大家轮着使用，有一个结点控制大家使用，有一个结点使用的时候其他不许使用
  • 集中式轮询
  • 分布式轮询
  • 同一时间只有一个用户发数据

信道划分协议

信道划分

时分复用

TDMA：每个用户分一个时间片，大约为发一帧数据的时间，大家轮流使用通道

例如：座机打电话

频分复用

FDMA：使用不同的频率发数据

分配给你的频率你不发数据就浪费掉了，别人不能使用

例如：wifi（分为三个频段），ADSL

随机访问协议

重点

思想：想发就发了

当一个结点有包要发时候

• 以带宽的速率发送
• 没有优先级的问题

两个结点同时发送时候会产生碰撞问题，如果产生碰撞，那么所有结点都停止发送，让链路回到碰撞之前的状态

典型随机访问MAC协议

• ALOHA
• Slotted ALOHA
• CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA

Slotted ALOHA

Additive Link On-link Hawaii System ，在线夏威夷系统的附加链路

适合与活跃的用户数非常少的情况（会一直产生碰撞）

夏威夷岛上无线通信的一个协议

ALOHA是夏威夷的一个土话，打招呼的意思

Slotted ALOHA，分片的ALOHA协议

假设

• 所有的帧都是一样大小
• 是一个同步的协议，所有的结点发数据必须在一个时间片开头发数据
• 时间分为大小相等的时间片
• 如果在一个开头两个都发数据，那么就会产生碰撞，这时候两个都停止发送
  • 下一个时间片开头，两个结点都有概率P的大小重新发送数据，直到发送成功
• 如果没有碰撞，那么在下一个时间片可以再发下一个帧

• 优点
  • 只有一个结点在发数据的话，可使用所有带宽
  • 高度分散化式的，只要求在时间片开头发数据
  • 简单
• 缺点
  • 发生碰撞就浪费了
  • 有空闲的时间片
  • 结点要有能力检测碰撞
  • 要求结点的时钟严格同步

目前很少使用了

效率分析

假设有N个结点，都有大量的帧发送，发送数据的概率是P

一个结点发送成功的概率是：$p(1-p{)}^{N-1}$

N个结点发送成功的概率是：$Np(1-p{)}^{N-1}$

最大的效率，以p为变量求$Np(1-p{)}^{N-1}$的最大值为$\frac{1}{e}=0.37$

最大的利用效率为37%

Pure(unslotted) ALOHA

不分时间片，碰撞的概率增加了

效率分析

最大效率仅为0.18，比上一个Slotted ALOHA协议更糟糕

协议限制了信道的吞吐量

CSMA

这个必须要记着，不要把字写错了

CSMA (Carrier Sense Multiple Access)，载波侦听多路访问

在传输前感知信道是不是空闲

• 如果空闲了才发数据
• 如果不空闲就推迟传送

也无法避免碰撞，有如下原因

• 传播延迟，在感知时候另一个结点占用的信息还没有发送到自己这里
• 两个同时感知信道，发现没被使用时候同时发数据

CSMA/CD

Collision Detection，带碰撞检测的载波监听的多路访问

CSMA/CD: carrier sensing, deferral as in CSMA

• collisions detected within short time
• colliding transmissions aborted, reducing channel wastage

碰撞检测

• 有线网络较好检测：测量信号强度
• 无线网络比较复杂，采用的方式是避免碰撞

Taking Turns

链路上有一个主节点(master)，其他都是从节点(slave)

任意一个时间点只有一个结点发数据，轮询到一个结点的时候只能发一帧数据，下次轮询到才能再发一帧

蓝牙采用的这种方式

集中式轮询

• 主节点邀请结点去传输数据
  • 如果有数据就发，没有就继续问下一个结点
• 通常与“dumb”从设备一起使用
  • dumb：哑设备，都比较简单
• 缺点
  • 轮询是有开销的
  • 有延时
  • 单点故障（主节点）

分布式轮询

适用于环形网络

Token传输，(托肯传输，建议写成令牌传输)

Token：是一个很小的控制帧，每个结点必须拿到令牌才能传输数据

• 控制令牌在结点之间顺序传播
• 缺点
  • 轮询是有开销的（网络上只有一个结点要发数据时候需要转一圈才能发）
  • 延时
  • 单节点故障（拥有token的结点）

总结

• 信道划分
  • 适合于用户比较大情况
• 随机访问协议
  • ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD
  • Collision detection: easy in some technologies (wire), hard in others (wireless)
  • CSMA/CD used in Ethernet（以太网）（CD：碰撞检测）
  • CSMA/CA used in 802.11）（CA：碰撞避免）
• Take turns
  • 集中式(Polling from central site)和分布式(token passing)
  • Bluetooth, FDDI, IBM Token Ring

