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  • 链路层
    2022-02-12 14:41:28

    链路层提供的服务

    使用链路层协议,将IP数据报通过单一通信链路 从一个节点移动到相邻节点。服务包括

    1.成帧
    在网络层数据报经链路传送之前,都要将其用链路层帧封装起来。一个帧由数据字段和首部字段组成,而网络层数据报就插在数据字段中

    2.链路接入

    MAC协议规定了帧在链路上的传输规则。当有多点共享一条链路时,MAC用于协调这些节点的帧传输。

    3.可靠交付
    链路层的可靠交付服务主要提供在易于产生高差错率的链路上,例如无线链路。其目的是本地纠正一个差错,而不是迫使端到端的数据重传。许多有线的链路层协议不提供该服务

    4.差错检测与纠正
    通过奇偶校验,循环冗余校验,检验和等方法检测或纠正比特错误

    链路层在何处实现
    链路层是硬件和软件的结合体,主要由硬件实现。链路层的主体部分是在网卡中实现的,位于网卡核心的是一个链路层控制器,该控制器是一个实现了许多链路层服务的芯片。链路层是协议栈中软件与硬件交接的部分。

    链路层的差错检验与纠正技术

    奇偶校验
    在数据后补0或者1,使得数据中1的个数为奇数个或者偶数个。接收方通过查看1的个数是否符合发送方奇偶性来判断数据的准确性。
    现实中通常使用二维奇偶校验,将数据分为不同行,针对每一行每一列进行奇偶校验。

    检验和方法

    在报文的发送端,会根据报文中的首部或数据来计算一个检验和(IP报文的检验和只对首部进行计算,ICMP报文对报文首部和数据都进行计算),然后一旦接收端接受到相应报文,接收端也会对报文的首部或数据进行一次检验和计算,如果接收端算出来的检验和和发送端发送的不一样,那么对不起,接收端认为报文在传输过程中出了错,于是就丢掉该报文。

    循环冗余检测
    发送端与接收端约定一个r+1比特位的生成多项式,发送方在数据末尾附加r个冗余比特,若接收方接收的数据(带上冗余比特位)用模二算数可以被生成多项式整除,则数据位正确的

    多路访问协议

    网络链路有两种类型 :点对点链路以及广播链路。
    点对点链路由单一发送方和单一接收方组成。
    广播链路能让多个发送方和接收节点都连接到相同的、单一的、共享的广播信道上。之所以称之为广播,是因为当任何一个节点传输一个帧的时候,信道会广播该帧,每个节点都会收到一个副本。
    如何协调多个发送节点和接收节点对一个共享广播信道的访问,这就是多路访问问题。而解决这一问题的方式就是使用多路访问协议来规范节点在共享广播信道上的传输行为

    因为所有的节点都能传输帧,所以多个节点可能会同时传输帧,使得传输的帧发生碰撞。当碰撞发生时,没有一个节点可以成功接受到该帧

    多路访问协议总的来说可以分为三类
    信道划分协议,随机接入协议以及轮流协议

    信道划分协议

    顾名思义,该种协议对信道进行划分。那么划分的方式如何呢?
    时分多路复用(TDM)
    时分多路复用,将时间划分为时间帧,再将每个时间帧划分为多个时隙,时隙的长度应使一个时隙能够传输单个分组。每个节点只可在它对应的时隙传输。
    TDM的优点在于消除了碰撞且十分公平,假设信道总速率为R,共有N个节点共享该信道。则一个时间帧内每个节点都得到了R/N的传输速率
    TDM的缺点在于,首先,它限制了每个节点的传输速率只能说平均传输速率。其次,当只有一个节点需要传输数据时,节点必须等待它在传输序列中的轮次。
    频分多路复用(FDM)
    信道的划分依据由时间变为频段。将Rbps的信道划分为不同频段,每个频段具有R/N的带宽,并把每个频率分配给N个节点中的一个。它的优缺点与TDM类似
    码分多址(CDMA)
    CDMA对每个节点分配一种不同的编码,然后每个节点用它唯一的编码来对他发送的数据进行编码。这样不同的节点能够同时传输。

    随机接入协议

    一个传输节点总是以信道的全部速率进行发送。当有碰撞发生时,涉及碰撞的每个节点反复的重发分组,直到该分组无碰撞的通过为止。但是当一个节点经历了一次碰撞时,它不可立即重发,而是等待一个随机时延
    常见的随机接入协议有ALOHA协议和载波侦听多路访问协议

    时隙ALOHA
    时间被划分为多个时隙,一个时隙应当可以传输一帧。节点只在时隙起点开始传输数据,如果一个时隙有两个或多个帧碰撞,该节点以概率P在后序的每个时隙重传它的帧,直到帧被无碰撞的传出去。时隙ALOHA要求所有节点同步它们的传输,即在每个节点开始时开始传输。而第一个ALOHA协议实际上并没有划分时隙,而是立即广播,立即重传。当有大量活跃节点时,时隙ALOHA协议的最大效率为1/e,而非时隙为1/2e

    载波侦听多路访问和碰撞检测(CSMA)
    ALOHA协议的弊端在于,即使有碰撞的发生,也只会在下一次概率重传而不是停止传输。CSMA则在节点传输之前会先检测信道是否有能量。如果检测到信道正在被使用,则不传输。通俗来讲,就是说话之前先听有没有其他人在说。然而,这样依旧会造成碰撞,因为即使现在检测到信道口没有使用,可是一旦开始传输数据,其他传播过来的数据可能刚好到达,这样也会造成碰撞。所有,如果检测到两个节点同时开始传输,则应立即停止传输,在下次传输之前等待一个随机时间

    轮流协议

    多路访问协议的两个理想特性是:当只有一个节点活跃时,该活跃节点占用全部吞吐量。当有M个节点活跃时,每个活跃节点具有均分的吞吐量。ALOHA和CSMA协议仅具备第一个特性,但并不具备第二个特性。而轮流协议具备这两种特性

    轮询协议
    指定一个主节点,主节点不断轮询每个节点,向每个节点发送报文,告知该节点可以传输的帧的最多数量。比如,先向节点1发送报文,告诉它可以传输的最大数量,当节点1传输了某部分帧之后,向节点2发送报文,告知它可以传输的数量。
    轮询协议消除了碰撞和空时隙,但引入了轮询时延,即通知节点所需要的时间。并且如果主节点发生故障,则整个信道将会变得不可操作。

    令牌传递协议
    这种协议中没有主节点,而是以令牌的方式,比如节点1总是将令牌发给节点2,节点2总是给节点3,节点N总是给节点1。具有令牌的节点如果有帧需要发送,则它尽可能地将帧发送。否则立刻给下一个节点。它的缺点在于一个节点的故障容易引起整个信道的崩溃。

    链路层寻址
    主机和路由器的网卡具有链路层地址,具有多个网卡(即网络接口)的主机或路由器将具有与之关联的多个链路层地址,就像他也具有多个与之关联的网络地址一样。而交换机并不具有与它们接口相关联的链路层地址。链路层地址最为流行的称呼为MAC地址。MAC地址有6个字节,48个比特位,每个字节用十六进制表示。网卡的MAC地址被设置为永久的,不会随着位置的改变而发生变化。但用软件改变一块适配器的MAC地址现在是可能的。发送网卡将目的网卡的MAC地址插入到帧中,并将帧发送到局域网上。当其他网卡接收到一个帧时,会检查该帧中的目的MAC地址是否与自己的MAC地址匹配。如果匹配,就提取出数据报并沿协议栈向上传递。

