数据链路层(计算机网络,待完善)

news2024/11/14 11:17:28

0、前言

本文大多数图片都来自于 B站UP主:湖科大教书匠 的教学视频,对高军老师及其团队制作出这么优质的课程表示感谢。文章增加了部分个人理解,内容并不是对视频的静态化翻译。

1、概述

1.1、数据链路层在计算机网络体系中的位置

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1.2、对 MAC 地址的理解

MAC 地址并不是针对主机(或路由器)而言的,而是针对网卡(或路由器的接口)而言的,每一张网卡都有一个MAC地址:

  • 一台主机一般有以太网卡(有线网卡,Ethernet)和无线网卡(WLAN,Wireless LAN),在 Windows 系统上可以通过 ipconfig /all 进行查看
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  • 路由器的每一个接口可以认为是一张网卡(暂时这么认为),下图是通过 Packet Tracer 查看 Router1941 的配置项
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1.3、认识网卡(网络适配器)

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  • 核心芯片:其中有 数据缓冲区,用于缓冲发送或接收到的数据
  • PCI 接口:Linux 系统中可以通过 lspci 来查看 PCI 设备,可以认为是 ls pci 的组合命令。
    曾在个人笔记本上安装 CentOS 7、Kali Linux、Ubuntu等,但无论怎么重装,都出现 WiFi 不可用的问题,也就是无线网卡的问题。在寻找解决方案的过程中,会遇到一些文章中提到 lspci | grep net 来查看网卡
  • EEPROM:可编程电可擦除只读芯片,存储 MAC 地址

除了物理网卡,还要一些虚拟网卡,例如:

  • 在 Linux 系统上使用 ip address 可以查看到有一张名为 lo 的网卡,这就是用于本地回环测试1的网卡
  • 在使用 VMWare 等虚拟机软件后,可以看到操作系统中会多出一些 VMnet8VMnet1 这些用于和虚拟机通信的虚拟网卡


二、数据链路层的机制(理论)

数据链路层要解决的三个问题:

  1. 封装成帧和透明传输
  2. 差错检测
  3. 可靠传输

2.1、封装成帧和透明传输

2.1.1、封装成帧

要考虑的问题是:上层传递过来的数据最终以 bit 流(面向比特的链路) 或 byte 流(面向字节的链路),需要一种机制使得接收方能够区分数据的开始和数据结束

方式一:插入帧定界符
PPP 协议采用该方案,存在缺陷的原理如下:

  1. 约定起始符号和终止符号(可以是同一个,记为 FLAG,PPP 协议中该值是 0x7E,二进制形式为 01111110)
  2. 遇到第一个 FLAG 认为是数据开始,遇到第二个 FLAG 认为是数据结束

方式二:采用帧间间隔
以太网协议采用该方案,原理如下:

  1. 插入前导码(同步+起始符的功能)
  2. 传输完一个帧后,等待一个帧间间隔(28us)后再传输下一个帧。

相当于采用 NULL 来作为终止符,即一段时间不传输数据,来接收方来确定帧结束

2.1.2、透明传输(完善的帧定界符方案)

帧定界符方案存在一个问题:如果上层传递过来的数据中存在 FLAG 这个值,那么就会发生误判,如下图所示
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透明传输要解决的正是这个问题:让数据荷载中可以包含任意数据。上层不需要关系底层细节,即透明。

相似问题:

  • 如何在一个字符串中包含 " 符号?

基于字节的解决方案:使用转义字符(ESC,PPP协议中该值为 0x7D)

综上所述,使用透明传输需要发送方和接收方都对数据进行额外的处理(开销),具体过程如下:

  1. 发送方发送数据时,扫描帧的数据荷载部分,对其中的 FLAGESC 都进行转义(细节),即在前面插入 1B 的 ESC 字符
  2. 接收方接收数据时,扫描帧的数据荷载部分,当发现 ESC 时,就不对下一个字节的数据进行判断,直接提取即可。当需要判断的时候发现 FLAG,那么说明数据结束。

基于比特的解决方案:改造数据荷载,让数据荷载中不出现 FLAG(01111110) 这个序列,且接收方能够还原
FLAG 中间出现连续 6 位 1,因此只需要遍历数据荷载中的每一比特,当发现 5 个连续比特位为 1 时,再其后插入 1 位 0,5110

