计算机网络自顶向下方法 | 第6章 链路层和局域网

Steven_Wu
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第6章 链路层和局域网

6.1 链路层概述

链路层提供的可能服务包括：

  • 成帧。将网络层传下来的分组添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。

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  • 链路接入。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。

  • 差错检测和纠正。

链路层的主体部分是在网络适配器 (network adapter) 中实现的，网络适配器也称为网络接口卡 (Network Interface Card, NIC) （即网卡）。

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6.2 差错检测和纠正技术

  • 奇偶效验
  • 检验和方法
  • 循环冗余检测 （Cyclic Redundancy Check, CRC)

目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验（CRC）来检查比特差错。

6.3 多路访问链路和协议

6.3.1 信道分类

6.3.1.1 广播信道

一对多通信，一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到。

所有的节点都在同一个广播信道上发送数据，因此需要有专门的控制方法进行协调，避免发生冲突（冲突也叫碰撞）。

主要有两种控制方法进行协调，一个是使用信道复用技术，一是使用 CSMA/CD 协议。

6.3.1.2 点对点信道

一对一通信。

因为不会发生碰撞，因此也比较简单，使用 PPP 协议进行控制。

6.3.2 信道复用技术

6.3.2.1 TDM

时分多路复用（Time-Division Multiplexing）

时分复用的所有主机在不同的时间占用相同的频率带宽资源。

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6.3.2.2 FDM

频分多路复用（Frequency-Division Multiplexing）

频分复用的所有主机在相同的时间占用不同的频率带宽资源。

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使用频分复用和时分复用进行通信，在通信的过程中主机会一直占用一部分信道资源。但是由于计算机数据的突发性质，通信过程没必要一直占用信道资源而不让出给其它用户使用，因此这两种方式对信道的利用率都不高。

6.3.2.3 统计时分复用

是对时分复用的一种改进，不固定每个用户在时分复用帧中的位置，只要有数据就集中起来组成统计时分复用帧然后发送。

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6.3.2.4 波分复用

光的频分复用。由于光的频率很高，因此习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波。

6.3.2.5 码分复用

为每个用户分配 m bit 的码片，并且所有的码片正交，对于任意两个码片 img 和 img 有

img

为了讨论方便，取 m=8，设码片 img 为 00011011。在拥有该码片的用户发送比特 1 时就发送该码片，发送比特 0 时就发送该码片的反码 11100100。

在计算时将 00011011 记作 (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)，可以得到

img

img

其中 img 为 img 的反码。

利用上面的式子我们知道，当接收端使用码片 img 对接收到的数据进行内积运算时，结果为 0 的是其它用户发送的数据，结果为 1 的是用户发送的比特 1，结果为 -1 的是用户发送的比特 0。

码分复用需要发送的数据量为原先的 m 倍。

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6.3.3 CSMA/CD协议

CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。

  • 多点接入 ：说明这是总线型网络，许多主机以多点的方式连接到总线上。
  • 载波监听 ：每个主机都必须不停地监听信道。在发送前，如果监听到信道正在使用，就必须等待。
  • 碰撞检测 ：在发送中，如果监听到信道已有其它主机正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲，但是由于电磁波的传播时延的存在，还是有可能会发生碰撞。

记端到端的传播时延为 τ，最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞，称 2τ 为 争用期 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

当发生碰撞时，站点要停止发送，等待一段时间再发送。这个时间采用 截断二进制指数退避算法 来确定。从离散的整数集合 {0, 1, .., (2k-1)} 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。

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6.3.4 PPP协议

互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网，PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。

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PPP 的帧格式：

  • F 字段为帧的定界符
  • A 和 C 字段暂时没有意义
  • FCS 字段是使用 CRC 的检验序列
  • 信息部分的长度不超过 1500

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6.4 交换局域网

6.4.1 MAC地址

MAC 地址是链路层地址，长度为 6 字节（48 位），用于唯一标识网络适配器（网卡）。

一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器，因此就有两个 MAC 地址。

6.4.2 地址解析协议ARP

ARP：Address Resolution Protocol

网络层实现主机之间的通信，而链路层实现具体每段链路之间的通信。因此在通信过程中，IP 数据报的源地址和目的地址始终不变，而 MAC 地址随着链路的改变而改变。

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ARP 实现由 IP 地址得到 MAC 地址。

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每个主机都有一个 ARP 高速缓存，里面有本局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表。