    为什么有了网络层IP地址后还要独立出一个MAC地址呢?首先,网络协议栈应是相互独立的,如果链路层用IP地址的话,则网卡将不能很好的支持其他的网络层协议。其次,如果使用IP地址,每次网卡位置移动的时候还需要重新加电配置。最后,如果不使用MAC地址,而是让网卡将他收到的每个帧向上传递,则主机将被局域网上发送的每个帧中断。

    地址解析协议(ARP)
    当发送主机确定了目的主机的IP地址后,他还要向他的网卡提供目的主机的MAC地址。那么,发送主机如何得知目的主机的MAC地址呢?它使用ARP。在发送主机中的ARP模块将取在相同局域网的任何IP地址作为输入,然后返回其对应的MAC地址。他与DNS协议类似,不同之处在于DNS可以解析任何地方的主机名,而ARP只为同一局域网的IP地址提供解析服务。

    ARP表存在于每台主机或路由器的内存中。并且ARP是即插即用的,即无需手工配置。APR的表项存在一个过期时间,并且有可能并不完全覆盖子网的所有IP地址。当想要查询一个目的IP地址对应的MAC地址,但这一表项并不存在或者已经过期了,这时该怎么办呢?
    首先,发送主机会向ARP模块传递一个查询分组,并且指示网卡使用广播MAC地址(FF-FF-FF-FF-FF-FF)来发送这一分组。在这一局域网的每一块网卡都会收到该帧,并将其向上传递给ARP模块,ARP模块检查该帧的目的IP地址是否与自己的IP地址相同,相同的话就会发回一个带有所希望映射的响应ARP分组,然后发送主机会更新ARP表,并发送IP数据报。查询ARP报文是在广播帧,而响应ARP报文是在标准帧。
    ARP协议是一个位于链路层之上,网络层之下的边界协议。因为它既使用到了IP地址,也使用到了MAC地址。

    上面我们介绍了,ARP协议只用于局域网之内。那么,如何将数据发送到子网之外呢?其实很简单,只需将数据先发送到这一子网的边界路由器,边界路由器同时具有两边子网的接口,再由边界路由器发送到其他子网即可。

    以太网帧结构

    1.数据字段
    承载了网络层数据报,以太网最大传输单元(MTU)为1500字节
    2.目的地址
    目的适配器(网卡)的MAC地址
    3.源地址
    发送适配器(网卡 )的MAC地址
    4.类型字段
    用于区分网络层的不同协议(包括ARP协议)
    5.CRC
    用于循环冗余校验
    6.前同步码
    用于警告适配器重要内容的到来

    注意,以太网技术向网络层提供的都是无连接服务。一旦某个帧经CRC校验发生错误,网卡会直接丢弃该帧。如果上层应用使用的是UDP,则会发现空隙。如果使用的是TCP,则会要求数据进行重传。

    链路层交换机

    首先需要明确的是,交换机对于主机和路由器是完全透明的。也就是说,当路由器或主机寻址一个帧或者将帧发送到局域网的时候,它并不知道这个帧经过了或将传给哪个交换机。

    交换机转发和过滤
    过滤指决定一个帧应该转发到某个接口还是应当丢弃。
    转发是决定一个帧应该被导向哪个接口。
    交换机的转发和过滤功能是借助交换机表实现的。交换机表的表项包括:一个MAC地址,通向该MAC地址的交换机接口以及表项放置在表中的时间。
    假设一个目的地址为DD-DD-DD-DD-DD-DD的帧从交换机接口x到达,交换机用MAC地址DD-DD-DD-DD-DD-DD索引它的表,有三种可能情况
    1.表中没有DD-DD-DD-DD-DD-DD,此时,交换机向除x外的所有接口广播该帧
    2.表中有DD-DD-DD-DD-DD-DD,但该表项对应的接口为x。此时,交换机丢弃该帧
    3.表中有DD-DD-DD-DD-DD-DD,且该表项对应的接口为y!=x。此时,交换机向接口y转发该帧。
    交换机的自学习

    交换机表初始为空。对于每个接口接收到的每个入帧,该交换机在其表中存储。如果一段时间后没有接收到以该地址为源地址的帧,则会删除该地址。

    交换机和路由器的比较

    1.交换机使用MAC地址转发分组,而路由器使用IP地址。
    2.交换机即插即用,而路由器需要配置
    3.交换机对于分组的转发和过滤效率更高。因为交换机只处理至协议栈的第二层,而路由器处理至第三层。
    4.为了防止广播帧的循环,交换机的拓扑结构被限制为一颗生成树,而网络寻址是分层次的,且IP有特殊字段来限制寿命,因此路由器的拓扑结构没有限制。

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  • 计算机网络之链路层

    千次阅读 2022-04-09 10:06:58
    计算机网络之链路层

    两台主机之间,数据报跨越一系列通信链路传输,一些是有线链路一些是无线链路,从源主机起,通过一些了分组交换机在目的主机结束。在链路层中有两种不同的链路层信道,

    • 第一种是广播信道,这种信道用于有线局域网、卫星网、和混合光纤同轴电缆接入网中的主机。因为许多主机与相同的广播信道连接,所以需要所谓的媒体访问协议来协调帧传输。在一些情况下可以使用中心控制器来协调传输。
    • 第二种是链路层信道是点对点通信链路(PPP),在长距离链路连接的两台路由器之间,或用户办公室计算机与他们所连接的邻近以太网交换机之间等场合。适用范围从经电话线拨号服务到经光纤链路的高速点到点帧传输。

    通过学习链路层,我们将知道链路层的基本服务是将网络层的数据报从一个节点(主机、交换机、路由器、WiFi接入点)移动到另一个节点。在通过链路向相邻节点传输之前,所有链路层写都是通过将网络层数据报封装成帧。然而,除了这个共同的成帧功能之外,我们知道不同的链路层协议提供截然不同的链路接入、交付 和传输服务。造成这些差异的部分原因是因为链路层协议必须工作在很多种链路类型上。一个简单的点对点链路具有单个发送方和接收方,并通过单一的链路通信。一个多路访问链路在许多发送方和接收方之间共享。因此,对对多路访问信道的链路层协议有一个协调链路接入的协议(多路访问协议)。在MPLS情况下,连接两个相邻节点的链路,其本身就是一个网络

    一、概述

    节点:运行链路层协议的任何设备称为节点,包括:主机、路由器、交换机、WiFi接入点。
    链路:沿着通信路径连接相邻节点的通信信道称为链路。

    举个🌰:

    为了透彻理解链路层以及它是如何与网络层关联的,我们考虑一个交通运输的类比例子。假如一个旅行社计划未游客开辟从美国新泽西州的普林斯顿到瑞士洛桑的旅游路线。假定该旅游社认为对于游客而言最为便利的方案是:从普林斯顿乘豪华大轿车到JFK机场,然后乘飞机从JFK机场去日内瓦机场,最后乘火车从日内瓦机场到达洛桑火车站。一旦该旅行社做了这3项规定,普林斯顿豪华大轿车公司将负责将游客从普林斯顿带到JFK,航空公司将负责游客从JFK到达日内瓦,瑞士火车服务将负责将游客从日内瓦机场带到洛桑。该旅程中3段中的每一段都在两个相邻的地点之间是直达的。注意这三段运输是由不同的公司管理的,使用了完全不同的运输方式。尽管运输方式不同,但他们都提供了将游客从一个地点运输到相邻地点的基本服务。在这个运输类比中,一个游客好比一个数据报,每个运输区段好比一条链路,每种运输方式好比一种链路层协议,而旅行社好比一个路由选择协议。

