【计网】数据链路层

KiraFenvy
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重点概览

5.1 data transmission services
data link layer : between adjacent nodes over a link

5.2 Error detection and correction
CRC: how to generate frame with CRC and how to detect the error by CRC

5.3 Multiple access protocols
Two types of “links”: point-to-point & broadcast
Collision of broadcast channel
Data link layer is divided into two sub-layers: LLC and MAC
Multiple access protocol-three broad classes
Channel Partitioning: TDMA 、FDMA、 ……
Random Access: ALOHA、CSMA、 CSMA\CD、……
“Taking turns”：Tokening Ring

5.4 Link-Layer Addressing
MAC address ：assigned at manufacturing time

ARP
ARP: IP address -> MAC address
encapsulated in a link-layer broadcast frame
process of ARP query and ARP addressing routing to another LAN

5.6 Link-layer switches
Switch- link-layer device:
Feathers of Switch and creation of Switch table : self-learning

1 introduction, services
2 error detection, correction
3 multiple access protocols
4 LANs
addressing, ARP
Ethernet
switches
VLANS

1.introduction, services

数据链路层和物理层常常合并成数据接入层

一些术语（terminology）：

  • 主机和路由器是节点 nodes
  • 沿通信路径连接相邻节点的通信通道是链路links
    • 有线链路
    • 无线链路
    • 局域网
  • 第 2 层packet是一个帧frame，封装（encapsulate）数据报成帧（framing）

数据链路层负责 从一个node传输数据报，通过link到相邻node

提供的服务：

  • framing成帧
  • 链路接入：（Medium Access Control，MAC）媒体访问控制协议
  • 可靠交付：保证无差错地经链路层移动每个网络层数据报
  • 流量控制 flow control： 相邻发送和接收节点之间的步调
  • 错误检测 error detection： 信号衰减、噪声引起的误差；接收器检测到是否存在错误：
  • 纠错 error correction：接收器识别并纠正位错误，不一定重传
  • 半双工和全双工 half-duplex and full-duplex： 使用半双工，链路两端的节点不能同时传输

实现：主体部分在网络适配器（Network Adapter），也叫网络接口卡（Network Interface Card，NIC）中实现

2.error detection, correction

EDC（Error Detection and Correction bits） = 错误检测和校正位（冗余）（并不完全可靠），EDC字段越大可靠性越大
D = 受错误检查保护的数据，可能包括header字段
接收节点收到D'和EDC'，要检验发出节点的D和EDC是否和接收节点收到的D'和EDC'相同

接收方检测和纠正差错的能力称为前向纠错（Forward Error Correction，FEC）

2.1 Parity（奇偶校验）

只能检测单bit错误
偶校验：加一个bit，使1的总数为偶数
奇校验：加一个bit，使1的总数为奇数
二维三维奇偶校验：二维奇偶校验有行校验列校验，每一行每一列都有一个附加bit

image.png

2.2 Checksumming（校验和方法）

回顾：

  • 数据的字节作为16bit整数对待并求和，和的反码形成携带在报文段首部的因特网检验和，接收方对接受的数据（包括检验和）取反码，检测结果是否全1bit来检测检验和，
  • TCP和UDP对所有字段（包括首部和数据字段）都计算Internet Checksum，但运输层软件实现的差错保护较简单，相对弱。

2.3 Cyclic Redundancy Check CRC（循环冗余检测）

也称为多项式编码（polynomial code），把发送的bit串看作系数为0或1的多项式

  • 将数据位 D 视为二进制数，长度d bits
  • 选择 r+1 位模式（Generator），表示为G
  • 目标：选择r bit个CRC位，表示为R，使得
    • <D，R> 完全可被 G 整除（模 2）
    • 接收器知道G，除以<D，R>除以G。 如果余数不为零：检测到错误！
    • 可以检测所有小于 r+1 位的突发错误

image.png

计算CRC位R的操作如下：
要求D⋅2rXORR=nGD·2^r\enspace XOR\enspace R = nG 两边同时取XOR，则
D⋅2r=nGXORRD·2^r = nG\enspace XOR\enspace R
得出R=remainder(D⋅2r/G) R = remainder(D·2^r/G) 因此把D看成多项式，乘2r2^r左移r位就后面加r个0，然后除以G

  • 中间是异或运算，也可看作没有借位操作的减法，最后得出校验码
  • 因为取模五位数G（r+1=5）的余数最多四位数（r=4），所以后面先加4个0（d+r bit模式）
  • 无限空间数据在有限空间的映射，映射的标签是唯一的 image.png

