兩種截然不同類型的鏈路層信道

• 廣播信道：這種信道用于連接有線局域網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)和混合光纖同軸電纜接入網(wǎng)中的多臺主機。
• 點對點通信鏈路：這在諸如長距離鏈路連接的兩臺路由器之間，或用戶辦公室計算機與它們所連接的鄰近以太網(wǎng)交換機之間等場合經(jīng)常能夠發(fā)現(xiàn)。

6.1 鏈路層概述

一些有用的術(shù)語：

• 節(jié)點：運行鏈路層協(xié)議(即第2層)協(xié)議的任何設(shè)備
• 鏈路：沿著通信路徑連接相鄰節(jié)點的通信信道
• 在通過特定的鏈路時，傳輸節(jié)點將數(shù)據(jù)報封裝在鏈路層幀中，并將該幀傳送到鏈路中

數(shù)據(jù)報（分組）在不同的鏈路上以不同的鏈路協(xié)議傳送：

• 第一跳鏈路：以太網(wǎng)
• 中間鏈路：幀中繼鏈路
• 最后一跳802.11

不同的鏈路協(xié)議提供不同的服務(wù)

傳輸類比：

去旅游社從上海到廣州旅游，可分為以下幾步

1. 坐汽車到上海機場
2. 從上海坐飛機到南京
3. 從南京坐高鐵到廣州

其中人可以比作數(shù)據(jù)報，每個交通段可以比作一條通信鏈路，每個交通模式可以看成一個鏈路層協(xié)議，然后具體的路徑是由路由選擇算法算出來的

6.1.1 鏈路層提供的服務(wù)

任一鏈路層的基本服務(wù)都是將數(shù)據(jù)報通過單一通信鏈路從一個節(jié)點移動到相鄰節(jié)點，鏈路層協(xié)議能夠提供的可能服務(wù)包括：

• 成幀：
  • 將數(shù)據(jù)報封裝在幀中，加上幀頭、幀尾部
• 鏈路接入：媒體訪問控制（MAC）協(xié)議規(guī)定了幀在鏈路上傳輸?shù)囊?guī)則。
  • 如果采用的是共享性介質(zhì)，信道接入獲得信道訪問權(quán)
  • 在幀頭部使用“MAC”（物理）地址來標(biāo)示源和目的
• 可靠交付：
  • 在低差錯鏈路上很少使用 (光纖,一些雙絞線)
    • 出錯率低，沒有必要在每一個幀中做差錯控制的工作，協(xié)議復(fù)雜
    • 在本層放棄可靠控制的工作，在網(wǎng)絡(luò)層或者是傳輸層做可靠控制的工作，或者根本就不做可靠控制的工作
  • 在高差錯鏈路上需要進行可靠的數(shù)據(jù)傳送（無線鏈路）
    • 出錯率高，如果在鏈路層不做差錯控制工作，漏出去的錯誤比較高；到了上層如果需要可靠控制的數(shù)據(jù)傳輸代價會很大
• 差錯檢測：
  • 差錯由信號衰減和噪聲引起
  • 接收方檢測出的錯誤: 通知發(fā)送端進行重傳或丟棄幀
• 差錯糾正:
  • 接收端檢查和糾正bit錯誤，不通過重傳來糾正錯誤
• 流量控制：
  • 使得相鄰的發(fā)送和接收方節(jié)點的速度匹配
• 半雙工和全雙工:
  • 半雙工：鏈路可以雙向傳輸，但一次只有一個方向

6.1.2 鏈路層在何處實現(xiàn)

鏈路層的主體部分是在網(wǎng)絡(luò)適配器中實現(xiàn)的，網(wǎng)絡(luò)適配器有時也稱為網(wǎng)絡(luò)接口卡

位于網(wǎng)絡(luò)適配器核心的是鏈路層控制器，該控制器通常是一個實現(xiàn)了許多鏈路層服務(wù)（成 幀、鏈路接入、差錯檢測等）的專用芯片

鏈路層是硬件和軟件的結(jié)合體，即此處是協(xié)議棧中軟件與硬件交接的地方

適配器通信:

發(fā)送方:

• 在幀中封裝數(shù)據(jù)報
• 加上差錯控制編碼，實現(xiàn)RDT和流量控制功能等

接收方:

• 檢查有無出錯，執(zhí)行rdt和流量控制功能等
• 解封裝數(shù)據(jù)報，將至交給上層

6.2 差錯檢測和糾正技術(shù)

比特級差錯檢測和糾正：對從一個節(jié)點發(fā)送到另一個物理上連接的鄰近節(jié)點的鏈路層幀中的比特損傷進行檢測和糾正，它們通常是鏈路層提供的兩種服務(wù)