如果主机 A 知道主机 B 的 IP 地址，但是 ARP 高速缓存中没有该 IP 地址到 MAC 地址的映射，此时主机 A 通过广播的方式发送 ARP 请求分组，主机 B 收到该请求后会发送 ARP 响应分组给主机 A 告知其 MAC 地址，随后主机 A 向其高速缓存中写入主机 B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射。

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6.4.3 局域网LAN

局域网是一种典型的广播信道，主要特点是网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术，目前以太网占领着有线局域网市场。

可以按照网络拓扑结构对局域网进行分类：

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6.4.4 以太网Ethernet

以太网是一种星型拓扑结构局域网。

早期使用集线器进行连接，集线器是一种物理层设备， 作用于比特而不是帧，当一个比特到达接口时，集线器重新生成这个比特，并将其能量强度放大，从而扩大网络的传输距离，之后再将这个比特发送到其它所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧，那么就发生了碰撞。

目前以太网使用交换机替代了集线器，交换机是一种链路层设备，它不会发生碰撞，能根据 MAC 地址进行存储转发。

以太网帧格式：

  • 类型 ：标记上层使用的协议；
  • 数据 ：长度在 46-1500 之间，如果太小则需要填充；
  • FCS ：帧检验序列，使用的是 CRC 检验方法；

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6.4.5 交换机Switch

交换机具有自学习能力，学习的是交换表的内容，交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。

正是由于这种自学习能力，因此交换机是一种即插即用设备，不需要网络管理员手动配置交换表内容。

下图中，交换机有 4 个接口，主机 A 向主机 B 发送数据帧时，交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B，先查交换表，此时没有主机 B 的表项，那么主机 A 就发送广播帧，主机 C 和主机 D 会丢弃该帧，主机 B 回应该帧向主机 A 发送数据包时，交换机查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1，就发送数据帧到接口 1，同时交换机添加主机 B 到接口 2 的映射。

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6.4.6 虚拟局域网VLAN

VLAN：Virtual Local Area Network

虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组，只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息。

例如下图中 (A1, A2, A3, A4) 属于一个虚拟局域网，A1 发送的广播会被 A2、A3、A4 收到，而其它站点收不到。

使用 VLAN 干线连接来建立虚拟局域网，每台交换机上的一个特殊接口被设置为干线接口，以互连 VLAN 交换机。IEEE 定义了一种扩展的以太网帧格式 802.1Q，它在标准以太网帧上加进了 4 字节首部 VLAN 标签，用于表示该帧属于哪一个虚拟局域网。

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补充

与 IP 协议配套使用的还有三个协议：

  • 地址解析协议 ARP（Address Resolution Protocol）
  • 互联网控制报文协议 ICMP（Internet Control Message Protocol）
  • 互联网组管理协议 IGMP（Internet Group Management Protocol）

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互联网组管理协议 IGMP

（英语：Internet Group Management Protocol）是用于管理网路协议多播组成员的一种通信协议。IP主机和相邻的路由器利用IGMP来创建多播组的组成员。像ICMP用于单播连接一样，IGMP也是IP多播说明的一个完整部分。 IGMP为互联网协议的一种，属于开放系统链接(OSI) 模块的第三层协议，IP主机用它将主机的多点发送成员人数报告给临近的多点发送路由器。

虚拟专用网 VPN（Virtual Private Network）

由于 IP 地址的紧缺，一个机构能申请到的 IP 地址数往往远小于本机构所拥有的主机数。并且一个机构并不需要把所有的主机接入到外部的互联网中，机构内的计算机可以使用仅在本机构有效的 IP 地址（专用地址）。

有三个专用地址块：

  • 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
  • 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
  • 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

VPN 使用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体。专用指机构内的主机只与本机构内的其它主机通信；虚拟指好像是，而实际上并不是，它有经过公用的互联网。

下图中，场所 A 和 B 的通信经过互联网，如果场所 A 的主机 X 要和另一个场所 B 的主机 Y 通信，IP 数据报的源地址是 10.1.0.1，目的地址是 10.2.0.3。数据报先发送到与互联网相连的路由器 R1，R1 对内部数据进行加密，然后重新加上数据报的首部，源地址是路由器 R1 的全球地址 125.1.2.3，目的地址是路由器 R2 的全球地址 194.4.5.6。路由器 R2 收到数据报后将数据部分进行解密，恢复原来的数据报，此时目的地址为 10.2.0.3，就交付给 Y。

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