    1.链路层提供的服务

    • 成帧:在网络层数据报经链路传输之前,几乎所有的链路层协议都要将其用链路层封装成帧。一个帧由一个数据字段和若干首部字段组成,网络层数据报就在数据字段中。
    • 链路接入:媒体访问控制(MAC)协议规定了帧在链路上传输规则,对于链路的一端仅有一个发送方和链路的另一端仅有一个接收方的点对点链路,MAC协议比较简单,即只要链路空闲,发送方都可以发送帧。MAC也可以协调广播中的多个节点的帧传输。
    • 可靠交付:当链路层协议提供可靠交付服务时,它保证无差错地经链路层移动每个网络层数据报。与运输层协议(TCP)可靠交付相比,链路层的可靠交付服务通常是通过却和重传取得的。通常用于易于产生高差错率的链路(无线),其目的是纠正一个差错而不是重传数据。对于低比特差错的链路,包括光纤、同轴电缆等链路层的可靠交付会被认为是一种不必的开销。因此许多链路层协议不提供可靠交付服务。
    • 差错检测和纠正:当帧中一个比特作为1发送时,接收方节点中可能因为链路层硬件不正确地将其判断为0,这种比特差错是由信号衰减和电磁噪声导致的。通过发送节点在帧中包括差错检测比特,让接收节点进行差错检查。链路层差错检查通常由硬件实现。接收方不仅可以检测出比特差错,还可以检测出出错的位置

    2.链路层在何处实现
    下图显示了一个典型的主机体系结构。链路层主体部分是在网络层适配器中实现的,网络适配器有时也称为网络接口卡。位于网络适配器核心的是链路层控制器。该控制器一般是实现许多链路层服务的专用芯片。
    在这里插入图片描述
    在发送端,控制器取的了由协议栈较高层生成并存储在主机存储中的数据报,在链路层帧中封装该数据报,然后遵循链路接入协议将该帧传进通信链路中,在接收端,控制器接收了整个镇,抽取出网络层数据报没如果链路层执行差错检测,需要发送控制器在该帧的首部设置差错检测比特,由控制器执行差错检测。

    图中显示了主机总线和连接的网络适配器,尽管大部分链路层是在硬件中实现的,但是部分链路层是运行于主机CPU上软件实现的。如组装链路层寻址信息和激活控制器硬件。在接收端,链路层软件响应控制器中断。处理差错条件和将数据报上报给网络层。

    二、封装成帧

    封装成帧就是在一段数据的前后部分添加首部和尾部,这样就构成了一个帧。接收端在收到物理层上交的比特流后,就能根据首部和尾部的标记,从收到的比特流中识别帧的开始和结束。
    首部和尾部包含许多控制信息,他们有一个重要的作用:帧定界。
    在这里插入图片描述
    帧同步:接收方应当能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始和终止。
    组帧的四种方法:
    1:字符计数法
    帧首部使用一个计数字段(第一个字节,八位)来标明帧内的字符数。
    在这里插入图片描述
    2:字符填充法
    在帧的首部和尾部添加两个特殊字符,标志着帧的开始和结束。
    在这里插入图片描述
    3:零比特填充法
    在帧的首部和尾部添加连个01111110,标志着帧的开始和结束。
    在这里插入图片描述

    4:违规编码法
    在这里插入图片描述

    三、 差错检测和技术纠正

    比特级差错检测和纠正:从一个节点发送到另一个物理上连接的邻近节点的链路层帧中的比特损伤进行检测和纠正。要保护的数据不仅包括从网络层传输下来的数据报,而且包括链路帧首部中的链路级的寻址信息、序号和其他字段。差错检测和纠正技术使接收方有时但并不总是检测出已经出现的比特差错,即总有未检测出的比特差错。因此我们需要一个差错检测方案来减小这种事件的概率

    1.奇偶校验
    最简单的差错检测,在偶校验方案中,假设要发送多个比特数据,发送方只需要包含一个附加的比特,选择他的值,是的d+1比特中的1总数是偶数,对于奇校验方案,选择校验比特值有奇数个1。
    在这里插入图片描述
    但是如果分组中多个比特同时出错的话简单的奇偶校验就会有50%的概率未检测出。那么需要将奇偶校验升级一下:二维奇偶校验。
    二维奇偶校验:将d个比特分为i行j列,如果出现单个比特比特差错,这时候包含比特的行和列都会出现差错,这时候接收方不仅可以检测出比特差错,还可以利用行和列来找到实际位置并纠正。

    2.检验和方法
    在检验和技术中,d比特数据被作为一个k比特整数的序列处理。一个简单检验和方法就是将这k比特整数加起来,并且用得到的和作为差错检测比特。因特网检验和就是基于这种方法的。即数据的字节作为16比特的整数对待并求和。这和的反码形成了携带在报文段首部的因特网检验和。如之前讨论过的那样,接收方通过对接收数据(包括检验和)的和取反码,并且检测其结果是否全1比特来检测校验和。如果这些比特中有任何比特是0,就可以指示出差错。

    3.循环冗余检测(CRC)
    当今计算机中广泛使用的差错检测技术基于循环冗余检测(CRC)编码。CRC编码也成为多项式编码,因为该编码能够将要发送的比特串看做为系数是0和1一个多项式,对比特串的操作被解释为多项式算是。编码操作如下:考虑d比特数据D,发送节点要将它发送给接收节点,发送方和接收方首先必须协商一个r+1比特模式,称为生成多项式。我们将其表示为G。我们将要求G的最高有效位的比特是1.CRC编码关键思想如图所示。对于一个给定的数据段D,发送方要选择r个附加比特R,并将它们附加到D上。使得得到d+r比特模式,用模2算术恰好能被G整除。用CRC进行差错检测的过程很简单:接收方用G去除接受到的d+r比特,如果余数为非零,接收方知道出现了差错;否则认为数据正确被接收。
    在这里插入图片描述
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    所有CRC计算采用模2算术来做,在加法中不进位,在减法中不借位。这意味着加法和减法是相同的,而且这两种操作等价于操作数按位异或(XOR)
    举个🌰:

    1011 XOR 0101 = 1110
    1001 XOR 1101 = 0100
    类似的我们还会有:
    1011 - 0101 = 1110
    1001 - 1101 = 0100

    国际标准已经定义了8、12、16、32比特生成多项式G,CRC-32 32比特的标准被多种链路级IEEEE协议采用,使用的一个生成多项式是:

    G(CRC-32= 100000100110000010001110110110111
    

    每个CRC标准都能检测小于r+1比特的突发差错。这意味着所有连续的r比特或者更少的差错都可以检测到。

    四、多路访问链路和协议

    点对点链路:由链路一端的单个发送方和链路另一端的单个接收方组成。许多链路层协议都是点对点链路设计的,如点对点协议(PPP)和高级数据链路控制(DHLC)。

    广播链路:让多个发送和接收节点都连接到相同的、单一的、共享的广播信道上。当任何一个节点传输一个帧时,信道广播该帧,其他每个节点都收到一个副本。如以太网和局域网,HDLC协议。

    多路访问问题:即多个发送和接收节点对一个共享广播信道的访问。计算机网络中通过协议来规范他们在共享广播信道上的传输行为,也就是多路访问协议。目前多路访问协议划分为三种类型:信道划分协议随机接入协议轮流协议。他们有以下特征:

    • 当仅有一个节点发送数据时,该节点具有R bps的吞吐量。
    • 当有M个节点发送数据时,每个节点吞吐量为R/M bps。这不比要求M个节点中的每一个节点总是有R/M的瞬间速率,而是每个节点在一些适当定义的时间间隔内应该有R/M的平均传输速率。
    • 协议是分散的,这就是说不会因某节点故障而使整个系统崩溃。
    • 协议是简单的,实现并不昂贵