• EDC=差錯檢測和糾正位（冗余位）
• D=數(shù)據(jù)由差錯檢測保護，可以包含頭部字段

發(fā)送節(jié)點：使用差錯檢測和糾正比特(EDC)來增強數(shù)據(jù)D。

接收方：只收到D’和EDC’的情況下，確定D’是否和初始的D相同

但錯誤檢測不是100%可靠的

• 協(xié)議會漏檢一些錯誤，但是很少
• 更長的EDC字段可以得到更好的檢測和糾正效果

6.2.1 奇偶校驗

1.單bit奇偶校驗：檢測單個bit級錯誤

要發(fā)送的信息有d比特

• 偶校驗方案：選擇校驗比特的值，使得這d+1比特（初始信息加上一個校驗比特）中1的總數(shù)是偶數(shù)，是偶數(shù)則校驗位為0
• 奇校驗方案：選擇校驗比特的值，使得這d+1比特（初始信息加上一個校驗比特）中1的總數(shù)是奇數(shù)

接收方：方只需要數(shù)一數(shù)接收的d+1比特中1的數(shù)目即可

2.二維奇偶校驗： 檢測和糾正單個bit錯誤

D中的d個比特被劃分為i行j列。對每行和每列計算奇偶值。產(chǎn)生的i+j+1奇偶比特構(gòu)成了鏈路層幀的差錯檢測比特

如果出現(xiàn)了單個比特差錯，改變的列和行的校驗值都將會岀現(xiàn)差錯。因此可以索引錯誤位置并糾正錯誤

例：

其中位于（2, 2）的值為1的比特損壞了，變成了0，該差錯就是一個在接收方可檢測并可糾正的差錯

但是如果是鄰近的一個正方形的四個比特位都發(fā)生錯誤，最后檢驗的結(jié)果仍然是正確的，這種隊友錯誤就檢驗不出來

接收方檢測和糾正差錯的能力被稱為前向糾錯

• 減少所需的發(fā)送方重發(fā)的次數(shù)
• 允許在接收方立即糾正差錯
• 避免了不得不等待的往返時延

6.2.2 檢驗和方法

檢驗和：檢測在傳輸報文段時的錯誤（如位翻轉(zhuǎn)），（注：僅僅用在傳輸層）

• 發(fā)送方：
  • 將報文段看成16-bit整數(shù)
  • 報文段的校驗和: 求和 (1的補碼和)
  • 發(fā)送方將checksum的值放在‘UDP校驗和’字段
• 接收方:
  • 計算接收到的報文段的校驗和
  • 檢查是否與攜帶校驗和字段值一致:
    • 不一致：檢出錯誤
    • 一致：沒有檢出錯誤，但可能還是有錯誤

有更簡單的檢查方法：全部加起來看是不是1

6.2.3 循環(huán)冗余檢測

準備知識：

1.模二運算

加法不進位，減法不借位，加法和減法是相同的，而且這兩種操作等價于操作數(shù)的按位異或（XOR），例如

2.位串的兩種表示

位串表示：1011

多項式表示：$1?x^3+0?x^2+1?x^1+1?x^0$

3.生成多項式

假設(shè)約定生成r次方的多項式，則總共有r+1比特

比如G=x³+1

其表示的位串就是1001，總共4比特

CRC（循環(huán)冗余校驗）：

• 發(fā)送方和接收方首先必須協(xié)商r位CRC附加位R
• <D,R> 正好被G整除 (modulo 2)
• 接收方知道 G, 將 <D,R>除以 G。如果非0余數(shù): 檢查出錯誤
• 能檢出所有少于r+1位的突發(fā)錯誤

對于書上的例子，可以這么理解：

d比特是數(shù)據(jù)D，加入了r比特的附加位R，說明數(shù)據(jù)D的全部比特在原來的基礎(chǔ)上全部向右移了r位，根據(jù)算法得原數(shù)據(jù)D變成了D*2^r。然后再加上冗余位R，可以直接用XOR異或來表示加法，所以發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)公式表示為：
$$D?2^{r}XORR$$
關(guān)鍵問題是如何計算R，首先要求R使得對于n有:
$$D?2^{r}XORR=nG$$
也就是要選擇R使得G能夠除以D·2^r XOR R而沒有余數(shù)，對上面式子兩邊異或R，得：
$$D?2^r=nGXORR$$
用G來除D·2^r，余數(shù)值剛好是R。換句話說，我們可以這樣計算R:
$$R=remainder\frac{D?2^r}{G}$$
例：

對于書上的例子，D=101110, d=6, G=1001和r=3

發(fā)送方首先將D右移r=3位，即

然后再除以G，使用模二運算：

算出來的R為011，發(fā)送方就發(fā)送D·2^r+R即101110011，接收方要除以G，看看能否被整除

CRC性能分析：

• 能夠檢查出所有的1bit錯誤
• 能夠檢查出所有的雙bits的錯誤
• 能夠檢查出所有長度 =r或者<r 位的錯誤
• 出現(xiàn)長度為r+1的突發(fā)錯誤，檢查不出的概率是1/2^r-1
• 出現(xiàn)長度大于r+1的突發(fā)錯誤，檢查不出的概率1/2^r

