计算机网络总结:第五章 链路层
第五章 链路层:链路、接入网和局域网
5.1 链路层概述
- 一些术语
–结点:运行链路层协议的任何设备(主机、路由器。交换机)
–链路:沿着通信路径连接相邻结点的通信信道
–在通过特定的链路时,传输结点将数据报封装在链路层帧中,并将该帧传送到链路中
5.1.1 链路层提供的服务
- 成帧(framing):在每个网络层数据报经链路传送之前,几乎所有的链路层协议都要将其用链路层帧(数据字段+首部字段)封装起来
- 链路接入(link access):媒体访问控制(Medium Access Control,MAC)协议规定了帧在链路上传输的规则
- 可靠交付(reliable delivery):通过确认和重传保证无差错地经链路层移动每个网路层数据报,常用于产生高差错率的链路(无线链路)
- 差错检测和纠正(error detection and correction):比特差错(链路层硬件将比特1判断为比特0)是由信号衰减和电磁噪声导致的
5.1.2 链路层在何处实现
- 链路层的主题部分是在网络适配器(network adapter)中实现的,网络设配器也称网络接口卡(Network Interface Card,NIC)
- 适配器的交流
5.2 差错检测和纠正技术
- 检测和纠正比特(Error-Detection and-Correction,EDC)
–可能有未检出比特差错(undetected bit error)
5.2.1 奇偶校验(Parity checking)
- 例子:假设要发送的信息D有d个比特。在偶校验方案中,发送方只需包含一个附加的比特,选择他的值,使得这d+1个比特中1的总数是偶数(奇校验同理)
- 二维奇偶校验,可以检测并纠正一个比特差错,可以检验一个分组中两个比特差错的任何组合
5.2.2 检验和方法
- 因特网校验和(Internet checksum)
5.2.3 循环冗余检测(Cyclic redundancy check,CRC)
- 广泛应用
- CRC编码也称为多项式编码(polynomial code)
5.3 多路访问链路
- 两种类型的网络链路
–点对点链路(point-to-point)
–广播电路(broadcast) - 多个结点共享一个广播信道,当多个结点同时传输帧时,传输的帧在所有接受方处碰撞(collide)
- 多路访问协议(multiple access protocol)
5.3.1 信道划分协议(channel partitioning)
- 时分多路复用(TDM)
- 频分多路复用(FDM)
5.3.2 随机接入协议(random access)
- 一个传输结点总是以信道的全部速率进行发送。当有碰撞时,涉及碰撞的每个结点反复地重发它的分组,直至无碰撞地通过。(重发前等待一个随机时延)
- 常见的随机接入协议
–slotted ALOHA
–ALOHA
–CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA
5.3.3 轮流协议(“taking turns”)
- 轮询协议(polling protocol):指定一个主结点,主结点以循环的方式轮询每个结点
–缺点:引入轮询时延(通知一个结点可以传输所需的时间);如果主结点有故障,整个信道都变得不可操作 - 令牌传递协议(token-passing protocol):一个称为令牌(token)的小的特殊帧在结点之间以某种固定的次序进行交换。当一个结点收到令牌时,仅当它有一些帧要发送时才持有该令牌,否则它将立即发送给下一结点
–缺点:一个结点的故障可能会使整个信道崩溃
*多路访问协议总结
5.4 交换局域网
5.4.1 链路层寻址和ARP
- MAC地址
–长度六字节(48位)
–链路层地址的不同称呼:LAN地址,物理地址,MAC地址
–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 - 地址解析协议(Address Resolution Protocol,ARP)
–ARP表:包含IP地址到MAC地址的映射关系
*格式:< IP address; MAC address; TTL>
*TTL:地址映射将被遗忘的时间
–若ARP中没有目的主机的表项
- 发送数据报到子网以外
5.4.2 以太网(Ethernet)
- 特点:第一个广泛部署的高速局域网,简单便宜,速度不慢
- 物理拓扑(physical topology)
- 以太网帧结构
–前同步码(preamble)(8字节):前七个字节的值都是10101010,用于“唤醒”接受适配器,并且将它们的时钟和发送方的时钟同步;最后一个字节是10101011,最后两个比特用于警告适配器B;
–目的地址(6字节):目的的适配器的MAC地址
–源地址(6字节):传输该帧到局域网上的适配器的MAC地址
–类型字段(2字节):允许以太网复用多种网络层协议
–数据字段(46-1500字节)
–CRC(循环冗余检测)(4字节):使得接收适配器检测帧中是否映入了差错 - 以太网特点:无连接,不可靠
- 以太网技术
5.4.3 链路层交换机
- 它是即插即用设备(plug-and-play)
- 交换机转发和过滤
–转发(forwarding):决定一个帧应该被导向哪个接口,并把该帧移动到那些接口
–过滤(filtering):决定一个帧应该转发到某个接口还是应当将其丢弃
–以上两种功能借助于交换表(MAC地址,接口,时间) - 自学习:表是自动、动态和自治地建立的
- 链路层交换机的性质(优点)
–消除碰撞
–异质的链路:交换机将链路彼此隔离,因此局域网中的不同链路能够以不同的速率运行并且能够在不同的媒体上运行
–易于管理 - 交换机和路由器比较
- 路由器
–它是使用网络层地址转发分组的存储转发分组交换机
–优点
*分组不会限制在一棵生成树上,它们允许以丰富的拓扑结构构件因特网
*对第二层的广播风暴提供了防火墙保护
–缺点
*不是即插即用的
*对每个分组的处理时间通常比交换机更长 - 交换机
–它是使用链路层地址转发分组的存储转发分组交换机
–优点
*即插即用
*具有高的分组过滤和转发速率
–缺点
*对于广播风暴并不提供任何保护措施
3. 结论
–几百台主机组成的小网络:交换机
–几千台主机组成的大网络:路由器
- 路由器
5.4.4 虚拟局域网
-
局域网等级结构的缺点
–缺乏流量隔离:广播流量仍然必须跨越整个网路
–交换机的无效使用
–管理用户 -
虚拟局域网
-
扩展的以太网帧格式:802.1Q
5.5 链路虚拟化:网络作为链路层
- 多协议标签交换(Multiprotocol Label Switching,MPLS)