計算機網(wǎng)絡(luò)之數(shù)據(jù)鏈路層

功能：保證數(shù)據(jù)正確的順序，無錯和完整

1 鏈路層概述

信道類型

點對點信道

一對一的點對點通信方式

廣播信道

一對多的廣播通信方式，過程比較復(fù)雜。廣播信道上連接的主機很多，必須使用專用的共享信道協(xié)議來協(xié)調(diào)這些主機的數(shù)據(jù)發(fā)送

數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型

鏈路層地址

LAN地址，物理地址或稱為MAC地址

基本問題

封裝成幀(framing)

一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部，構(gòu)成一個幀。首部和尾部的一個重要作用就是進行幀定界

透明傳輸

“在數(shù)據(jù)鏈路層透明傳送數(shù)據(jù)”,表示無論什么樣的比特組合的數(shù)據(jù)都能夠通過這個數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)看不見數(shù)據(jù)鏈路層有什么妨礙數(shù)據(jù)傳輸?shù)臇|西

數(shù)據(jù)鏈路層對于這些數(shù)據(jù)來說是透明的

解決透明傳輸問題

發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一個轉(zhuǎn)義字符“ESC”(其十六進制編碼是 1B)。

字節(jié)填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符。

如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，那么應(yīng)在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接收端收到連續(xù)的兩個轉(zhuǎn)義字符時，就刪除其中前面的一個。

差錯檢測

在傳輸過程中可能會產(chǎn)生比特差錯：1 可能會變成0 ,而0也可能變成1

在一段時間內(nèi),傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率稱為誤碼率 BER (Bit Error Rate)

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?在計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時,必須采用各種差錯檢測措施

2 PPP (Point-to-Point Protocol)

點對點協(xié)議 ，三個組成部分

一個將 IP 數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法。

鏈路控制協(xié)議 LCP (Link Control Protocol)。

網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議 NCP (Network Control Protocol)。

3 透明傳送,字節(jié)填充,零比特填充

字節(jié)填充

RFC1662規(guī)定的填充方法：

將信息字段中出現(xiàn)的每一個 0x7E 字節(jié)轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列(0x7D, 0x5E)。

若信息字段中出現(xiàn)一個 0x7D 的字節(jié), 則將其轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列(0x7D, 0x5D)。

若信息字段中出現(xiàn) ASCII 碼的控制字符（即數(shù)值小于 0x20 的字符），則在該字符前面要加入一個 0x7D 字節(jié)，同時將該字符的編碼加以改變。

零比特填充

PPP 協(xié)議用在 SONET/SDH 鏈路時，是使用同步傳輸（一連串的比特連續(xù)傳送）。這時 PPP 協(xié)議采用零比特填充方法來實現(xiàn)透明傳輸。

標志字段0x7E（二進制01111110）

在發(fā)送端，只要發(fā)現(xiàn)有 5 個連續(xù) 1，則立即填入一個 0。接收端對幀中的比特流進行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn) 5 個連續(xù)1時，就把這 5 個連續(xù) 1 后的一個 0 刪除。

5 CRC差錯檢測，求冗余碼

基于循環(huán)冗余檢驗(CRC)的差錯檢測技術(shù)

在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為組。假定每組 k 個比特。

假設(shè)待傳送的一組數(shù)據(jù) M = 101001（現(xiàn)在 k = 6）。我們在 M 的后面再添加供差錯檢測用的 n 位冗余碼一起發(fā)送。

冗余碼的計算

用二進制的模 2 運算進行 2n 乘 M 的運算，這相當(dāng)于在 M 后面添加 n 個 0。

得到的 (k + n) 位的數(shù)除以雙方事先選定好的長度為 (n + 1) 位的除數(shù) P，得出商是 Q 而余數(shù)是 R，余數(shù) R 比除數(shù) P 少1 位，即 R 是 n 位。

冗余碼的計算舉例

4 交換局域網(wǎng)

4.1 鏈路層尋址和ARP

4.2 以太網(wǎng)

4.2.1 概述

“統(tǒng)治地位”的有線LAN技術(shù)

造價低廉(NIC不足￥100.00)