6.3 多路訪問鏈路和協(xié)議

兩種類型的鏈路（一個子網(wǎng)內(nèi)部鏈路連接形式）:

• 點對點
  • 撥號訪問的PPP
  • 以太網(wǎng)交換機和主機之間的點對點鏈路
• 廣播 (共享線路或媒體)
  • 傳統(tǒng)以太網(wǎng)
  • HFC上行鏈路
  • 802.11無線局域網(wǎng)

多路訪問問題：如何協(xié)調(diào)多個發(fā)送和接收節(jié)點對一個共享廣播信道的訪問

**多路訪問協(xié)議：**節(jié)點通過這些協(xié)議來規(guī)范它們在共享的廣播信道上的傳輸行為

所有的節(jié)點都能夠傳輸幀，所以多個節(jié)點可能會同時傳輸幀。所有節(jié)點同時接到多個幀，傳輸?shù)膸谒械慕邮辗教?strong>碰撞

理想的多路訪問協(xié)議：

給定：R bps的廣播信道

特性：

• 當(dāng)一個節(jié)點要發(fā)送時，該節(jié)點具有R bps的吞吐量
• 當(dāng)M個節(jié)點要發(fā)送，每個可以以R/M的平均速率發(fā)送
• 協(xié)議是分散的；這就是說不會因某主節(jié)點故障而使整個系統(tǒng)崩潰
• 協(xié)議是簡單的

3類多路協(xié)議：

• 信道劃分

  • 把信道劃分成小片（時間、頻率、編碼）
  • 分配片給每個節(jié)點專用

• 隨機訪問

  • 信道不劃分，允許沖突
  • 沖突后恢復(fù)

• 依次輪流

  • 節(jié)點依次輪流

  • 但是有很多數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點可以獲得較長的信道使用權(quán)

6.3.1 信道劃分協(xié)議

1.時分多路復(fù)用（TDM）

假設(shè)一個支持N個節(jié)點的信道且信道的傳輸速率為R bps。TDM將時間劃分為時間幀，并進一步劃分每個時間幀為N個時隙。把每個時隙分配給N個節(jié)點中的一個，在循環(huán)的TDM幀中指派給它的時隙內(nèi)傳輸分組比特。每個節(jié)點在每個幀時間內(nèi)得到了專用的傳輸速率R/N bps

例：一個簡單的4個節(jié)點的TDM例子。

缺點：

• 節(jié)點被限制于R/N bps的平均速率，即使當(dāng)它是唯一有分組要發(fā)送的節(jié)點時
• 節(jié)點必須總是等待它在傳輸序列中的輪次

2.頻分多路復(fù)用（FDM）

將R bps信道劃分為不同的頻段（每個頻段具有R/N帶寬），并把每個頻率分配給N個節(jié)點中的一個。FDM在單個較大的R bps信道中創(chuàng)建了N個較小的R/N bps信道

優(yōu)點：避免了碰撞，在N個節(jié)點之間公平地劃分了帶寬

缺點：限制一個節(jié)點只能使用R/N的帶寬，即使當(dāng)它是唯一一個有分組要發(fā)送的節(jié)點時

3.碼分多路訪問（CDMA）

CDMA對每個節(jié)點分配一種不同的編碼。然后每個節(jié)點用它唯一的編碼來對它發(fā)送的數(shù)據(jù)進行編碼。

不同的節(jié)點能夠同時傳輸，并且它們各自相應(yīng)的接收方仍能正確接收發(fā)送方編碼的數(shù)據(jù)比特。

3種方法的類比：

• TDM:不同的人在不同的時刻講話
• FDM:不同的組在不同的小房間里通信
• CDMA:不同的人使用不同的語言講話

6.3.2 隨機接入?yún)f(xié)議

在隨機接入?yún)f(xié)議中，一個傳輸節(jié)點總是以信道的全部速率（即R bps）進行發(fā)送

當(dāng)有碰撞時，涉及碰撞的每個節(jié)點反復(fù)地重發(fā)它的幀（也就是分組），到該幀無碰撞地通過為止

當(dāng)一個節(jié)點經(jīng)歷一次碰撞時，它在重發(fā)該幀之前等待一個隨機時延。因為每個碰撞的節(jié)點是獨立地選擇隨機時延，所以可能有些節(jié)點之一所選擇的時延充分小于其他碰撞節(jié)點的時延，并因此能夠無碰撞地將它的幀在信道中發(fā)出

1.時隙 ALOHA

假設(shè)：

• 所有幀是等長的
• 時間被劃分成相等的時隙L/R，每個時隙可發(fā)送一幀
• 節(jié)點只在時隙開始時發(fā)送幀
• 節(jié)點在時鐘上是同步的
• 如果兩個或多個節(jié)點在一個時隙傳輸，所有的站點都能檢測到?jīng)_突