    碰撞:多个节点同时传输帧的时候,帧在所有接收方处将会碰撞,当发生碰撞时候,没有一个接收方节点可以接收到有效帧。

    1.信道划分协议
    时分多路复用(TDM)和频分多路复用(FDM)是两种能够用于在所有共享信道节点之间划分广播信道的带宽技术。

    • TDM将时间划分为时间帧,并进一步划分每个实际帧为N个时隙。每个时隙分配给N个节点中的一个。无论何时某个节点在有分组要发送时候,它在循环的TDM帧中指派给它的时隙内传输分组比特。通常时隙长度应该能够传输单个分组。它消除了碰撞,每个节点在每个时隙内得到了专用的传输速率R/N bps。但是节点被R/N bps速率限制,而且节点必须轮询等待。
    • FDM将R bps信道划分为不同的频段,每个频段具有R/N带宽,并把每个频段分给N个节点。因此FDM在单个较大的Rbps信道中创建了N个较小的R/N bps信道。它有效地避免了碰撞,但是限制每个节点只能使用R/N的带宽。
    • 码分多址(CDMA):对每一个节点分配一种不同的编码,每个节点用它唯一的编码来对发送数据进行编码。不节点可以同时传输,并且他们各自相应的接收方仍能够正确接收。例如蜂窝电话。

    2.随机接入协议
    在随机接入协议中,一个传输节点总是以信道的全部速率发送。当有碰撞时,涉及碰撞的节点反复重发它的帧,直到该帧无碰撞通过为止。但是当每个节点经历一次碰撞时,他不是立刻重发,而是等待一个延时再发。
    (1)时隙ALOHA

    一群野蛮人的会议,谁想说话谁就说。

    时隙是一个简单的协议,当某个节点是唯一活跃的节点时,时隙ALOHA允许该节点以全速R连续传输,时隙ALOHA也是高度分散的,因为每个节点检测碰撞并独立地决定什么时候重传。当有大量活跃节点且每个节点总有大量帧要发送时,长期运行中成功时隙的份额。最多会有37%的时隙在做有用工作,速率仅为0.37R。时隙ALOHA要求每个节点同步他们额传输,以在每个时隙开始时开始传输,第一个ALOHA协议时间是一个非时隙、完全分散的协议。在纯ALOHA 中,当第一帧到达,节点立刻将该帧传输完整地传输到广播信道。如果一个帧与多个传输经历了碰撞,那么这个节点将立即以概率p重传该帧。否则该节点等待一个帧传输时间再以概率p进行重传。

    (2)载波帧听多路访问CSMA(Carrier Sense Multiple Access)

    一群绅士的会议,有别人说话的话让对方先说。

    载波帧听(Carrier sensing):一个节点在传输前先听信道,如果有来自另一个节点的帧正向信道发送,则等待知道检测到一小段时间没有传输,然后开始传输。

    怎样检测呢?
    当几个站同时在总线上发送数据时,总线上的信号电压摆动值将会增大(互相叠加)。
    当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时,
    就认为总线上至少有两个站在同时发送数据表明产生了碰撞,即发生了冲突。
    

    多点接入(Multiple Access):表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。
    碰撞检测(Collison Detect):当一个传输节点在传输时一直侦听此信道,如果检测到另一个节点正在传输干扰帧免责停止传输。
    在广播信道的端到端信道传播时延决定其性能方面起着关键作用。该传播时延越长,载波侦听节点不能侦听到网络中另一个节点已经开始传输的几率就越大。

    三种CSMA对比总结:

    1-坚持CSMA非坚持CSMAp-坚持CSMA
    信道空闲马上发马上发p概率马上发,1-p概率等到下一个时隙发
    信道忙碌继续坚持监听放弃监听,等一个随机时间后再监听放弃监听,等一个随机时间后再监听

    (3).具碰撞检测的载波侦听多路访问CSMA/CD

    我们从广播信道相连的适配器角度总结它的运行

    • 适配置器从网络层获得一条数据报,准备链路层帧,并将其放入帧适配器缓冲中
    • 如果适配器侦听到信道空闲,则开始传输帧,如果侦听到信道在忙,则等待,知道侦听到信道空闲才开始传输帧。
    • 在传输过程中,适配器监视来自其他使用广播信道的适配器信号能量的存在。
    • 如果是配置传输整个镇而未检测到来自其他适配器的信号能量,该适配器就完成了该帧。另一方面,如果适配器在传输时检测到来自其他适配器的信号能量,则停止传输。
    • 停止之后,适配器等待一个随机时间量,然后返回第二步。

    请添加图片描述
    如何确定碰撞后的重传时机?
    在这里插入图片描述
    最小帧长问题:如果A站发送了一个很短的帧,但发生了碰撞,不过帧在发送完了才检测到碰撞没法停止发送因为已经发完了。
    在这里插入图片描述
    以太网规定最短帧长为64B,凡是长度小于64B的都是由于冲突而异常终止的无效帧。

    (4).具碰撞避免的载波侦听多路访问CSMA/CA

    为什么要有CSMA/CA?

    • 无线局域网无法做到360度全面检测碰撞。
    • 无线局域网中的隐蔽站问题:当A和C都检测不到信号,认为信道空闲时,同时向终端B发送数据帧,就会导致冲突。

    工作原理:

    • 在发送数据前,先检测信道是否空闲。
    • 空闲则发送RTS(request to send),RTS包括发射端地址、接收端地址、下一份数据将持续发送的时间等信息;信道忙则等待。
    • 接收端收到RTS后,将响应CTS(clear to send)
    • 发送端收到CTS后,开始发送数据帧(同时预约信道:发送方告知其他站点自己要传多久数据)
    • 接收端收到数据帧后,将用CRC来检验数据是否发送正确,正确则响应ACK帧。
    • 发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧的发送,若没有则一直重传至规定重传次数为止(采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间)

    (5)CSMA/CD与CSMA/CA的对比
    相同点:
    CSMA/CD和CSMA/CA机制都从属于CSMA的思路,其核心是先听再说。换言之,两个接入信道之前都必须进行监听。当发现信道空闲后,才能进行接入。

    不同点:

    • 传输介质不同。 CSMA/CD采用总线式以太网【有线】,而CSMA/CA用于无线局域网【无线】。
    • 载波检测方式不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测,当数据发生碰撞时,电缆中的电压就会随之变化;而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲方式。
    • CSMA/CD检测冲突,CSMA/CA避免冲突,二者出现冲突后都会进行又上限的重传。

    3.轮流协议
    (1)轮询协议

    由主持人主持的会议,让谁说谁说。

    轮询协议要求这些节点之一被指定为主节点,主节点以循环的方式轮询每个节点,主节点首先向节点1发送一个报文,告诉节点1能够传输多少帧的数量,在节点1传输某些帧之后,告诉节点2可以传输多少数量的帧,以此循环方式轮询每个节点。轮询协议消除了随机接入协议的碰撞和空时隙,使得效率提高,但是也引入了轮询时延,以及如果主节点有故障,则整个信道都会瘫痪。