交换局域网

MAC地址和ARP

MAC：局域网地址(LAN)，物理地址(physical)，网卡地址(NIC)，MAC地址

• 功能：获取从一个接口到另一个物理连接接口（同一网络）的帧
• 48位长的，烧在NIC的ROM中的，
  • 例如：1A-2F-BB-76-09-AD
  • Broadcast address = FF-FF-FF-FF-FF-FF

不分层，不会重复，在出厂时MAC就已经设置好了

通信：

下到二楼发送时候需要填源MAC地址和目的MAC地址

所有结点在网络层和链路层之间维护了一个表，叫做ARP表，记录了IP地址和MAC地址的对应关系

当ARP表中没有一个IP的MAC地址的时候，会在局域网中进行广播，询问MAC地址，这时候目的主机会返回自己的MAC地址

然后发送到目的主机之后先CRC检查差错，没有问题就解帧变成IP段，然后继续向上传输

ARP是动态的，有一个TTL，如果在TTL时间中没有被访问过，就会删掉这个记录，通常为20min；初始时这个表是空的

记录格式： < IP address; MAC address; TTL>

ARP是工作在局域网中的，不能跨路由器

ARP: Address Resolution Protocol

跨路由器的通信过程

目的：主机A要发数据到主机B

• 网络层，目的IP地址是B的IP地址
• 然后下到链路层进行封帧，源MAC地址是A的，目的MAC地址是路由器的左侧MAC地址（DHCP技术获得）
  • 如果没有路由器左边接口的地址，可以广播一个ARP报文，要路由器的MAC地址
  • 路由器接收到报文之后就会发送回自己的MAC地址
• 路由器收到帧之后进行CRC检查，没有差错之后就解包，送到第三层
• 然后根据目的地址查路由表，路由包就转发到右边的地址
• 然后下到二层，进行封帧，源MAC地址是路由器右边的地址，目的MAC地址是B的MAC地址
  • 如果没有就广播ARP要B的MAC地址
• 送到B之后再次进行CRC检查，没有问题就往第三层送，然后逐步解包送到应用层中

路由器上每个端口都有一个ARP表

以太网

英文：Ethernet

目前最流行的有线网络，因为技术简单，成本低，带宽也很宽(10Mbps - 10Gbps)

wifi也可以称为无线以太网

所有的网卡通过总线连到网络(ETHER)上

Star topology

曾经结构：10base2

总线式的局域网，需要先确定总线是否空闲，所有发出去的数据都会被其他结点收到（设置为混杂模式才可以）

• 10Mbps网
• base: 不需要调试，有数据直接传
• 2：有效距离200M（实际185m）

目前结构：star topology prevails

树状结构或者是层状结构

交换式的局域网

每一个枝叫做一个spoke

这里使用的交换机也是一个存储转发设备

以太网的帧结构

头和尾统称为帧头，在数据的两端

• Preamble：总共八字节长，前7个字节是10101010，后八个字节是10101011，固定死的，用于同步时钟信号
• 目标地址：MAC地址，48位的
• 源地址：MAC地址，48位的
• Type：类型，数据域中封装的什么类型的数据，一般都是IP包
• CRC：4个字节长，用于校验的，可以检查出来32位的01跳变
• Data：数据域，最长可以有1500个字节

wifi的帧结构和这个帧结构不兼容，比这个要复杂一点

在IP层上进行变换，在无线路由器（实际是一个链路转发器）进行转换，这个既不是路由器也不是交换机

以太网的服务模型

Internet: best effort

以太网的服务模型：无连接的不可靠的服务（CRC+CSMA/CD ）

服务模型需要记住

• CSMA/CD: 发送之前先感知链路是否空闲
• CRC: 然后进行差错检查

发送完数据后不需要等待接收端的确认，不需要建立连接和确认，只有一个CRC检查

传输采用的是基带(base)传输，直接把数据发到响应的链路上，与ADSL不一样，ADSL需要调制解调器，

采用的是Manchester encoding，从上变到下表示的是1，从下变到上表示0，传输过程中刚干扰能力比较强（是物理层的方法）

CSMA/CD算法

中英文都要记住

Carrier Sense Multiple Access Collision Detection，带碰撞检测的载波监听的多路访问

算法也要理解并记住

A: sense channel, if idle 
then {
    
    
    transmit and monitor the channel; 
    If detect another transmission // 检测到碰撞，检测到碰撞电平就会升高
  		then {
    
     
       		abort and send jam signal;// 停止发送数据并且发送一个堵塞信号
			update collisions; // 更新碰撞次数，刚开始发的时候一定是0
			delay as required by exponential backoff algorithm; //  延迟做规避，延迟时间是指数型的backoff算法，依据是碰撞次数
			goto A//  重新侦听信道
		}
 	else {
    
    
        done with the frame; // 数据传输完成 
        set collisions to zero // 清空碰撞计数器
	}
}
else {
    
    wait until ongoing transmission is over and goto A}

指数型规避算法

• 第一次碰撞，从0和1中选一个数字，然后做的延时是 $K\ast 512bit$的传输时间
• 第二次之后k的范围是 { 0 , 1 , 2 , 3 } \{0,1,2,3\} { 0,1,2,3}
• 大于10之后K的范围都是 { 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , ⋯   , 1023 } \{0,1,2,3,4,\cdots,1023\} { 0,1,2,3,4,⋯,1023}