3. Multiple Access protocols 多路访问协议

两种“links”：

  • 点对点 point-to-point（PPP）
    • 用于拨号访问的 PPP
    • 以太网交换机和主机之间的点对点链路 HDLC（high-level data link control）
  • 广播 broadcast（共享线或介质）
    • 老式以太网
    • upstream HFC
    • 802.11 无线局域网（LAN）

广播信道：

  • 多个节点可以通过单个共享广播信道通信
  • 多个节点可能会同时传输帧：会被干扰
    • 如果节点同时接收两个或多个信号，则会在接收方发生碰撞（collision）
  • Multiple Access protocols 一种分布式算法，确定节点如何共享通道，即确定节点何时可以传输

三种类型的多路访问划分：

  • 信号划分 Channel Partitioning
    • 将通道划分为更小的“片段”（时隙、频率、代码），将片段分配到节点以供独占使用
  • 随机接入 Random Access
    • 通道未分类，允许冲突，有冲突再恢复
  • 轮流 Taking turns
    • 节点轮流，但要发送更多节点可能需要更长的轮次，有点类似轮流拿锁

3.1 Channel Partitioning 信道划分协议

TDMA（time division multiple access）：时分多址（时间切片）

  • TDM将时间划分为时间帧（time frame），把每个时间帧划分为N个时隙（slot）
  • 每个station在每轮时间帧中获得固定长度的时隙（长度= pkt转换时间）
  • 未使用的slot空闲
  • 示例：6-station 局域网，1，3，4 个有 pkt，插槽 2，5，6 空闲

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FDMA（frequency division multiple access）：频分多址

  • 划分为频段的信道频谱
  • 每个station分配固定频段
  • 频带中未使用的传输时间进入空闲状态
  • 示例：6 站 LAN，1，3，4 具有 pkt，频段 2，5，6 空闲

image.png

CDMA（Code Division Multiple Access）码分多址

3.2 Random Access Protocols 随机接入协议

  • 当节点有数据包要发送时
    • 以全通道数据速率R传输。
    • 节点之间没有先验协调
  • 两个或多个传输节点 ➜ “碰撞”
  • 随机访问 MAC 协议指定：
    • 如何检测碰撞
    • 如何从冲突中恢复（如通过延迟的重传）
  • 随机访问 MAC 协议的示例：
    • ALOHA and slotted ALOHA
    • CSMA， CSMA/CD（D,detection）， CSMA/CA（A，avoidence）

Carrier Sense Multiple Access (CSMA) 载波监听多路访问

  • 在传输之前先侦听：
    • 如果通道感测到空闲：传输整个帧
    • 如果检测到通道繁忙，推迟传输
  • collision（碰撞）仍可能发生：
    • 两个节点可能没有侦听到彼此的传播（一方发送的还在途中，如下图t1时刻另一边发送，而t0时刻发送的还在节点B进行传输）
    • 注意： 距离和传播延迟在确定碰撞概率中的作用

CSMA with Collision Detection（CSMA/CD）具有碰撞检测的载波多路监听访问

在短时间内检测到碰撞，碰撞传播中止，减少通道浪费

先听再讲--载波监听 边讲边听—进行检测 冲突处理--发送站检测到冲突后立即停止帧的发送，并且发一个简短的堵塞信号(称强化冲突信号，Jamming signal)，通知网上各站已经发生冲突，本站及网上所有站都等待一段随机分布的时间，然后再按CSMA/CD方式重发该帧。

image.png

节点中的适配器（网卡NIC）角度：

  1. NIC从网络层接收数据报，创建帧
  2. 如果 NIC 感应通道空闲，则开始帧传输。如果 NIC 检测到通道繁忙，则等到通道空闲，然后传输。
  3. 如果 NIC 传输整个帧而没有检测到另一个传输，则 NIC 使用帧完成
  4. 如果网卡在传输时检测到另一个传输，则中止并发送干扰信号
  5. 中止后，NIC等待一个时间量，这个时间量由二进制指数避让决定

二进制指数退让（Binary Exponential Backoff）算法：

  • 第 m 次碰撞后，NIC 从 {0，1，2， ...， 2m−12^m-1} 中随机选择 K。
  • 网卡等待 K·512 bit时间，返回到步骤 2 退避间隔更长，碰撞更多

指数退避举例 Exponential Backoff：

  • 第一次碰撞：从 {0，1} 中选择 K; 延迟为K·512 bit时间
  • 第二次碰撞后：从 {0，1，2，3}...
  • 在十次碰撞后，从 {0，1，2，3，4,...,1023} 中选择 K
  • 经过十六次碰撞，放弃传输。