運行:令p是一個概率

• 當(dāng)節(jié)點獲取新的幀，在下一個時隙傳輸
• 傳輸時沒有檢測到?jīng)_突，成功傳輸（節(jié)點能夠在下一時隙發(fā)送新幀）
• 檢測時如果檢測到?jīng)_突，失敗（節(jié)點在每一個隨后的時隙以概率p重傳幀直到成功）

優(yōu)點：

• 節(jié)點可以以信道帶寬全速連續(xù)傳輸
• 高度分布：僅需要節(jié)點之間在時隙上的同步
• 簡單

缺點：

• 存在沖突，浪費時隙
• 即使有幀要發(fā)送，仍然有可能存在空閑的時隙
• 如果節(jié)點檢測沖突的時間<幀傳輸?shù)臅r間，必須傳完
• 需要時鐘上同步

**效率：**當(dāng)有大量的活躍節(jié)點且每個節(jié)點總有大量的幀要發(fā)送時，長期運行中成功時隙的份額

例：

• 假設(shè)N個節(jié)點，每個節(jié)點都有很多幀要發(fā)送， 在每個時隙中的傳輸概率是p
• 一個節(jié)點成功傳輸概率是p(1-p)^N-1
• 任何一個節(jié)點的成功概率是= Np(1-p)^N-1

N個節(jié)點的最大效率：

• 求出使f§=Np(1-p)^N-1最大的p*
• N為無窮大時的極限為1/e=0.37（求導(dǎo)取極限）

最好情況：信道利用率37%

2.ALOHA

是非時隙、完全分散的協(xié)議。無須節(jié)點間在時間上同步。

當(dāng)有幀需要傳輸：馬上傳輸

沖突的概率增加：

• 幀在t0發(fā)送，和其它在[t0-1, t0+1]區(qū)間內(nèi)開始發(fā)送的幀沖突
• 和當(dāng)前幀沖突的區(qū)間（其他幀在此區(qū)間開始傳輸）增大了一倍

純ALOHA的效率：

P(指定節(jié)點成功)=P(節(jié)點傳輸)·P(其它節(jié)點在[t0-1,t0]不傳)·P(其它節(jié)點在[t0,t0 +1不傳] = p·(1-p)^N-1·(1-p)^N-1=p·(1-p)^2(N-1)

N趨向無窮大，p=1/(2e)=17.5%

3.載波偵聽多路訪問(CSMA)

規(guī)則：

• 載波偵聽：一個節(jié)點在傳輸前先聽信道。如果偵聽到信道空閑，傳送整個幀
• 碰撞檢測：當(dāng)一個傳輸節(jié)點在傳輸時一直在偵聽此信道。如果偵聽到信道忙，推遲傳送

人類類比：不要打斷別人正在進行的說話!

沖突仍然可能發(fā)生:由傳播延遲造成：兩個節(jié)點可能偵聽不到正在進行的傳輸

• 在時刻t0,節(jié)點B偵聽到信道是空閑的，開始向兩側(cè)傳播
• 時刻t1，由于B沒有到達D，因此D開始傳播
• 一段時間后B,D沖突，B的傳輸開始在D干擾D的傳輸

整個沖突幀的傳輸時間都被浪費了，是無效的傳輸(紅黃區(qū)域)

注意：傳播延遲（距離）決定了沖突的概率

4.具有碰撞檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）

與CSMA不同之處：當(dāng)某節(jié)點執(zhí)行碰撞檢測時，一旦它檢測到碰撞將立即停止傳輸

在多路訪問協(xié)議中加入碰撞檢測，通過不傳輸一個無用的、損壞的幀，將有助于改善協(xié)議的性能

對信道的浪費減少了

以太網(wǎng)CSMA/CD算法：

1. 適配器從網(wǎng)絡(luò)層獲取數(shù)據(jù)報，創(chuàng)建幀，放入幀適配器緩存中
2. 發(fā)送前適配器偵聽信道，如果空閑開始傳送幀，如果忙碌則等到空閑再發(fā)送
3. 傳輸過程中檢測沖突
4. 沒有沖突則成功發(fā)送該幀。檢測到?jīng)_突則放棄，之后嘗試重發(fā)
5. 如果發(fā)送方適配器檢測到?jīng)_突，除放棄外，還發(fā)送一個Jam信號，所有聽到?jīng)_突的適配 器也是如此，即讓所有站點都知道沖突
6. 如果放棄，適配器進入指數(shù)退避狀態(tài)。在第m次失敗后，適配器隨機選擇一個{0，1，2，n，2^n-1}中選擇一個K值，等待K·512比特時間，然后轉(zhuǎn)到步驟2 ，即二進制指數(shù)后 退算法

指數(shù)退避:

目標(biāo)：適配器試圖適應(yīng)當(dāng)前負載，在一個變化的碰撞窗口中隨機選擇時間點嘗試重發(fā)

