链路层概述

链路层提供的服务

• 成帧
• 链路接入
• 可靠交付
• 差错检测和纠错

链路层在何处实现

链路层的主体部分实在网络适配器中实现的，网络适配器有时也称为网络接口卡（Network Interface Card, NIC）。

位于网络适配器核心是链路层控制器，该控制器通常是一个实现了许多链路层服务（成帧、链路接入、差错检测等）的专用芯片。

对于控制器：

在发送端，控制器取得了由协议栈较高层生成并存储在主机内存中的数据报，在链路层帧中封装该数据报，如何遵循链路层接入协议将该帧传进通信链路中。

在接收端，控制器接收了整个帧，抽取出网络层数据报。如果链路层执行差错检测，则需要发送控制器在该帧的首部字段设置差错检测比特，由接收端控制器执行差错检测。

链路层许多功能都是硬件实现的。

在 CPU 中也实现了部分链路层功能，如组装链路层寻址信息和激活控制器硬件。

在接收端，链路层软件响应控制器终端（例如，由一个或多个帧的到达），处理差错条件和将数据报向上传递给网络层。

差错检测和纠正技术

奇偶校验

之前学过了，链接： 《计算机组成与设计》05. 大而快：层次化存储

循环冗余检测

计算过程：

• 发送与接收方都先约定好一个生成多项式 G(x)
• 发送方基于待发送的数据和生成多项式计算出差错检错码（冗余码），将其添加到待传输数据的后面一起传输。
• 接收方通过生成多项式来判断收到的数据是否产生了误码。

发送方处理：

接收方处理：

多路访问协议

多个节点在共享信道上进行传输，需要通过多路访问协议来规范它们在广播信道上的传输行为。
在各种各样的网络环境下需要多路访问协议，包括有线和无线接入网，以及卫星网络。

因为所有的节点都能够传输帧，所以多个借点可能会同时传输帧。此时当所有节点在传输的过程中，在某一时刻将碰到一起，这就产生了碰撞。
通常，当发生碰撞时，碰撞将导致所有的帧都丢弃，因此将没有一个节点能有效的接收到任何传输的帧。

因为许多节点都需要频繁的传输帧，许多传输将导致碰撞，广播信道的大量带宽将被浪费。

多路访问协议应该具有一下所希望的特征：

1. 当仅有一个节点发送数据时，该节点具有 Rbps 的吞吐量。
2. 当有 M 个节点发送数据时，每个节点吞吐量为 R/M bps。
3. 不会因为某个主节点故障而导致整个系统崩溃。
4. 协议是简单的，使实现不昂贵。

信道划分协议

• 时分多路复用（TDM）
• 频分多路复用（FDM）
• 码分多址（CDMA）

随机接入协议

时隙 ALOHA

略…

ALOHA

略…

载波侦听多路访问 —— CSMA

• 传输前先侦听（载波侦听）：当前节点的适配器侦听信道上是否有其它适配器的能量信号，若有，则先不发送，若无，则发送。
• 和其它节点同时传输（碰撞检测）：当一个节点在传输时一直侦听此信道，若检测到此信道上有其它节点的能量信号，即干扰正在传输的帧，它就停止传输，进入一段随机等待时间，然后在进行“侦听－当空闲时传输”。

载波侦听多路访问：CSMA
具有碰撞检测的 CSMA：CSMA/CD

发送碰撞时的图示：

具有碰撞检测的载波侦听多路访问 —— CSMA/CD

从与广播信道的适配器（在节点中）的角度总结：

1. 适配器从网络层得到数据报，接着在链路层封装该数据报，并将其放入到帧适配器缓存中。
2. 若适配器侦听到信道空闲（即信号能量从信道进入适配器），此时它开始传输。若侦听到信道繁忙，它将等待，直到侦听到没有信号能量时才开始传输帧。
3. 在传输过程中，适配器监视来自其他使用该广播信道的适配器的信号能量的存在。
4. 若适配器传输整个帧的过程中未检测到来自其它适配器的信号能量，该适配器就完成了该帧的传输。若适配器在传输过程中检测到来自其它适配器的信号能量，它将中止传输。
5. 中止传输后，适配器等待一个随机时间，然后返回步骤 2。