    (2)令牌传递协议

    只有一个话筒的会议,有话筒在自己手里才能说。

    令牌:一个特殊的MAC控制帧,不含任何信息。控制信道的使用,确保同一时刻只有一个结点独占信道。
    一个称谓令牌的小的特殊帧在节点之间以某种固定的次序进行交互。如:节点1把令牌发送给节点2,节点2把令牌发送给节点3,以此类推,当节点收到令牌时,仅当他有帧要发送时才会持有令牌,否则把令牌传送给下一个节点。令牌传递是分散的效率很高,但是如果一个节点瘫痪会导致整个信道崩溃。
    请添加图片描述
    4. DOCSIS: 用于电缆因特网接入的链路层协议
    CMTS: 电缆调制解调器端接系统
    DOCSIS: 数据经电缆服务接口,它定义了电缆数据网络体系结构机器协议,DOCSIS使用FDN将下行(CMTS到调制解调器)和上行(调制解调器到CMTS)网络段划分为多个频率信道,每个信道6MHz。每个信道大约40Mbps吞吐量。每个上行信道具有6.4MHz,最大吞吐量是30Mbps。每个上行和下行信道均为广播信道。CMTS在下行信道中传输的帧被所有在信道上做信道接收的电缆调制解调器接收。因为仅有单一的CMTS在下行信道上传输,所以不存在多路访问问题,但是在上行方向,多个电缆调制解调器共享到CMTS的相同上行信道。因此能够潜在地出现碰撞。

    五、交换局域网

    1.链路寻址和ARP
    (1) MAC地址
    我们知道主机和路由器并不具有链路层地址,而是他们的适配器具有链路层地址,因此具有多个网络接口的主机或路由器将具有与之相关联的多个链路层地址。但是交换机并不具有相关的链路层地址,因为交换机的任务是在主机和路由器之前承载数据报。

    MAC地址又称为LAN地址、物理地址。MAC地址长度为6个字节,共有2的48次方个可能的MAC地址。通常用16进制表示,地址的每个字节被一对十六进制数表示。没有两个适配器的MAC地址是相同的。适配器的MAC地址具有扁平结构,而且不论适配器到哪里都不会变化,带有以太网的便携机总具有相同的MAC地址。

    适配器的MAC地址与人的社会保险号类似,后者也具有扁平寻址结构,而且无论人到哪里该号码都不会变化。IP地址则与一个人的邮政地址类似,它是有层次性的,会随着人搬到的地址的变换而而变化。所以一台主机只有唯一一个MAC地址,但是却可以有不同的IP地址。

    当一个适配器向另一个适配器发送帧时,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。一台交换机偶尔将帧广播到它所在的接口,这样一个适配器会接收到并非向他寻址的帧,这时候适配器收到帧就会进行MAC匹配,成功就接收,并提取出封装的数据然后传递给上层。不匹配则丢弃。MAC广播地址:如果适配器要让局域网上的所有的适配器接收并处理他们发送的帧,则这时候在发送适配器的该帧的目的地址插入MAC广播地址。该地址是48个连续1组成的字符串(即十六机制表示的FF-FF-FF-FF-FF-FF)。

    (2)地址解析协议ARP
    ARP(Address Resolution Protocol):网络层地址(IP)和链路层地址(MAC)之间进行转换的任务。

    每台主机都有一个单一的IP地址和一个单一的MAC地址。IP地址用以点分十进制法表示,MAC地址以十六进制表示法表示。发送主机通过将目的主机的IP地址作为输入通过发送主机的ARP模块返回相应的MAC地址。它有点类似DNS。但是DNS为因特网中任何地方的主机解析主机名,而ARP只为在同一个子网的主机和路由器解析IP地址。

    ARP工作原理:每台主机或路由器在其内存中有一个ARP表,这张表包含IP地址到MAC地址映射关系。该表也包含了一个寿命(TTL)值,它表示了一个从表中删除每个映射的时间。如下表

    IP地址MAC地址TTL
    222.222.222.22188-B2-2F-54-1A-0F13:45:00
    222.222.222.2235C-66-AB-90-75-B113:52:00

    如果主机要向222.222.222.220发送一个数据报,此时ARP表中没有该主机的表项,该怎么办呢?这种情况下,发送方用ARP协议来解析这个地址,首先发送方构造一个称为ARP分组的特殊分组。一个ARP分组有几个字段,包括发送和接收的IP地址、MAC地址,ARP查询分组和响应分组都有相同的格式。ARP查询分组的目的是询问子网上的所有主机和路由,以确定对应的IP地址的MAC地址。

    ARP属于链路层协议还是网络层协议?
    一个ARP分组封装在链路层帧中,因而在体系结构上位于链路层之上,然而,一个ARP分组同样具有包含链路层地址的字段,所有也可以认为是链路层协议。但它同样包含网络层的地址,所有也可以认为是网络层协议。

    (3)数据报发送到子网以外
    在这里插入图片描述

    当两台主机在两个不同子网时数据是如何传输的呢?假设主机111.111.111.111向主机222.222.222.222发送一个数据报。首先111的主机先将数据报发送给110的路由器(通过ARP解析到110的IP地址)。此时该帧传递给路由器由链路层到达网络层。路由器通过路由器中的转发表告诉这台路由器该数据报要通过路由接口到达220.然后该接口把数据报传递给适配器。适配器把数据报封装成帧发送到220的子网中,最后到达222主机。

    2.以太网
    以太网几乎占据了现有的有线局域网市场。在20世界80年代和90年代早期,以太网面临着来自其他局域网技术包括令牌环网、FDDI和ATM的挑战。多年来这些其他技术也成功抓住了部分局域网市场。但是此从20世纪70年代中期发明以太网以来,它就不断演化和发展,并保持了今天的统治地位。
    集线器:是一种物理设备,它的作用用于各个比特而不是帧。当表示一个0或一个1到达接口时,集线器重新生成这个比特,将其能量强度放大,并将该比特向其他所有接口传输出去。

    因此,采用机遇集线器星形拓扑的以太网也是一个广播局域网,即无论何时集线器从他的一个接口收到一个bit,它向其所有其他接口发送该比特的副本。特别是,如果集线器同时从两个不同的接口收到帧,将出现一次碰撞,生成帧的该节点必须重新传输该帧。在21世纪,以太网又经历了一次重要的革命性变换。以太网安装继续使用星形拓扑,但是位于中心的集线器被交换机所替代。
    (1)以太网结构
    在这里插入图片描述

    • 数据字段:46-1500字节。该字段承载了IP数据报,以太网最大传输单元(MTU)是1500字节。如果超出1500字节必将该数据报分片。IP数据报最小字段46字节,小于46字节则填充到46字节。
    • 目的地址:6字节。目的适配器的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:允许以太网复用多种网络层协议。当帧到达目的适配器时候,目的适配器需要知道该数据字段的内容需要哪些网络层协议进行分解。
    • CRC:4字节。差错检测
    • 前同步码:以太网帧时一个以8字节的前同步码开始的,前7个字节的值都是10101010,最后一个字节是10101011.前7个字节用于唤醒接收适配器,并将时钟与发送适配器时钟同步。第8个字节的最后两个比特警告目的适配器有内容要来。

    所有以太网技术都是向网络层提供无连接的服务,不需要进行握手。而且也不提供可靠的服务。当CRC校验完之后不论该帧是否通过都不会不发送确认帧。不通过的直接丢弃。

    转发器:一种物理设备,它能在输入端接收信号并在输出端在生该信号。

    2:链路层交换机
    交换机:接收入链路层帧并将它们转发到出链路。交换机自身对子网中的主机和路由是透明的,也就是说局域网中的主机和路由器并不知道交换机的存在。
    (1)交换机转发和过滤