• 首次碰撞：在{0，1}選擇K；延遲K*512比特時間
• 第2次碰撞：在{0，1，2，3}選擇K
• 第10次碰撞：在{0，1，2，3，……，1023}選擇K

5.CSMA/CD 效率

定義：當(dāng)有大量的活躍節(jié)點, 且每個節(jié)點有大量的幀要發(fā)送時，幀在信道中無碰撞地傳輸?shù)哪遣糠謺r間在長期運行時間中所占的份額

• 令d_drop表示信號能量在任意兩個適配器之間傳播所需的最大時間。
• 令d_trans表示傳輸一個最大長度的以太網(wǎng)幀的時間

近似式為：
$$效率=\frac{1}{1+5d_{drop}/d_{trans}}$$

• 當(dāng)d_drop接近0時，效率接近1。即傳播時延是0,碰撞的節(jié)點將立即中止而不會浪費信道
• d_trans變得很大時，效率也 接近于1。因為當(dāng)一個幀取得了信道時，它將占有信道很長時間；因此信道在大多數(shù)時間都會有效地工作

CSMA/CD比ALOHA有更好的性能，而且簡單，廉價，分布式

6.3.3 輪流協(xié)議

輪流協(xié)議：

• 輪詢協(xié)議：
  • 節(jié)點之一要被指定為主節(jié)點
  • 主節(jié)點以循環(huán)的方式輪詢每個節(jié)點
  • 先向節(jié)點1發(fā)送一個報文，告訴它（節(jié)點1）能夠傳輸?shù)膸淖疃鄶?shù)量
  • 在節(jié)點1傳輸了某些幀后，主節(jié)點告訴節(jié)點2它（節(jié)點2）能夠傳輸?shù)膸淖疃鄶?shù)量

優(yōu)點：消除了困擾隨機接入?yún)f(xié)議的碰撞和空時隙

缺點：該協(xié)議引入了輪詢時延。如果主節(jié)點有故障，整個信道都變得不可操作

• 令牌傳遞協(xié)議
  • 一個稱為令牌的小的特殊幀在節(jié)點之間以某種固定的次序進行交換
  • 當(dāng)一個節(jié)點收到令牌時，僅當(dāng)它有一些幀要發(fā)送時，它才持有這個令牌
  • 否則，它立即向下一個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該令牌

優(yōu)點：令牌傳遞是分散的，并有很高的效率

缺點：一個節(jié)點的故障可能會使整個信道崩潰。如果一個節(jié)點偶然忘記了釋放令牌，則必須調(diào)用某些恢復(fù)步驟使令牌返回到循環(huán)中來

小結(jié)：

多點接入問題：對于一個共享型介質(zhì)，各個節(jié)點如何協(xié)調(diào)對它的訪問和使用?

• 信道劃分：按時間、頻率或者編碼
  • TDMA、FDMA、CDMA
• 隨機訪問 (動態(tài))
  • ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD
  • 載波偵聽: 在有些介質(zhì)上很容易 (wire：有線介質(zhì)), 但在有些介質(zhì)上比較困難 (wireless：無線)
  • CSMA/CD ：802.3 Ethernet網(wǎng)中使用
  • CSMA/CA ：802.11WLAN中使用
• 依次輪流協(xié)議
  • 集中：由一個中心節(jié)點輪詢；分布：通過令牌控制
  • 藍牙、FDDI、令牌環(huán)

6.3.4 DOCSIS：用于電纜因特網(wǎng)接入的鏈路層協(xié)議

數(shù)據(jù)經(jīng)電纜服務(wù)接口規(guī)范（DOCSIS）定義了電纜數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及其協(xié)議

• 多個40Mbps 下行(廣播)信道,FDM
  • 下行：通過FDM分成若干信道，互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字電視等
  • 互聯(lián)網(wǎng)信道：只有1個CMTS在其上傳輸
• 多個30Mbps 上行的信道,FDM
  • 多路訪問：所有用戶使用；接著TDM分成微時隙
  • 部分時隙：分配；部分時隙：競爭；

• 采用FDM進行信道的劃分：若干上行、下行信道
• 下行信道:
  • 在下行MAP幀中：CMTS告訴各節(jié)點微時隙分配方案，分配給各站點的上行微時隙
  • 另外：頭端傳輸下行數(shù)據(jù)（給各個用戶）
• TDM上行信道：
  • 采用TDM的方式將上行信道分成若干微時隙：MAP指定
  • 站點采用分配給它的微時隙上行數(shù)據(jù)傳輸：分配
  • 在特殊的上行微時隙中，各站點請求上行**微時隙：**競爭
    • 各站點對于該時隙的使用是隨機訪問的
    • 一旦碰撞（請求不成功，結(jié)果是：在下行的MAP中沒有為它分配，則二進制退避）選擇時隙上傳輸

6.4 交換局域網(wǎng)