4.LANs（Local Area Network 局域网）

4.1 MAC地址和ARP

4.1.1 MAC地址

  • 32 位 IP 地址：
    • 接口的网络层地址
    • 用于第 3 层（网络层）转发
  • MAC（或局域网或物理或以太网）地址：
    • 函数：用于“本地”获取从一个接口到另一个物理连接的接口的帧（相同的网络，在IP寻址意义上）
    • 48 位 MAC 地址（对于大多数 LAN）在 NIC ROM 中刻录，有时也可由软件设置
    • 例如： 1A-2F-BB-76-09-AD

手机有两个MAC地址，一个用于数据流量、一个用于WIFI

LAN 上的每个适配器（网卡）有唯一的 LAN 地址

4.1.2 ARP（Address Resolution Protocol）地址解析协议

知道主机的ip地址怎么找主机的MAC地址

局域网上的每个 IP 节点（主机、路由器）都有 ARP 表

  • ARP 表： 某些局域网节点的 IP/MAC 地址映射字段 <IP 地址;MAC 地址;TTL>
    • TTL（Time to Live生存时间）：之后将忘记地址映射的时间（通常为 20 分钟）
  • ARP是“即插即用”（plug-and-play）的： 节点无需网络管理员干预即可创建其 ARP 表

发送到同一子网内主机过程：

  • A 想要将数据报发送到 B，而 B 的 MAC 地址不在 A 的 ARP 表中。
  • A 广播 ARP 查询帧，其中包含 B 的 IP 地址
    • dest MAC address = FF-FF-FF-FF-FF-FF-FF-FF （这是ARP固定的MAC广播地址）
    • 既包含网络层地址又包含链路层地址
    • 局域网上的所有计算机都接收 ARP 查询
  • B 接收 ARP 数据包，使用B 的 MAC 地址回复 A
  • 帧发送到 A 的 MAC 地址（单播 unicast ）
  • 在其 ARP 表中缓存（保存）IP 到 MAC 地址对，直到信息变旧（超时）

发送到子网以外的过程：

  • 路由器的每一个接口都有一个IP地址、一个ARP模块和一个适配器， 所以每一个接口都有一个MAC地址
  • 假设A发送到B，经过路由器R
    • A网络层封装IP，含有源IP地址（A的IP地址）和目的IP地址（B的IP地址）
    • 链路层广播ARP查询帧，子网上的路由器返回其端口的MAC地址
    • A链路层封装数据报成帧，加上了源MAC（A的MAC）和目的MAC（R输入端口的MAC）
    • 传输到R，R输入端口提取数据报，传到网络层
    • R通过ARP获取到B的MAC地址，转发数据报
    • 输出端口封装成帧，源MAC为输出端口MAC，目的MAC为B的MAC

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4.2 以太网 Ethernet

星型拓扑替代总线型拓扑
交换机替代集线器（hub）

发送适配器将 IP 数据报（或其他网络层协议数据包）封装在以太网帧中

4.2.1 以太网帧结构

  • 前同步码 Preamble（8个字节）:前7个字节都是10101010用来唤醒接收适配器，最后一个字节10101011用来表示“大的要来了”
  • 目的地址（6字节）
  • 源地址（6字节）
  • 类型（2字节）：表明网络层协议类型，ARP的类型编号也在这个字段中
  • 数据字段（46~1500字节）：就是IP数据报
  • CRC循环冗余检测（4字节） image.png

4.2.2 以太网特点

  • 无连接（connectionless）：发送和接收 NIC 之间无握手
  • 不可靠（unreliable）：接收 NIC 不会向发送 NIC 发送 ACK 或 NACK
    • 传递到网络层的数据报流可能存在gaps（缺少数据报，因为不通过CRC校验就直接丢弃帧，里面的数据报也被丢了）
    • 如果应用程序使用TCP，则将填补gaps
    • 否则应用层将看到gaps

以太网的 MAC 协议：unslotted CSMA/CD

4.2.3 小结

  • 链路层寻址
  • 链路层流量
    • 在同一子网内
    • 跨子网
  • 局域网技术
    • 以太网、无连接且不可靠的服务
      • 帧结构（承载IP数据报作为有效载荷）
      • CSMA/SD，当节点与集线器连接时，共享广播链路

4.2.4 扩展知识

许多不同的以太网标准 ：

  • 常见的 MAC 协议和帧格式
  • 不同的速度： 2 Mbps， 10 Mbps， 100 Mbps， 1Gbps， 10G bps
  • 不同的物理层介质：光纤、电缆