随机时间的长短：

• 时间间隔大，碰撞节点数量小：在进入到“侦听-空闲时传输”步骤前，节点很可能等待较长时间（导致信道保持空闲）。
• 时间间隔小，碰撞节点数量大：很可能各节点选择的时间相差较小，导致节点将再次碰撞。
  理想是：当碰撞节点数量少时，时间间隔较短；当节点碰撞数量较大时，时间间隔较长。

具体随机时间计算：当传输一个给定的帧时，假设该帧碰撞了 $n$ 次，节点随机地从 $0,1,2,...,2^n-1$ 中选择要给 $K$ 值。这便是二进制指数后退算法。

CSMA/CD 效率

$$效率=\frac{1}{1+5d_{prop}/d_{trans}}$$

轮流协议

略…

DOCSIS：用于电缆因特网接入的链路层协议

略…

交换局域网

链路层寻址和 ARP

MAC 地址

并不是主机或路由器具有链路层地址，而是它们的适配器（即网络接口）具有链路层地址。

注意，链路层交换机并不具有与它们的接口（这些接口是与主机和路由器相连的）相关联的链路层地址。因为链路层交换机的任务是在主机与路由器之间承载数据报。

链路层地址的各种称呼：LAN地址、物理地址、MAC 地址。

通常，MAC 地址长度为 6 字节，共有 $2^{48}$ 个可能的 MAC 地址。MAC 地址每个地址都用十六进制表示。

MAC 地址是固定不变的，但用软件改变一块适配器的 MAC 地址现在是可能的。

MAC 地址出厂时确保 MAC 地址唯一，也就是说世界上没有两块适配器具有相同的 MAC 地址。这依靠 IEEE 来实现。

IEEE 负责管理 MAC 地址空间，当一个公司生产适配器时，需要向 IEEE 购买 $2^{24}$ 个地址空间，
IEEE 分配这 $2^{24}$ 个地址的方式是：固定一个 MAC 地址的前 24 位，让公司自己为每个适配器生成后 24 位的唯一组合。

MAC 地址是扁平结构（固定不变），IP 地址是层次结构（可以改变）。

当某适配器要向某些目的适配器发送一个帧时，发送适配器将目的适配器的 MAC 地址插入到该帧中，并将该帧发送到局域网上。

当适配器接收到一个帧时，将检测该帧中的 MAC 地址是否与自己的 MAC 地址相匹配：

• 匹配：该适配器提取出封装的数据报，并将数据报沿着协议栈向上传递。
• 不匹配：该适配器丢弃该帧，而不会向上传递该网络层数据报。

MAC 广播地址：对于 6 字节的 MAC 来说，就是 48 位 MAC 全为 1，以十六进制表示就是 FF-FF-FF-FF-FF-FF。

地址解析协议 —— ARP

以太网

以太网的帧结构

字段	字段大小（字节）	说明
前同步码	8	该同步码的前 7 字节都是 10101010，最后一个字节是 10101011。前 7 字节用于“唤醒”接收适配器，并将它们的时钟和发送的时钟同步。为什么需要同步：因为发送和接收的速率并不一定一致，如发送方以1Gbps发送，接收方以10Mbps接收。
目的地址	6	包含一个目的适配器的 MAC 地址，当目的适配器接收到帧时，如匹配，则它将该帧的数据字段传递给网络层，否则丢弃。
源地址	6	发送端的 MAC 地址。
类型	2	主机除了能使用 IP 协议外，还可以使用其它的网络层协议。一台主机可以支持多种不同协议，因此当接收适配器收到了以太网帧后，该适配器需要知道它应该将数据字段的内容传递给哪个网络层协议（即分解）
数据	46~1500	该字段承载了 IP 数据报。IP 数据报若小于以太网的最大传输单元，则必须分片。若小于最小，则必须填充。
CRC	4	使得接收适配器检测帧中是否引入差错。