6.4.1 鏈路層尋址和ARP

1.MAC地址

并不是主機或路由器具有鏈路層地址，而是它們的適配器（即網(wǎng)絡(luò)接口）具有鏈路層地址

鏈路層地址有各種不同的稱呼:LAN地址、物理地址或MAC地址

• MAC地址長度為6字節(jié)，共有2⁴⁸個可能的MAC地址，地址的每個字節(jié)被表示為一對十六進制數(shù)

• 沒有兩塊適配器具有相同的地址

• 適配器的MAC地址具有扁平結(jié)構(gòu)，而且不論適配器到哪里用都不會變化

當(dāng)某適配器要向某些目的適配器發(fā)送一個幀時，發(fā)送適配器將目的適配器的MAC地址插入到該幀中，并將該幀發(fā)送到局域網(wǎng)上

• 當(dāng)適配器接收到一個幀時，將檢查該幀中的目的MAC地址是否與它自己的MAC地址匹配
• 如果匹配，該適配器提取出封裝的數(shù)據(jù)報，并將該數(shù)據(jù)報沿協(xié)議棧向上傳遞
• 如果不匹配，該適配器丟棄該幀，而不會向上傳遞該網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報

有時某發(fā)送適配器的確要讓局域網(wǎng)上所有其他適配器來接收并處理它打算發(fā)送的幀。發(fā)送適配器在該幀的目的地址字段中插入一個特殊的MAC廣播地址：是48個連續(xù)的1組成的字符串（即以十六進制表示法表示的FF- FF- FF- FF- FF - FF)

IP地址和MAC地址的作用不同

• IP地址是分層的
• 一個子網(wǎng)所有站點網(wǎng)絡(luò)號一致，路由聚集，減少路由表
  • 需要一個網(wǎng)絡(luò)中的站點地址網(wǎng)絡(luò)號一致，如果捆綁需要定制網(wǎng)卡非常麻煩
• 希望網(wǎng)絡(luò)層地址是配置的；IP地址完成網(wǎng)絡(luò)到網(wǎng)絡(luò)的交付
• mac地址是一個平面的
  • 網(wǎng)卡在生產(chǎn)時不知道被用于哪個網(wǎng)絡(luò)，因此給網(wǎng)卡一個唯一的標(biāo)示，用于區(qū)分一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部不同的網(wǎng)卡即可
  • 可以完成一個物理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的節(jié)點到節(jié)點的數(shù)據(jù)交付

網(wǎng)絡(luò)地址和mac地址分離

• 分離好處

  • 網(wǎng)卡壞了，ip不變，可以捆綁到另外一個網(wǎng)卡的mac上
  • 物理網(wǎng)絡(luò)還可以除IP之外支持其他網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議， 鏈路協(xié)議為任意上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議， 如IPX等

• 捆綁的問題

  • 如果僅僅使用IP地址，不用mac地址，那么它僅支持IP協(xié)議
  • 每次上電都要重新寫入網(wǎng)卡IP地址；
  • 另外一個選擇就是不使用任何地址；不用MAC地址，則每到來一個幀都要上傳到IP層次，由它判斷是不是需要接受，干擾一次

2.地址解析協(xié)議

地址解析協(xié)議（ARP)：轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)層地址（例如，因特網(wǎng)的IP地址）和鏈路層地址（即MAC地址）

問題是：已知B的IP地址，如何確定B的MAC地址?

• 每臺主機或路由器在其內(nèi)存中具有一個ARP表，包含IP地址到MAC地址的映射關(guān)系
• TTL時間是指地址映射失效的時間
• 典型是20min

如果ARP表中當(dāng)前沒有該目的主機的表項，又該怎么辦

• A廣播包含B的IP地址的ARP查詢包
• B接收到ARP包，回復(fù)A自己的MAC地址
  • 幀發(fā)送給A
  • 用A的MAC地址（單播）
• A在自己的ARP表中，緩存IP-to-MAC地址映射關(guān)系 ，直到信息超時
• 發(fā)送A的IP數(shù)據(jù)報，該幀的目的MAC就是B的MAC地址

把ARP看成是跨越鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層邊界兩邊的協(xié)議

3.發(fā)送數(shù)據(jù)報到子網(wǎng)以外

發(fā)送數(shù)據(jù)報：由A通過R到B，假設(shè)A知道B的IP地址

• 在R上有兩個ARP表，分別對應(yīng)兩個子網(wǎng)
• 在源主機的路由表中，發(fā)現(xiàn)到目標(biāo)主機的下一跳時111.111.111.110
• 在源主機的ARP表中，發(fā)現(xiàn)其MAC地址是E6-E9-00-17-BB-4B