應(yīng)用最廣泛的LAN技術(shù)

比令牌局域網(wǎng)和ATM等，簡單、便宜

滿足網(wǎng)絡(luò)速率需求：10 Mbps – 10 Gbps

Metcalfe的以太網(wǎng)草圖

4.2.2 以太網(wǎng)：物理拓撲

總線(bus): 上世紀90年代中期前流行

所有結(jié)點在同一沖突域(collision domain) (可能彼此沖突)

星型(star)：目前主流網(wǎng)絡(luò)拓撲

中心交換機(switch)

每個結(jié)點一個單獨沖突域(結(jié)點間彼此不沖突)

總線(bus): 同軸電纜&&星型(star)

4.2.3 以太網(wǎng)：不可靠、無連接服務(wù)

無連接(connectionless)：發(fā)送幀的網(wǎng)卡與接收幀的網(wǎng)卡間沒有“握手”過程。

不可靠(unreliable)：接收網(wǎng)卡不向發(fā)送網(wǎng)卡進行確認

差錯幀直接丟棄，丟棄幀中的數(shù)據(jù)恢復(fù)依靠高層協(xié)議 (e.g., TCP)，否則，發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。

以太網(wǎng)的MAC協(xié)議采用二進制指數(shù)退避算法的CSMA/CD。

4.2.4 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

協(xié)議的工作過程，最短幀長與爭用期的關(guān)系(重點)

載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測：

多點接入

許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上

載波監(jiān)聽

每一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，則暫時不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)生碰撞

碰撞檢測

計算機邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓大小

載波監(jiān)聽

碰撞檢測

隨機退避

NIC從網(wǎng)絡(luò)層接收數(shù)據(jù)報，創(chuàng)建數(shù)據(jù)幀,并放入幀適配器緩存中

監(jiān)聽信道：

NIC監(jiān)聽到信道閑，則開始發(fā)送幀

NIC監(jiān)聽到信道忙，則一直等待到信道閑，然后發(fā)送幀

發(fā)送過程中,NIC監(jiān)視來自其他使用該廣播信道的適配器的信號能量的存在(即邊發(fā)送邊檢測)

3. 沒有檢測到其他結(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送,NIC發(fā)送完整個幀,發(fā)送成功

4. 如果NIC檢測到其他結(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，則中止發(fā)送，并發(fā)送堵塞信號(jam signal)

5. 中止發(fā)送后，NIC進入二進制指數(shù)退避：

第m次連續(xù)沖突后：

?取n = Min(m, 10)

?NIC 從{0,1,2, …, 2n-1}中隨機選擇一個數(shù)K

?NIC等待K?512比特的傳輸延遲時間，再返回第2步

連續(xù)沖突次數(shù)越多，平均等待時間越長。

爭用期

最先發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后至多經(jīng)過時間 2? （兩倍的端到端時延）就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。

以太網(wǎng)的端到端往返時延 2? 稱為爭用期，或碰撞窗口。

經(jīng)過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會發(fā)生碰撞

長度

以太網(wǎng)爭用期的時間取為51.2微秒

對于 10 Mb/s 以太網(wǎng)，在爭用期內(nèi)可發(fā)送512 bit，即 64 字節(jié)。因此，也可以說爭用期是512比特時間。

以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若前 64 字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生沖突

最短有效幀長

如果發(fā)生沖突，就一定是在發(fā)送的前 64 字節(jié)之內(nèi)

以太網(wǎng)規(guī)定了最短有效幀長為 64 字節(jié)

若要發(fā)送的數(shù)據(jù)非常少，則必須加入一些填充字節(jié)，使幀長不小于64字節(jié)

凡長度小于 64 字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀

4.2.5 以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

發(fā)送端網(wǎng)卡將IP數(shù)據(jù)報(或其他網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議分組)封裝到以太網(wǎng)幀中：

前導(dǎo)碼(Preamble)(8B):

7個字節(jié)的10101010，第8字節(jié)為10101011

用于發(fā)送端與接收端的時鐘同步

目的MAC地址、源MAC地址(各6B):