所有以太网技术都向网络层提供无连接服务。

所有以太网技术都向网络层提供不可靠服务。

若丢弃帧需要重传，是否重传全看应用是 UDP 还是 TCP，UDP 不重传，TCP 就重传。

以太网技术

链路层交换机

交换机转发和过滤

交换机中有一张交换机表，用于完成交换机转发功能。

当发送方包含一个目的地 MAC 地址为 DD-DD-DD-DD-DD-DD 的帧，并且从交换机的 $x$ 接口入帧时：

• 若交换机没有该表项，则除了 $x$ 接口外，交换机广播该帧。
• 若表项与 $x$ 接口匹配，则该帧无需转发到其它任何接口，因此该帧从包含该 MAC 地址的局域网网段中来，因此交换机丢弃该帧，即过滤该帧。
• 若表项存在与一个 $y$ 接口匹配，则该帧需要转发到 $y$ 接口相连的局域网网段。

自学习

交换机是即插即用设备，不需要 网络管理员手动进行配置，只需要插上电就可以用了。

如何自学习：当交换机收到一个帧时，该交换机就进行存储。

表中的字段：

• 地址：通向目的的 MAC 地址。
• 接口：通向目的 MAC 地址的接口。
• 时间：表项在表中保存的时间（过了这个时间后，该表项就会被删除，这是因为 MAC 所对应的 IP 会变）。

链路层交换机的性质

• 消除碰撞
• 异质的链路
• 管理

交换机 VS 路由器

如下图，交换机是链路层设备，路由器是网络层设备。交换机需要处理高至第二层的帧，路由需要处理高至第三层的数据报。

在交换机中，为了防止广播帧循环，交换网络会将拓扑限制为一颗生成树。交换机对广播风暴并不提供任何包含措施。

相反，路由器中，IP 用一个特殊的报文首部字段来限制循环，因此网络拓扑不会被限制为一颗生成树，分组也就不会被限制到一个生成树上，并且可以使用源和目的地之间的最优路径。

通常，由几百台主机组成的小网络通常有几个局域网网段，对于这些小网络，用交换机就够了。

对于由几千台主机组成的更大网络中，通常用交换机加路由器。

虚拟局域网 —— VLAN

IEEE 802.1Q

交换机依靠 IEEE 802.1Q 帧来区分各个 VLAN。

IEEE 802.1Q 帧对以太网的 MAC 帧格式进行了扩展，插入了 4 字节的 VLAN 标记。

VLAN 标记的最后 12 比特称为 VLAN 标识符 VID，它唯一标志了以太网帧属于哪个 VLAN。

• VID 的取值范围是 0~4095，即 $02^{12}-1$。
• 用于表示 VLAN 的 VID 有效取值范围是 1~4096。

802.1Q 帧是由交换机来处理的，而不是用户主机来处理的。

• 当交换机收到普通的以太网帧时，会将其插入 4 字节的 VLAN 标记转变为 802.1Q 帧，该行为称为“打标签”。
• 当交换机转发 802.1Q 帧时，可能会删除其 4 字节 VLAN 标记转变为普通以太网帧，该行为称为“去标签”。

交换机的端口类型

Access

• 一般用于连接用户计算机。
• 只能属于一个 VLAN。
• PVID 值与端口所属 VLAN 的 ID 相同，默认为 1。
• 该端口接收时的处理方式：通常只接受“未打标签”的普通以太网 MAC 帧。接收完毕后，给该帧插入 PVID 字段，即 “打标签”，字段中的 VID 取值与端口的 PVID 值相等。
• 该端口发送时的处理方式：若帧中的 VID 与端口的 PVID 相等，则 “去标签”，并转发该帧。否则不转发。

Trunk

• 该端口一般用于交换机之间或交换机与路由器之间的互连。

• 该端口可以属于多个 VLAN。

• 用户可以设置 Trunk 端口的 PVID 值。默认 PVID 为 1。

• 该端口接收时的处理方式：

  接收“未打标签”的帧时，根据接收帧的端口的 PVID 给帧 “打标签”，VID 取值和端口的 PVID 值相同。

  接收“打标签”的帧时，直接接收。

• 该端口发送时的处理方式：

  对于 VID = PVID 的帧，先“去标签”，后转发。

  对于 VID != PVID 的帧，直接转发。

Hybrid

交换机各端口的缺省 VLAN ID

• 在思科交换机上称为 Native VLAN，即本征 VLAN。
• 在华为交换机上称为 Port VLAN ID，即端口 VLAN ID，简称 PVID。