編址：

• A創(chuàng)建數(shù)據(jù)報，源IP地址：A；目標(biāo)IP地址：B
• A創(chuàng)建一個鏈路層的幀，目標(biāo)MAC地址是R，該幀包含A到B的IP數(shù)據(jù)報
• 幀從A發(fā)送到R，幀被R接收到，從中提取出IP分組，交給上層IP協(xié)議實體
• R轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報，數(shù)據(jù)報源IP地址為A，目標(biāo)IP地址為B
• R創(chuàng)建一個鏈路層的幀，目標(biāo)MAC地址為B，幀中包含A到B的IP數(shù)據(jù)報

6.4.2 以太網(wǎng)

1.以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

• 數(shù)據(jù)字段（46 ~ 1500字節(jié)）：這個字段承載了IP數(shù)據(jù)報。以太網(wǎng)的最大傳輸單元 （MTU）是1500字節(jié)
  • 如果IP數(shù)據(jù)報超過了1500字節(jié)，數(shù)據(jù)報分片
  • 如果IP數(shù)據(jù)報小于46字節(jié)，填充到46字節(jié)
• 目的地址（6字節(jié)）：這個字段包含目的適配器的MAC地址
• 源地址（6字節(jié)）：包含了傳輸該幀到局域網(wǎng)上的適配器的MAC地址
• 類型字段（2字節(jié)）：類型字段允許以太網(wǎng)復(fù)用多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議
• CRC （4字節(jié)）：使得接收適配器檢測幀中是否引入了差錯
• 前同步碼（8字節(jié)）：以太網(wǎng)幀以一個8字節(jié)的前同步碼字段開始。
  • 前7字節(jié)的值都是1010101，用于“喚醒”接收適配器，并且將它們的時鐘和發(fā)送方的時鐘同步
  • 最后一個字節(jié)是10101011，的最后兩個比特（第一個出現(xiàn)的兩個連續(xù)的1）警告接收適配器, “重要的內(nèi)容”就要到來了

以太網(wǎng)：無連接、不可靠的服務(wù)

• 無連接：幀傳輸前，發(fā)送方和接收方之間沒有握手
• 不可靠：接收方適配器不發(fā)送ACKs或NAKs給發(fā)送方
  • 遞交給網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)報流可能有間隙

2.以太網(wǎng)技術(shù)

很多不同的以太網(wǎng)標(biāo)準

• 相同的MAC協(xié)議（介質(zhì)訪問控制）和幀結(jié)構(gòu)
• 不同的速率：2 Mbps、10 Mbps 、100 Mbps 、1Gbps 、10G bps
• 不同的物理層標(biāo)準
• 不同的物理層媒介：光纖，同軸電纜和雙絞線

6.4.3 鏈路層交換機

交換機的任務(wù)是接收入鏈路層幀并將它們轉(zhuǎn)發(fā)到出鏈路

到交換機自身對子網(wǎng)中的主機和路由器是透明的

**1.交換機轉(zhuǎn)發(fā)和過濾 **

過濾：決定一個幀應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)到某個接口還是應(yīng)當(dāng)將其丟棄的交換機功能

轉(zhuǎn)發(fā)：決定一個幀應(yīng)該被導(dǎo)向哪個接口，并把該幀移動到那些接口的交換機功能

交換機的過濾和轉(zhuǎn)發(fā)借助于交換機表完成，表項包含

• 一個MAC地址
• 通向該MAC地址的交換機接口
• 表項放置在表中的時間

過濾和轉(zhuǎn)發(fā)工作過程：

假定目的地址為DD-DD-DD-DD-DD-DD的幀從交換機接口x到達，索引表可能的情況如下：

• 表中沒有對于DD-DD-DD-DD-DD-DD的表項。交換機廣播該幀
• 表中有一個表項將DD-DD-DD-DD-DD-DD與接口x聯(lián)系起來。無須將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到任何其他接口，交換機通過丟棄該幀執(zhí)行過濾功能即可
• 表中有一個表項將DD-DD-DD-DD-DD-DD與接口y≠x聯(lián)系起來。交換機通過將該幀放到接口y前面的輸出緩存完成轉(zhuǎn)發(fā)功能

假設(shè)一個幀從接口1到達交換機。交換機檢查它的表并且發(fā)現(xiàn)其目的地是在與接口1相連的局域網(wǎng)網(wǎng)段上網(wǎng)。這意味著該幀已經(jīng)在包含目的地的局域網(wǎng)網(wǎng)段廣播過了。因此該交換機過濾（即丟棄）了該幀。現(xiàn)在假設(shè)有同樣目的地址的幀從接口2到達。交換機再次檢查它的表并且發(fā)現(xiàn)其目的地址在接口1的方向上；因此它向接口1前面的輸出緩存轉(zhuǎn)發(fā)該幀

2.自學(xué)習(xí)

交換機的表是自動、動態(tài)和自治地建立的，即沒有來自網(wǎng)絡(luò)管理員或來自配置協(xié)議的任何干預(yù)，即自學(xué)習(xí)的，通過以下方式實現(xiàn)：