对于10Mbps的以太网来说，传输一位的时间是1微秒，如果K=1023，传输时间是50ms

Jam Signal：确保所有的传输都可以收到碰撞信号，有48bit

CSMA/CD的效率

• 传播延时(prop)是指最远的两个点之间的时间
• 传送延时(trans)是指最大的帧传输时用的时间

理想情况下效率接近于1,

链路的控制方式是分散式的

以太网技术的类型

统称为802.3

802.11是wifi

• 总线式
• 交换机
• 光纤方式
• 双绞线

红色的使用的是光纤

蓝色的使用的是双绞线

帧结构和链路的使用方式都是一样的CSMA/CD

Mancgester Encoding

• 在 10base2使用
• 不需要对时钟进行同步
• 是一个分散式的控制

互联设备

Hubs

中文名：集线器

外表和宿舍的小交换机是一样的，是一个物理层的设备

PDU是位，不需要转发，接收到的数据全部都广播出去（不能隔离碰撞域）

没有缓存，不运行CSMA/CD算法

只要把网卡设置为混杂模式就可以收到信息，不够安全

数据采集时候比较方便

交换机

是一个链路层的设备，是链路设备

处理的PDU是帧，帧全部接受完了之后才会进行处理并转发

是一个存储转发设备（优点：隔离碰撞域）

转发的时候需要维护一个MAC表，查询转发出口

检查传入帧的MAC地址，有选择地将帧转发到一个或多个传出链路

转发之前需要运行一下CSMA/CD算法避免碰撞

对用户来说都是透明的

热插拔的，有自学习能力（学习并维护ARP表）

对应于不同的端口可以同时发送，但是如果从一个端口进出数据就不可以同时进行

例如$A\to A^{\prime },B\to B^{\prime },C\to C^{\prime }$就可以同时进行，但是$A\to A^{\prime }$和$B\to A^{\prime }$就不能同时进行

全双工的通信并且每个结点都有缓存的

路由器的每一个端口都有一个ARP表

每个交换机都维护一个交换表

• 交换表的每一行是(MAC地址， 端口号， TTL)
• TTL一般是60分钟，超时会直接扔掉
• 可以通过自学习获得
• 没有数据的时候Flooding（广播）一下，然后接收到了信息之后存起来方便后面使用

自学习

当Flooding之后，会把端口号和传出端口记下来，这个过程就是一个自学习过程

传入和传出的时候都会记录在表里面

过滤转发算法

• 交换机收到一帧数据的时候，把源MAC地址和接口号记录下来（自学习，如果表里面有了的话就更新一下TTL）

• 在交换表里面查找目的MAC地址

if entry found for destination
then {
    
    
    if dest on segment from which frame arrived// 如果目的MAC地址和源MAC地址在一个interface就直接扔掉   
    then drop the frame
    else {
    
    
        CSMA/CD // 运行CSMA/CD算法检查是否有碰撞
        forward the frame on interface indicated// 转发帧到目的端口
    }
}   
else {
    
    
    CSMA/CD // 运行CSMA/CD算法检查是否有碰撞
    flood // 广播
}

单位网络

主交换机带宽1Gbps，末端交换机带宽100Mbps

要是需要采集子网的所有进出数据，需要在主交换机上进行配置，用到的技术是端口镜像，把输出端口镜像到采集端口

交换机和路由器的比较

• 都是存储转发设备，交换机和路由器都可以隔离碰撞域
• 交换机运行在局域网，路由器运行在广域网
• 交换机维护交换表，路由器维护路由表
• 交换机运行CSMA/CD,filter & forwarding,self-learning，路由器运行路由算法
• 运行在不同的层，路由器运行在网络层，交换机运行在链路层

广播域不能被hub或者交换机隔离，只能通过路由器隔离广播域

如果虚拟化局域网则需要使用路由器进行隔离，所以需要把主交换机再进行修改（交换式的路由器），修改之后再进行MAC地址配置，把那些MAC地址放到一个虚拟局域网中

再看一下PPT73页左右的那些东西，各种访问过程

练习

A，交换机到一个结点的最远距离是100m

B

ADE

ADE（F是对角布线，一般都是沿着边边走，所以是错的）

C

B（a:54Mbps）

Spanning Tree Protocol(STP)：生成树算法，把一个图转换成树

可以解决广播风暴问题：一个广播帧很快淹没了整个网络