    • 过滤:决定将一个帧转发到某个接口还是应将该帧丢弃的交换机功能。
    • 转发:决定一个帧应该被导向那个接口,并把该帧移动到那些接口的交换功能。
    • 交换机表:包含局域网上的主机和路由器的表项。其中包含:一个MAC地址;一个通向该MAC地址的交换机接口;表项放置在表中的时间,下图是交换机表

    转发和过滤过程:

    • 如果交换机表项中没有目的地址,则交换机广播该帧
    • 表项将目的地址和接口联系起来,这种情况下该帧从包括适配器目的地址的局域网网段到来,无需将该帧进行转发到其他接口,交换机通过丢弃该帧进行过滤。
    • 表项没有将目的地址与接口联系起来,这种情况下,该帧需要被转发到与接口相连的局域网网段,交换机通过将该帧放到接口前面的输出缓冲完成转发功能。

    (2)自学习
    交换机表是自动、动态和自治地建立的。所有交换机是自学习的。自学习实现方式:

    • 交换机表初始为空
    • 对于在每个接口接收到的每个入帧。该交换机在其表中存储:1.该帧源地址字段中的MAC地址;2.该帧到达的接口;3.当前时间。交换机以这种方式在表中记录了发送节点所在局域网网段。如果局域网肿么诶个主机都发送了帧,则都会在表中留有记录。
    • 如果一段时间后,交换机没有接收到以该地址作为源地址的帧,则删除表中的记录。

    交换机是一个即插即用的设备,不需要人为配置,安装交换机只需要将局域网网段与交换机接口相连即可。

    (3)链路层交换机性质
    交换机不同于总线或基于集线器的星行拓扑那样的广播链路,他们有以下优点:

    • 清除碰撞:使用交换机构建的局域网中,没有因碰撞而浪费带宽,交换机缓冲帧并且绝不会在网段上同时传输多余一个帧。交换机最大聚合带宽是该交换机所有接口速率只和,因此交换机提供了比广播链路的局域网高的多的性能改善。
    • 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速率运行,并且在不同的媒体上运行。
    • 管理:易于网络管理。交换机可以检测到异常的适配器,并且在内部断开异常的适配器。也可以收集带宽使用的统计数据、碰撞率和流量类型便于管理者使用

    (4)交换机和路由器的区别
    路由器是使用网络层地址转发分组的存储转发分组交换机。交换机是用MAC地址转发分组。交换机的第二层是分组交换机,而路由器的第三层是分组交换机

    交换机的优缺点:

    • 交换机是即插即用的,
    • 交换机具有相对高的分组过滤和转发速率
    • 交换机对广播风暴不提供任何保护措施。

    路由器的优缺点:

    • 当网络中存在冗余路径时,分组不会通过路由器循环。
    • 对广播风暴提供了防火墙保护
    • 缺点是不是即插即用,需要人为配置IP地址。
    • 比交换机处理分组时间长。

    通常,几百台主机组成的小网络通常有几个局域网网段,对于这些小网段使用交换机足够。在更大型的网络中除了交换机还需要路由器。

    3.虚拟局域网
    现代机构的局域网常常是配置为等级结构的,每个部门有自己的交换局域网,经过一台交换机等级结构与其他工作组的交换局域网互联。但是他们有几个缺点:

    • 缺乏流量隔离:尽管该等级结构把组流量局域化到一个单一交换机中,但广播流量仍然必须跨越整个机构网络。限制这些广播流量的范围将会改善局域网的性能。
    • 交换机的无效使用:单台交换机无法提高流量隔离。
    • 管理用户:如果一台主机在不同组之间移动,则必须改变物理布线。

    虚拟局域网(VLAN):支持VLAN的交换机允许一个单一的物理局域网基础设施定义多个虚拟局域网。在一个VLAN内的主机彼此通信,交换机的分组由网络管理划分为组。每组构成一个VLAN,每个VLAN中的端口形成一个广播域。

    VLAN交换机配置和操作方法:网络管理员使用交换机管理软件声明一个端口属于某个给定的VLAN,在交换机中维护一张端口到VLAN的映射表;交换机软件在属于相同VLAN的端口之间交付帧。

    两台完全隔离的VLAN如何通信:将VLAN交换机的一个端口与一台外部的路由器相连,并且将该端口配置为属于EE VLAN 和 CS VLAN,当一台主机的数据报跨域EE VLAN 到达路由器,如何由路由器转发跨越CS VLAN 到达CS 主机。

    VLAN干线连接:一种更具扩展性互联VLAN交换机的方法。VLAN方法中,每台交换机上的一个特殊端口被配置为干线端口,以互联了两台VLAN交换机,该干线端口属于所有VLAN,发送任何VLAN的帧经过干线链路转发到其他交换机。那么如何到达指定的VLAN呢?

    VLAN标签:4字节,以太网帧首部中。VLAN标签承载着该帧所属的VLAN标识符。VLAN标签由在VLAN干线发送侧的交换机加进帧中,解析后并由在VLAN干线接收测的交换机删除。VLAN标签由一个2字节的标签标识符字段、一个2字节的标签控制信息字段和一个3比特优先权字段组成。

    在基于MAC的VLAN中,网络管理员指定于每个VLAN的MAC地址集合;无论何时一个设备与一个端口连接时,端口基于设备的MAC地址将其连接适当的VLAN,VLAN也能够基于网络层协议和其他准则进行定义。VLAN跨越IP路由器扩展也是可能的,这使得多个LAN孤岛能够被连接在一起,形成能够跨越全局的单一LAN。

    六、广域网

    广域网(WAN,Wide Area Network),通常跨接很大的物理范围,所覆盖的范围从几十公里到几千公里,它能连接多个城市和国家,或横跨几个洲并能提供远距离通信,形成国际性的远程网络。
    广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网,卫星通信网和无线分组交换网,它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互联起来,达到资源共享的目的。如因特网(Internet)是世界范围内最大的广域网。
    在这里插入图片描述
    1:PPP协议(Point-to-Point Protocol)
    是目前使用最广泛的数据链路层协议,用户使用拨号电话接入因特网时一般都使用PPP协议。并且只支持全双工链路。

    组成部分:

    • 一个将IP数据报封装到串行链路(同步串行/异步串行)的方法
    • 链路控制协议LCP:建立并维护数据链路连接。身份验证
    • 网络控制协议NCP:PPP可支持多种网络层协议,每个不同的网络层协议都要一个相应的NCP来配置,为网络层建立和配置逻辑连接。

    状态图:
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    帧格式:

    在这里插入图片描述
    2:HDLC协议
    高级数据链路控制(High-Level Data Link Control),是一个在同步网上传输数据,面向比特的数据链路层协议,它是由国际标准化组织(ISO)根据IBM公司的SDLC协议扩展开发而成的。数据报文可透明传输,用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现。

    HDLC的站:
    主站:主要功能是发送命令(包括数据信息)帧、接收响应帧,并负责对整个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错检测或恢复等。
    从站:主要功能是接收由主站发来的命令帧,向主站发送响应帧,并且配合主站参与差错恢复等链路控制
    复合站:主要功能是既能发送,又能接受命令帧和响应帧,并且负责整个链路的控制。

    帧格式:
    在这里插入图片描述
    3:对比
    相同点:
    HDLC、PPP只支持全双工链路。
    都可以实现透明传输
    都可以实现差错检测,但不纠正差错。

    不同点:

    PPP协议面向字节2B协议字段无序号和确认机制不可靠
    HDLC协议面向比特没有有编号和确认机制可靠

    七、链路层设备

    1、网桥
    网桥根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时,并不向所有接口转发此帧,而是先检查此帧的目的MAC地址,然后再确定将该帧转发到哪一个接口,或者把它丢弃(即过滤)
    在这里插入图片描述
    分类:

    透明网桥:透明指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥,是一种即插即用的设备 — 自学习

    源路由网桥:在发送帧时,把详细的最佳路由信息(路由最少/时间最短)放在帧首部中。源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧。

    2、多端口网桥 – 交换机
    在这里插入图片描述
    分类:
    直通式交换机:查完目的地址(6B)就立刻转发。延迟小,可靠性低,无法支持具有不同速率的端口的交换

    存储转发式交换机:将帧放入高速缓存,并检查是否正确,正确则转发,错误则丢弃。延迟大,可靠性高,可以支持具有不同速率的端口的交换。

    八、冲突域与广播域

    冲突域是一种物理分段,指连接到同一导线上所有工作站的集合、同一物理网段上所有节点的集合或是以太网上竞争同一带宽节点的集合。冲突域表示冲突发生并传播的区域,这个区域可以被认为是共享段。在OSI模型中,冲突域被看作是OSI第一层的概念,连接同一冲突域的设备有集线器、中继器或其它简单的对信号进行复制的设备。其中,使用第一层设备(如中继器、集线器)连接的所有节点可被认为是在同一个冲突域内,而第二层设备(如网桥、交换机)和第三层设备(如路由器)既可以划分冲突域,也可以连接不同的冲突域。

    广播域是指可以接收到同样广播消息的节点的集合。简单地说,在该集合中的任何一个节点传输一个广播帧,则其它所有能够接收到这个帧的节点都是该广播域的一部分。由于许多设备都极易产生广播,因此,如果不进行维护就会消耗大量的带宽,降低网络的效率。广播域被看作是OSI第二层的概念,因此由中继器、集线器、网桥、交换机等第一、二层设备连接的节点被认为是在同一个广播域中,而路由器、第三层交换机等第三层设备则可以划分广播域。

    第一层设备(如中继器、集线器)不能划分冲突域和广播域;第二层设备(如网桥、交换机)能划分冲突域,但不能划分广播域;第三层设备(如路由器)既能划分冲突域,又能划分广播域。

    网络互连设备可以将网络划分为不同的冲突域、广播域。然而,由于不同的网络互连设备可能工作在OSI模型的不同层次上,如中继器工作在物理层,网桥和交换机工作在数据链路层,路由器工作在网络层,而网关工作在OSI模型的上三层。因此,它们划分冲突域、广播域的效果也就各不相同。

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    九、数据中心网络

    数据中心网络将其内部主机彼此互联并与因特网中的数据中心互联。

    刀片:数据中心的主机被称为刀片。一般是包括CPU、内存和磁盘存储的商用主机。主机被堆在机架上,每个机架一般堆放几十台刀片。在每个机架顶部有一台交换机,这台交换机被称为机架顶部交换机。它与机架上的刀片相连,并与数据中心的其他交换机互联。

    数据中心支持两种类型的流量:外部客户与内部主机之间流动的流量和内部主机之间流动的流量。数据中心网络包括一台或多台边界路由器。他们将数据中心网络与公共因特网相连。数据中心网络因此需要将所有机架相连,并且机架与边界路由器互联。

    1.负载均衡
    负载均衡路由器:负载均衡的任务是向主机分发请求,以主机当前的负载作为函数来在主机之间均衡负载。负载均衡器不仅平衡主机间的工作负载,而且还提供类型NAT的功能,将外部IP地址转换为内部适当的IP地址,然后将反方向流向客户的分组安装相反的转化进行处理。从而提高安全性。

    2.等级结构
    对于数千台主机的小型数据中心,一台边界路由器和一台负载均衡器和几十个机架组成就够了。但是当有几十万台主机时候,数据中心通常应用路由器和交换机等级结构。如图所示:每台接入路由器下面,有三层交换机。每台接入路由器与一台第一层交换机相连,每台第一层交换机与多台第二层交换机相连。每台第二层交换机又通过与TOR交换机与多个机架相连。

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    链路层和局域网

    两台主机之间,数据报跨越一系列通信链路传输,一些是有线链路一些是无线链路,从源主机起,通过一些了分组交换机在目的主机结束。在链路层中有两种不同的链路层信道,

    • 第一种是广播信道,这种信道用于有线局域网、卫星网、和混合光纤同轴电缆接入网中的主机。因为许多主机与相同的广播信道连接,所以需要所谓的媒体访问协议来协调帧传输。在一些情况下可以使用中心控制器来协调传输。

    • 第二种是链路层信道是点对点通信链路,在长距离链路连接的两台路由器之间,或用户办公室计算机与他们所连接的邻近以太网交换机之间等场合。适用范围从经电话线拨号服务到经光纤链路的高速点到点帧传输。

    通过学习链路层,我们将知道链路层的基本服务是将网络层的数据报从一个节点(主机、交换机、路由器、WiFi接入点)移动到另一个节点。在通过链路向相邻节点传输之前,所有链路层写都是通过将网络层数据报封装成帧。然而,除了这个共同的成帧功能之外,我们知道不同的链路层协议提供截然不同的链路接入、交付 和传输服务。造成这些差异的部分原因是因为链路层协议必须工作在很多种链路类型上。一个简单的点对点链路具有单个发送方和接收方,并通过单一的链路通信。一个多路访问链路在许多发送方和接收方之间共享。因此,对对多路访问信道的链路层协议有一个协调链路接入的协议(多路访问协议)。在MPLS情况下,连接两个相邻节点的链路,其本身就是一个网络。

    一、链路层概述

    节点:运行链路层协议的任何设备称为节点,包括:主机、路由器、交换机、WiFi接入点。
    链路:沿着通信路径连接相邻节点的通信信道称为链路。

    1.链路层提供的服务

    1. 成帧:在网络层数据报经链路传输之前,几乎所有的链路层协议都要将其用链路层封装成帧。一个帧由一个数据字段和若干首部字段组成,网络层数据报就在数据字段中。

    2. 链路接入:媒体访问控制(MAC)协议规定了帧在链路上传输规则,对于链路的一端仅有一个发送方和链路的另一端仅有一个接收方的点对点链路,MAC协议比较简单,即只要链路空闲,发送方都可以发送帧。MAC也可以协调广播中的多个节点的帧传输。

    3. 可靠交付:当链路层协议提供可靠交付服务时,它保证无差错地经链路层移动每个网络层数据报。与运输层协议(TCP)可靠交付相比,链路层的可靠交付服务通常是通过却和重传取得的。通常用于易于产生高差错率的链路(无线),其目的是纠正一个差错而不是重传数据。对于低比特差错的链路,包括光纤、同轴电缆等链路层的可靠交付会被认为是一种不必的开销。因此许多链路层协议不提供可靠交付服务。

    4. 差错检测和纠正:当帧中一个比特作为1发送时,接收方节点中可能因为链路层硬件不正确地将其判断为0,这种比特差错是由信号衰减和电磁噪声导致的。通过发送节点在帧中包括差错检测比特,让接收节点进行差错检查。链路层差错检查通常由硬件实现。接收方不仅可以检测出比特差错,还可以检测出出错的位置

    2.链路层在何处实现
    下图显示了一个典型的主机体系结构。链路层主体部分是在网络层适配器中实现的,网络适配器有时也称为网络接口卡。位于网络适配器核心的是链路层控制器。该控制器一般是实现许多链路层服务的专用芯片。
    在这里插入图片描述