  1. 41103110211011100110 这些方案都是可行的,都可以保证数据荷载中不会出现 FLAG 这个序列。之所以选择 5110,是因为它的开销最小,假如采用 0110,那么相当于在原来数据的基础上扩充了一倍的数据长度,那么 1500 B 的数据荷载就需要分成两次进行发送,增加了开销。
  2. PPP 协议中发送除了插入转义字符外,还会将其后的数据(待转义的字节数据,即 FLAG 和 ESC)和 0x20 进行异或。接收方在提取该字符时,会再和 0x20 进行异或来还原。这本质上也是保证数据荷载中不会出现 FLAG 字符,和基于比特的解决方案在本质上异曲同工,但个人这里有点疑惑,因为感觉这个步骤是可以没有的,不理解为什么 PPP 协议要这么做?

2.2、差错检测

2.2.1、奇偶校验

奇校验:添加一个比特位,使得数据中比特 1 的总数为奇数
偶校验:添加一个比特位,使得数据中比特 1 的总数为偶数

2.2.2、CRC 循环冗余校验

以太网(Ethernet)、PPP 协议中均采用该方式进行差错检测,且以太网中如果出现帧错误,会直接丢弃帧,而不会重传

帧错误的情况

  • MAC 帧的长度不是 8k bit(其中 k = 1,2,…)。即字节流
  • MAC 帧长度不在 [64, 1518] 之间
  • FCS 帧检测错误

FCS 的计算过程

  1. 发送方和接收方约定生成多项式,例如,G(X) = X^4 + X^2 + X + 1
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  2. 发送方:数据对齐、模二除法(异或)
    若生成多项式 是 n 阶多项式,则在待发送数据后面补 n-1 个 0。最后得到的余数即为 FCS(帧检验序列,n-1 位)
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  3. 接收方:模二除法(异或)
    接收数据后,用约定的生成多项式进行模二除法,如果最后能够整除,则认为没有出现错误,否则一定出现错误。

2.2.3、海明码(纠错码)

以太网(Ethernet)并没有使用,成本太高,效率低。

原理:TODO

2.3、可靠传输



三、相关协议

3.1、以太网协议(802.3标准)

3.1.1、MAC 帧

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帧的数据荷载部分不宜过长或过短,其优缺点分别为:

长的数据载荷,控制字段的占比低,相当于提高了数据的发送效率(正常情况)。但帧比特位的增加也意味着帧发生错误的概率增加了,且出错后的重传开销也增加,需要发送更多的数据。(异常情况)

短的数据荷载,控制字段的占比高,相当于降低了数据的发送效率(正常情况)。但帧比特位的减少也意味着帧发生错误的概率降低了,且出错后的重传开销也降低,只需要发送很少的数据。(异常情况)

此外,帧不能过短似乎还和帧间间隔?载波监听碰撞检测有关,有待进一步补充(TODO)

3.1.2、MAC 地址

MAC 地址是一个 48 bit 的数字,假设自左向右地址依次增大 (注意是假设),如下图所示
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其中,bits[0] 表示单播(0)或多播(1)地址,bits[1] 表示全球管理(0)或本地管理(1)。

蛋疼的点:MAC 地址的表示逻辑和 IP 地址的表示逻辑并不统一。 原因在于,MAC 地址在表示的时候,是以字节为单位进行表示的,左边是字节低位,右边是字节高位。因此在表示上,上面的比特数组变成了下面的形式

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3.2、PPP 协议

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3.3、无线局域网协议(802.11标准)

四、局域网(LAN)的实现

4.1、以太网(Ethernet)

4.2、无线局域网(Wireless LAN)

五、虚拟局域网(VLAN)

六、待解决的问题

  1. 查看虚拟网卡 VMnet1,发现其 MAC 地址为 00-50-56-C0-00-01,为什么 bits[1] 是 0 而不是 1 呢?
  2. CRC 检测的数学原理是什么?是100%正确的吗?FCS 错误,一定错误这是容易理解的。但 FCS 检验正确,但实际发生错误,是否存在这种可能性呢?

  1. 目的 IP 地址为 127.x.y.z 的都称为回环地址,不仅仅是 127.0.0.1,这只是该 A 类地址中最小的一个。而 localhost 常在 host 文件中被解析为 127.0.0.1 而已。 ↩︎

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