如果網(wǎng)卡的MAC地址與收到的幀的目的MAC地址匹配，或者幀的目的MAC地址為廣播地址(FF-FF-FF-FF-FF-FF)，則網(wǎng)卡接收該幀，并將其封裝的網(wǎng)絡(luò)層分組交給相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

否則，網(wǎng)卡丟棄(不接收)該幀

類型(Type)(2B): 指示幀中封裝的是哪種高層協(xié)議的分組 (如，IP數(shù)據(jù)報、Novell IPX數(shù)據(jù)報、AppleTalk數(shù)據(jù)報等)

數(shù)據(jù)(Data)(46-1500B): 指上層協(xié)議載荷

R=10Mbps，RTTmax=512μs，Lmin / R = RTTmax

Lmin=512bits=64B，Datamin=Lmin-18=46B

CRC(4B): 循環(huán)冗余校驗碼

丟棄差錯幀

4.2.6 802.3以太網(wǎng)標準: 鏈路與物理層

許多不同的以太網(wǎng)標準

相同的MAC協(xié)議和幀格式

不同速率: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, 10G bps

不同物理介質(zhì): 光纖, 線纜

5 交換機(switch)

5.1 以太網(wǎng)交換機(switch)

鏈路層設(shè)備

存儲-轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)幀

檢驗到達幀的目的MAC地址，選擇性(selectively) 向一個或多個輸出鏈路轉(zhuǎn)發(fā)幀

利用CSMA/CD訪問鏈路，發(fā)送幀

透明(transparent)

主機感知不到交換機的存在

即插即用(plug-and-play)

自學(xué)習(xí)(self-learning)

交換機無需配置

5.2 交換機: 多端口間同時傳輸

主機利用獨享(dedicated)鏈路直接連接交換機

交換機緩存幀

交換機在每段鏈路上利用CSMA/CD收發(fā)幀，但無沖突，且可以全雙工

每段鏈路一個獨立的沖突域

交換(switching): A-A’與B-B’的傳輸可以同時進行，沒有沖突

5.3 交換機轉(zhuǎn)發(fā)表：交換表

Q: 交換機怎么知道A’可以通過接口4到達，而B’可以通過接口5到達?

A: 每個交換機有一個交換表(switch table), 每個入口(entry):

(主機的MAC地址, 到達主機的接口, 時間戳)

看起來很像路由表！

Q: 交換表入口信息如何創(chuàng)建和維護的那？

類似于路由協(xié)議？

5.4 交換機: 自學(xué)習(xí)

交換機通過自學(xué)習(xí)，獲知到達主機的接口信息

當(dāng)收到幀時，交換機“學(xué)習(xí)”到發(fā)送幀的主機（通過幀的源MAC地址），位于收到該幀的接口所連接的LAN網(wǎng)段

將發(fā)送主機MAC地址/接口信息記錄到交換表中

5.5 交換機: 幀過濾/轉(zhuǎn)發(fā)

當(dāng)交換機收到幀:

記錄幀的源MAC地址與輸入鏈路接口

利用目的MAC地址檢索交換表

if 在交換表中檢索到與目的MAC地址匹配的入口(entry)

then {

if 目的主機位于收到幀的網(wǎng)段

then 丟棄幀

else 將幀轉(zhuǎn)發(fā)到該入口指向的接口

}

else 泛洪(flood) /* 向除收到該幀的接口之外的所有接口轉(zhuǎn)發(fā) */

6 集線器、轉(zhuǎn)發(fā)器、網(wǎng)橋、以太網(wǎng)交換機的異同

集線器的特點

使用集線器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個總線網(wǎng)，各工作站使用的還是 CSMA/CD 協(xié)議，并共享邏輯上的總線。

集線器有許多接口，因此很像一個多接口的轉(zhuǎn)發(fā)器。

工作在物理層，每個借口僅僅簡單地轉(zhuǎn)發(fā)比特。

采用專門的芯片，進行自適應(yīng)串音回波抵消。

網(wǎng)橋

在數(shù)據(jù)鏈路層擴展局域網(wǎng)是使用網(wǎng)橋。

它根據(jù) MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉(zhuǎn)發(fā)和過濾。

網(wǎng)橋具有過濾幀的功能。當(dāng)網(wǎng)橋收到一個幀時，并不是向所有的接口轉(zhuǎn)發(fā)此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然后再確定將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個接口，或者丟棄（即過濾）。

