5 链路层
5.1 概述
节点（node）：运行链路层协议的设备（主机、路由器、交换机、WiFi接入点）
链路（link）：沿着通信路径连接相邻节点的通信信道
数据链路层（data link layer）：将数据报封装在链路层帧（frame）中通过通信链路从一个节点传输到另一个节点
链路层提供的服务
- 成帧
- 链路接入：介质访问（Medium Access Control，MAC）协议规定了帧在链路上传输的规则。
- 广播链路（broadcast link）：多路访问协议（multiple access protocol）用于协调多个发送和接收节点对一个共享广播信道的访问。
- 点对点链路（point-to-point link）：无论何时链路空闲，发送方都能够发送帧（不存在MAC协议）。
- 可靠交付：通常用于易于产生高差错率的链路（如无线链路），许多有线的链路层协议不提供可靠交付服务。
- 差错检测和纠正
实现
- 链路层在称为网络适配器的芯片上实现，有时也称为网络接口控制器（NIC）。
- 大部分链路层在硬件中实现，也有部分链路层在运行于主机CPU上的软件中实现，是协议栈软件与硬件交接的地方。
5.2 差错检测和纠正技术
5.2.1 奇偶校验
一维奇偶校验：数据 + 奇偶校验位，检1位错
- 奇校验：1的总数为奇数
- 偶校验：1的总数为偶数
二维奇偶校验：检2位错，纠1位错
二维偶校验示例：
5.2.2 检验和
运输层的TCP和UDP协议使用了因特网检验和，对所有字段（首部+数据）计算检验和
5.2.3 循环冗余检测
链路层使用循环冗余检测（Cyclic Redundancy Check，CRC）
运输层差错检测用软件实现，应采用简单而快速如检验和这样的差错检测方案；链路层的差错检测在适配器中用专用的硬件实现，可以快速执行更复杂的CRC操作。
CRC编码/多项式编码：D+R 可以被 G 整除，检 r 位错
- 数据D：d位
- 附加比特R：r位，是 D*2^r / G 的余数（所有的加减运算都是模2运算，等价于异或运算）
- 生成多项式G：r+1位
5.3 多路访问协议
协调多个发送和接收节点对一个共享广播信道的访问
5.3.1 信道划分协议（channel partitioning protocol）
时分多路复用（TDM）：将时间划分为时间帧（time frame），每个时间帧划分为N个时隙（slot），时隙长度应使一个时隙内能够传输单个分组，每个节点获得了专用的传输速率 R/N bps（R为信道传输速率）。
频分多路复用（FDM）：将信道划分为不同的频段，每个频段具有 R/N bps 的带宽，并把每个频段分配给N给节点中的一个。
码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）：CDMA划分编码空间，对每个节点分配一个不同的编码，节点要发送的每个比特都要乘以它唯一的编码的比特。
5.3.2 随机接入协议（random access protocol）
随机接入协议中，所有节点总是以信道的全部速率进行发送，产生碰撞时，碰撞的每个节点都要随机地重发当前帧，直到无碰撞为止。
时隙ALOHA协议
假设：
- 所有帧等长，均为L bit
- 时间被划分为等长的时隙，均为L/R s（R为信道带宽）
- 节点只在时隙起点开始传输帧
- 节点是同步的，它们都知道时隙何时开始
- 发生碰撞时，所有碰撞的节点都能在该时隙结束前检测到碰撞事件
操作：
- 当节点要发送一个新帧时，它等到下一个时隙开始并在该时隙传输整个帧
- 若无碰撞，则成功传输
- 若有碰撞，则节点以概率 p 在后续每个时隙中重传此帧，直到无碰撞
性能：
- N个节点，概率均为p，某个节点成功传输的概率是 p(1 - p)^(N - 1)，任意节点成功传输的概率是 Np(1 - p)^(N - 1)
- 效率是 Np(1 - p)^(N - 1)，最大效率是1/e = 0.37
ALOHA协议
操作：
- 立即传输，碰撞后立即以概率p重传
性能：
- N个节点，概率均为p，某个节点成功传输的概率是 p(1 - p)[1]
- 最大效率是1/(2e)
干扰传输：
载波侦听多路访问（CSMA）
- 载波侦听（carrier sensing）：一个节点在传输前先检测信道，若有其他节点在传输，该节点则等待直到检测到一小段时间没有传输再开始传输。
具有碰撞检测的CSMA（CSMA/CD）
- 碰撞检测（collision detection）：一个传输节点在传输数据时一直侦听信道，若有其他节点开始传输，该节点则立即停止传输，在等待一段随机时间之后开始载波侦听。
- 随机时间的选择：二进制指数后退算法（节点经历n次碰撞，则随机从 [0, 1, 2, ... , 2^n - 1]中选择一个值，因此一个节点经历的碰撞次数越多，越有可能选择到更长的随机时间）
具有碰撞避免的CSMA（CSMA/CA）
- 碰撞避免（collision avoidance）：一个节点在传输前先检测信道，若有其他节点在传输，该节点则选取一个随机回退值，并在侦听到信道空闲时递减该值，侦听到信道忙时保持不变，当该值减为零时，该节点发送整个帧并等待确认。若没收到确认，则从一个更大的范围内选取随机值重复上述过程，直到收到确认完成传输。