1. 交換機表初始為空
2. 對于在每個接口接收到的每個入幀，該交換機在其表中存儲：1）在該幀源地址字段中的MAC地址。2）該幀到達的接口。3）當(dāng)前時間。記錄了發(fā)送節(jié)點所在的局域網(wǎng)網(wǎng)段
3. 如果在一段時間（稱為老化期）后，交換機沒有接收到以該地址作為源地址的幀，就在表中刪除這個地址

交換機是即插即用設(shè)備, 因為它們不需要網(wǎng)絡(luò)管理員或用戶的干預(yù)

3.鏈路層交換機的性質(zhì)

• 消除碰撞：在使用交換機（不使用集線器）構(gòu)建的局域網(wǎng)中，沒有因碰撞而浪費的帶寬
• 異質(zhì)的鏈路：交換機將鏈路彼此隔離，因此局域網(wǎng)中的不同鏈路能夠以不同的速率運行并且能夠在不同的媒體上運行
• 管理：除了提供強化的安全，交換機也易于進行網(wǎng)絡(luò)管理

4.交換機和路由器比較

• 都是存儲轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，但層次不同
  • 交換機：鏈路層設(shè)備（檢查鏈路層頭部）
  • 路由器：網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備（檢查網(wǎng)絡(luò)層的頭部）
• 都有轉(zhuǎn)發(fā)表：
  • 交換機：維護交換表，按照MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)
    • 執(zhí)行過濾、自學(xué)習(xí)和生成樹算法
    • 即插即用；二層設(shè)備，速率高
    • 執(zhí)行生成樹算法，限制廣播幀的轉(zhuǎn)發(fā)
    • ARP表項隨著站點數(shù)量增多而增多
  • 路由器：維護路由表，執(zhí)行路由算法
    • 路由算法能夠避免環(huán)路，無需執(zhí)行生成樹算法，可以以各種拓撲構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)
    • 對廣播分組做限制
    • 不是即插即用的，配置網(wǎng)絡(luò)地址（子網(wǎng)前綴）
    • 三層設(shè)備，速率低

6.4.4 虛擬局域網(wǎng)

現(xiàn)代機構(gòu)的局域網(wǎng)常常是配置為等級結(jié)構(gòu)的,每個工作組（部門）有自己的交換局域網(wǎng)，經(jīng)過一個交換機等級結(jié)構(gòu)與其他工作組的交換局域網(wǎng)互聯(lián)，但有以下缺點：

• 缺乏流量隔離
• 交換機的無效使用
• 管理用戶

支持虛擬局域網(wǎng)VLAN的交換機允許經(jīng)一個單一的物理局域網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施定義多個虛擬局域網(wǎng)

在一個VLAN內(nèi)的主機彼此通信，仿佛它們（并且沒有其他主機）與交換機連接

基于端口的VLAN：

• 交換機的端口（接口）由網(wǎng)絡(luò)管理員劃分為組
• 每個組構(gòu)成一個VLAN,在每個VLAN中的端口形成一個廣播域

物理上一個交換機，虛擬成多個局域網(wǎng)

端口 2 ~8屬于電氣工程系（EE） VLAN,而端口 9 ~ 15屬于計算機科學(xué)系（CS）VLAN （端口1和16未分配）。交換機端口8的用戶加入計算機科學(xué)系時，網(wǎng)絡(luò)操作員只需重新配置VLAN軟件,使得端口8與CS VLAN相關(guān)聯(lián)即可

來自電子工程系的流量怎樣才能發(fā)送到計算機科學(xué)系呢？

• 將VLAN交換機的一個端口（如上圖端口1）與一臺外部的路由器相連，并且將該端口配置為屬于EE VLAN和CS VLAN

連接具有兩個VLAN的兩臺VLAN交換機呢？

• 在每臺交換機上定義一個屬于CS VALN的端口（對EE VLAN也類似處理），并且如圖a所示將這兩個端口彼此互聯(lián)起來
• VLAN干線連接：如圖b中，每臺交換機上的一個特殊端口（左側(cè)交換機上的端口16, 右側(cè)交換機上的端口 1）被配置為干線端口，以互聯(lián)這兩臺VLAN交換機

一個交換機怎樣知道到達干線端口的幀屬于某個特定的VLAN呢？

一種擴展的以太網(wǎng)幀格式——802.1Q：

VLAN標(biāo)簽：文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-769964.html

• 2字節(jié)的標(biāo)簽協(xié)議標(biāo)識符（TPID）字段（具有固定的十六進制值81-00）
• 2字節(jié)的標(biāo)簽控制信息字段（包含一個12比特的VLAN標(biāo)識符字段）
• 3比特優(yōu)先權(quán)字段（具有類似于IP數(shù)據(jù)報TOS字段的目的）組成

到了這里，關(guān)于《計算機網(wǎng)絡(luò)：自頂向下方法》學(xué)習(xí)筆記——第六章：鏈路層的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！