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Manchester encoding：
因为高低电平转换不可能不需要时间，所以在中间就进行改变

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  • 用于 10BaseT 每个位都有一个过渡
  • 允许发送和接收节点中的时钟彼此同步
  • 无需在节点之间使用集中式全局时钟

4.3 链路层交换机

二层交换机（工作在物理层、链路层）
三层交换机（物理层、链路层、网络层）

hubs（集线器）：
物理层（没有协议的一层，是“dumb”的）中继器：

  • 一个bit进入接口，hub重新生成bit并向其他接口传输
  • 连接到集线器的所有节点都可能相互碰撞
  • 无帧缓冲
  • 集线器上没有 CSMA/CD：主机网卡检测到冲突要重传

链路层设备：比集线器更智能，发挥积极作用

  • 存储，转发以太网帧
  • 检查传入帧的 MAC 地址，在要转发帧时有选择地将帧转发到一个或多个传出链路
  • 透明 主机不知道交换机的存在
  • 即插即用，自学（plug-and-play, self-learning），交换机无需配置 image.png

交换机：允许多路同时传输

  • 交换机缓存数据包
  • 消除碰撞：每个传入链路上使用以太网协议，但没有冲突;A 到 A' 和 B 到 B' 同时切换，无碰撞
  • 全双工
  • 异质的链路：链路彼此隔离，速率介质可能不同
  • 管理

4.3.1 自学习（self-learning）

  • Q：交换机如何知道 A' 可通过接口 4 访问，B' 可通过接口 5 访问？

  • A：每个交换机都有一个交换机表，每个条目： <主机的MAC地址，到达该MAC的交换机接口，时间戳>，从时间戳开始，一段时间后（老化期aging time）会过期

  • Q：如何在交换机表中创建和维护条目？ 类似于路由协议？

  • A：self-learning（自学习)

    • switch 了解哪些主机可以通过哪些接口访问
    • 当收到帧时，交换机learn发送方的位置：传入LAN段
    • 在交换机表中记录发送方/位置对

4.3.2 交换机过滤和转发 frame filtering/forwarding

过滤表示应不应该转发，转发代表应该被转发到哪里

交换机收到frame时：

  1. 记录与发送主机相关联的链接
  2. 索引切换表采用MAC dest地址
  3. if在交换机表找到目的地的条目
    then {
    if dest 在帧到达的段上（因为不需要转发回局域网）
    then 丢弃frame （即过滤）
    else 在指定的接口上转发帧
    }
    else（frame目的地未知） flood（广播风暴：交换机广播该frame，向所有接口前面的输出缓存转发该帧的副本，然后依旧找不到，不断广播）

4.3.3 交换和路由

存储和转发设备

  • 路由器：网络层设备（检查网络层header）
    • 路由器维护路由表，实现路由算法
  • 交换机：链路层设备
    • 交换机维护开关表，实现过滤，学习算法

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4.4 VLANs（Virtual Local Area Network）

支持 VLAN 功能的交换机可以配置为在单个物理 LAN 基础结构上定义多个虚拟 LAN（比如交换机1-8端口配成一个VLAN，9-16端口又能配成一个VLAN）

基于端口的VLAN：将交换机端口分组（按交换机管理软件）使单个物理交换机作为多个虚拟交换机使用

  • 需求和特点：流量隔离、避免交换机端口浪费、管理用户
    • 流量隔离：与端口 1-8 之间的帧只能到达端口 1-8
    • 还可以根据端点的 MAC 地址而不是交换机端口来定义 VLAN
    • 管理用户：动态成员资格：可以在 VLAN 之间动态分配端口
    • VLAN 之间的转发：通过路由完成（就像使用单独的交换机一样），供应商常常组合销售交换机和路由器

中继端口（trunk port）：在通过多个物理交换机定义的 VLAN 之间传输帧

  • 交换机之间在 VLAN 内转发的帧不能是普通 802.1 帧（必须携带 VLAN ID 信息）
  • 802.1q 协议添加/删除了在中继端口之间转发的帧的附加标头字段
  • 初始以太网帧和802.1Q标签以太网VLAN帧的对比：

image.png

Trunk（干线）可以在下列情形下使用：

  • 交换机之间的连接
  • 路由器和交换机之间的连接
  • 服务器和交换机之间的连接

5. 总结

  • 数据链路层服务背后的原则：
    • 错误检测、纠正
    • 共享广播频道：多路访问
    • 链路层寻址
  • 各种链路层技术的实例化和实现
    • 以太网
    • 交换局域网、VLAN
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