5.3.3 轮流协议（taking-turns protocol）
轮询协议（polling protocol）
指定一个主节点，主节点以循环的方式轮询每个节点
令牌传递协议（token-passing protocol）
令牌在节点间以一定顺序传递，持有令牌的节点才能发送帧
5.4 交换局域网
5.4.1 链路层寻址和ARP
链路层地址/LAN地址/物理地址/MAC地址：适配器（网络接口）的唯一地址，具有扁平结构（对应于层次结构的IP地址），共6字节，使用16进制表示，如 1A-23-F9-CD-06-9B，MAC广播地址是 FF-FF-FF-FF-FF-FF。
地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）：实现网络层地址和链路层地址的转换
- 每台主机和路由器在其内存中具有一个ARP表，包含IP地址到MAC地址的映射关系，表项中还包括寿命（TTL）值。
- 若发送方要向子网内的主机发送一个IP数据报且ARP表中没有给定的IP地址，则要向适配器传递一个ARP查询分组，并指示适配器使用MAC广播地址发送该分组；子网中的其他适配器若收到查询分组且本地的ARP表中有给定的IP地址，则会发送一个ARP响应分组（不广播）；发送方接收到响应分组后，更新ARP表，并发送IP数据报。
- 若发送方要向子网外的主机发送一个IP数据报，则目的MAC地址应该是子网内的路由器的一个适配器的MAC地址，该路由器通过查询转发表将数据报转发到正确的链路，（若已经到达对应子网）再用ARP获取目的IP地址对应的MAC地址。
- ARP分组中既包含链路层地址又包含网络层地址，因此ARP协议是跨越链路层和网络层边界的协议。
- ARP表可以自动建立，ARP是即插即用的。
5.4.2 以太网
总线拓扑：是广播链路
基于集线器的星形拓扑：是广播链路
基于交换机的星形拓扑：是点对点链路
以太网技术向网络层提供无连接、不可靠服务。
以太网帧结构：
（注：前同步码Preamble字段共8个字节，前7个字节相同，均为10101010，用于“唤醒”接收适配器，并且将它们的时钟和发送方的时钟同步，第8个字节为10101011，用于“警告”接收适配器，“重要的内容”就要来了）
5.4.3 链路层交换机
链路层交换机对子网中的主机和路由器是透明的。
功能
- 过滤（filtering）：决定一个帧应该被转发到某个接口还是应当丢弃
- 转发（forwarding）：决定一个帧应被导向哪个接口，并把帧移动到那个接口
交换机表（switch table）：表项中包括MAC地址、通向该地址的交换机接口、表项放置在表中的时间
- 对于一个到达的帧，若交换机表中没有该帧目的MAC地址的表项，则广播该帧（转发到除到达接口外的所有接口）
- 若交换机表中该帧目的MAC地址对应的接口为到达接口，则丢弃该帧
- 若交换机表中该帧目的MAC地址对应的接口为其他接口，则转发该帧到该接口
自学习（self-learning）：交换机表是自动建立的，交换机是即插即用设备
- 初始交换机表为空
- 对于每个接口接收到的每个入帧，交换机在表中存储：该帧源MAC地址、该帧到达接口、当前时间
- 一段时间（老化期）后，若交换机没有接收到以该地址作为源地址的帧，则删除该表项
特点
- 交换机是即插即用设备。
- 交换机是双工的，每个交换机接口能够同时发送和接收。
- 交换机消除了碰撞。
- 交换机具有异质的链路：交换机将链路彼此隔离，不同链路速率可以不同、媒介可以不同。
- 交换机易于管理。
- 为了防止广播帧的循环，交换网络的活跃拓扑限制为一棵生成树。
- 交换机对广播风暴没有保护措施。
5.4.4 虚拟局域网
虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）：在一个基于端口的VLAN中，交换机的端口由网络管理员划分成组，每个组构成一个VLAN，每个VLAN中的端口形成一个广播域（一个端口的广播流量仅能到达域内的其他端口）
- 解决问题：缺乏流量隔离、交换机的无效使用（较小的组用不完交换机的接口）、用户管理（必须改变物理布线）
- 实现方法：在交换机中维护一张端口到VLAN的映射表，交换机软件仅在VLAN相同的端口之间交付帧
- 扩展：VLAN干线连接（VLAN trunking），通过交换机上一个特殊端口（干线端口）互联两台交换机，跨越VLAN干线的帧中加入了VLAN标签（VLAN tag）字段
以太网帧结构与扩展后的帧结构对比
ACCESS端口：主要连接终端设备和交换机，只属于一个VLAN，发送和接收的帧不带有VLAN标签，帧进入交换机时打上VLAN标签，发出时判定端口与VLAN标签是否匹配，匹配则去掉标签后发送该帧，否则丢弃该帧
TRUNK端口：主要连接交换机之间的链路（VLAN干线），允许多个VLAN的帧通过，发送和接收的帧带有VLAN标签
2(N - 1) ↩︎