多個局域網(wǎng)通過一種工作在數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備連接起來，這個設(shè)備叫網(wǎng)橋。網(wǎng)橋用于連接多個局域網(wǎng)，它根據(jù) MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)橋具有過濾幀的功能。當(dāng)網(wǎng)橋收到一個幀時，并不是向所有的接口轉(zhuǎn)發(fā)此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然后再確定將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個接口。網(wǎng)橋的優(yōu)點：過濾通信量、擴大屋里范圍、提高可靠性、互連不同物理層、不同MAC層和不同速率的局域網(wǎng)。目前使用得最多的網(wǎng)橋是透明網(wǎng)橋(transparent bridge)。

集線器在轉(zhuǎn)發(fā)幀時，不對傳輸媒體進行檢測。

網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)幀之前必須執(zhí)行 CSMA/CD 算法。

多接口網(wǎng)橋-以太網(wǎng)交換機

通常都有十幾個接口。因此，以太網(wǎng)交換機實質(zhì)上就是一個多接口的網(wǎng)橋，可見交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層。

每個接口都直接與主機相連，并且一般都工作在全雙工方式。

能同時連通許多對的接口，使每一對相互通信的主機都能像獨占通信媒體那樣，進行無碰撞地傳輸數(shù)據(jù)。

由于使用了專用的交換結(jié)構(gòu)芯片，其交換速率就較高。

7 網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)表的建立過程

若從 A 發(fā)出的幀從接口 x 進入了某網(wǎng)橋，那么從這個接口出發(fā)沿相反方向一定可把一個幀傳送到 A。

網(wǎng)橋每收到一個幀，就記下其源地址和進入網(wǎng)橋的接口，作為轉(zhuǎn)發(fā)表中的一個項目。

在建立轉(zhuǎn)發(fā)表時是把幀首部中的源地址寫在“地址”這一欄的下面。

在轉(zhuǎn)發(fā)幀時，則是根據(jù)收到的幀首部中的目的地址來轉(zhuǎn)發(fā)的。這時就把在“地址”欄下面已經(jīng)記下的源地址當(dāng)作目的地址，而把記下的進入接口當(dāng)作轉(zhuǎn)發(fā)接口

8 網(wǎng)卡

網(wǎng)卡，也叫網(wǎng)絡(luò)適配器。處于數(shù)據(jù)鏈路層與物理層，兼顧兩層功能。是個小型嵌入式系統(tǒng)，上面有自己的處理器以及存儲器（包括ROM和RAM）。

網(wǎng)卡的職責(zé)

計算機的CPU將網(wǎng)絡(luò)層的IP數(shù)據(jù)報交給網(wǎng)卡后，就可以去做別的了，由網(wǎng)卡的處理器復(fù)雜將IP數(shù)據(jù)報處理，并將信號轉(zhuǎn)為電信號發(fā)送出去，以及接收在網(wǎng)絡(luò)上傳輸過來的分組，然后通過中斷通知計算機的CPU來把數(shù)據(jù)讀走。

如果只是通過IP地址轉(zhuǎn)發(fā)分組，那么如果中間需要很多路由器來轉(zhuǎn)發(fā)，如何去識別我該將分組轉(zhuǎn)發(fā)給哪個路由器呢？所以提出了物理地址作為設(shè)備的地址唯一標識，即MAC地址，每個網(wǎng)卡具有唯一MAC地址，這樣根據(jù)MAC地址就可以找到如何轉(zhuǎn)發(fā)了。MAC地址是一個48位的二進制數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)接口板又稱為通信適配器(adapter)或網(wǎng)絡(luò)接口卡NIC(Network Interface Card),或“網(wǎng)卡”

進行串行/并行轉(zhuǎn)換；

對數(shù)據(jù)進行緩存；

在計算機的操作系統(tǒng)安裝設(shè)備驅(qū)動程序；

實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議

單片機 網(wǎng)絡(luò)

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