    在发送端,控制器取的了由协议栈较高层生成并存储在主机存储中的数据报,在链路层帧中封装该数据报,然后遵循链路接入协议将该帧传进通信链路中,在接收端,控制器接收了整个镇,抽取出网络层数据报没如果链路层执行差错检测,需要发送控制器在该帧的首部设置差错检测比特,由控制器执行差错检测。

    图中显示了主机总线和连接的网络适配器,尽管大部分链路层是在硬件中实现的,但是部分链路层是运行于主机CPU上软件实现的。如组装链路层寻址信息和激活控制器硬件。在接收端,链路层软件响应控制器中断。处理差错条件和将数据报上报给网络层。

    二、 差错检测和技术纠正

    比特级差错检测和纠正:从一个节点发送到另一个物理上连接的邻近节点的链路层帧中的比特损伤进行检测和纠正。要保护的数据不仅包括从网络层传输下来的数据报,而且包括链路帧首部中的链路级的寻址信息、序号和其他字段。差错检测和纠正技术使接收方有时但并不总是检测出已经出现的比特差错,即总有未检测出的比特差错。因此我们需要一个差错检测方案来减小这种事件的概率。

    1. 奇偶校验:最简单的差错检测,在偶校验方案中,假设要发送多个比特数据,发送方只需要包含一个附加的比特,选择他的值,是的d+1比特中的1总数是偶数,对于奇校验方案,选择校验比特值有奇数个1。但是如果分组中多个比特同时出错的话简单的奇偶校验就会有50%的概率未检测出。那么需要将奇偶校验升级一下:二维奇偶校验。
    二维奇偶校验:将d个比特分为i行j列,如果出现单个比特比特差错,这时候包含比特的行和列都会出现差错,这时候接收方不仅可以检测出比特差错,还可以利用行和列来找到实际位置并纠正。

    2.检验和方法:在检验和技术中,d比特数据被作为一个康比特整数的序列处理。一个简单检验和方法就是将这k比特整数加起来,并且用得到的和作为差错检测比特。因特网检验和就是基于这种方法的。即数据的字节作为16比特的整数对待并求和。这和的反码形成了携带在报文段首部的因特网检验和。

    3.循环冗余检测(CRC)
    当今计算机中广泛使用的差错检测技术基于循环冗余检测(CRC)编码。CRC编码也成为多项式编码,因为该编码能够将要发送的比特串看做为系数是0和1一个多项式,对比特串的操作被解释为多项式算是。编码操作如下:考虑d比特数据D,发送节点要将它发送给接收节点,发送方和接收方首先必须协商一个r+1比特模式,称为生成多项式。我们将其表示为G。我们将要求G的最高有效位的比特是1.CRC编码关键思想如图所示。对于一个给定的数据段D,发送方要选择r个附加比特R,并将它们附加到D上。使得得到d+r比特模式,用模2算术恰好能被G整除。用CRC进行差错检测的过程很简单:接收方用G去除接受到的d+r比特,如果余数为非零,接收方知道出现了差错;否则认为数据正确被接收。

    国际标准已经定义了8、12、16、32比特生成多项式G,CRC-32 32比特的标准被多种链路级IEEEE协议采用,使用的一个生成多项式是:

    G(CRC-32) = 100000100110000010001110110110111
    

    每个CRC标准都能检测小于r+1比特的突发差错。这意味着所有连续的r比特或者更少的差错都可以检测到。

    三、多路访问链路和协议

    点对点链路:由链路一端的单个发送方和链路另一端的单个接收方组成。许多链路层协议都是点对点链路设计的,如点对点协议(PPP)和高级数据链路控制(DHLC)。

    广播链路:让多个发送和接收节点都连接到相同的、单一的、共享的广播信道上。当任何一个节点传输一个帧时,信道广播该帧,其他每个节点都收到一个副本。如以太网和局域网。

    多路访问问题:即多个发送和接收节点对一个共享广播信道的访问。计算机网络中通过协议来规范他们在共享广播信道上的传输行为,也就是多路访问协议。目前多路访问协议划分为三种类型:信道划分协议,随机接入协议,轮流协议。他们有以下特征:

    • 当仅有一个节点发送数据时,该节点具有R bps的吞吐量。

    • 当有M个节点发送数据时,每个节点吞吐量为R/M bps。这不比要求M个节点中的每一个节点总是有R/M的瞬间速率,而是每个节点在一些适当定义的时间间隔内应该有R/M的平均传输速率。

    • 协议是分散的,这就是说不会因某节点故障而使整个系统崩溃。

    • 协议是简单的,实现并不昂贵

    碰撞:多个节点同时传输帧的时候,帧在所有接收方处将会碰撞,当发生碰撞时候,没有一个接收方节点可以接收到有效帧。

    1.信道划分协议

    时分多路复用(TDM)和频分多路复用(FDM)是两种能够用于在所有共享信道节点之间划分广播信道的带宽技术。
    
    • 1.TDM将时间划分为时间帧,并进一步划分每个实际帧为N个时隙。每个时隙分配给N个节点中的一个。无论何时某个节点在有分组要发送时候,它在循环的TDM帧中指派给它的时隙内传输分组比特。通常时隙长度应该能够传输单个分组。它消除了碰撞,每个节点在每个时隙内得到了专用的传输速率R/N bps。但是节点被R/N bps速率限制,而且节点必须轮询等待。
    • 2.FDM将R bps信道划分为不同的频段,每个频段具有R/N带宽,并把每个频段分给N个节点。因此FDM在单个较大的Rbps信道中创建了N个较小的R/N bps信道。它有效地避免了碰撞,但是限制每个节点只能使用R/N的带宽。
    • 3.码分多址(CDMA):对每一个节点分配一种不同的编码,每个节点用它唯一的编码来对发送数据进行编码。不节点可以同时传输,并且他们各自相应的接收方仍能够正确接收。例如蜂窝电话。

    2.随机接入协议

    在随机接入协议中,一个传输节点总是以信道的全部速率发送。当有碰撞时,涉及碰撞的节点反复重发它的帧,直到该帧无碰撞通过为止。但是当每个节点经历一次碰撞时,他不是立刻重发,而是等待一个延时再法。

    1.时隙ALOHA
    时隙是一个简单的协议,当某个节点是唯一活跃的节点时,时隙ALOHA允许该节点以全速R连续传输,时隙ALOHA也是高度分散的,因为每个节点检测碰撞并独立地决定什么时候重传。当有大量活跃节点且每个节点总有大量帧要发送时,长期运行中成功时隙的份额。最多会有37%的时隙在做有用工作,速率仅为0.37R。时隙ALOHA要求每个节点同步他们额传输,以在每个时隙开始时开始传输,第一个ALOHA协议时间是一个非时隙、完全分散的协议。在纯ALOHA 中,当第一帧到达,节点立刻将该帧传输完整地传输到广播信道。如果一个帧与多个传输经历了碰撞,那么这个节点将立即以概率p重传该帧。否则该节点等待一个帧传输时间再以概率p进行重传。

    2.载波帧听多路访问CSMA
    载波帧听:一个节点在传输前先听信道,如果有来自另一个节点的帧正向信道发送,则等待知道检测到一小段时间没有传输,然后开始传输。
    碰撞检测:当一个传输节点在传输时一直侦听此信道,如果检测到另一个节点正在传输干扰帧免责停止传输。
    在广播信道的端到端信道传播时延决定其性能方面起着关键作用。该传播时延越长,载波侦听节点不能侦听到网络中另一个节点已经开始传输的几率就越大。

    3.具碰撞检测的载波侦听多路访问CSMA/CD
    我们从广播信道相连的适配器角度总结它的运行

    1. 适配置器从网络层获得一条数据报,准备链路层帧,并将其放入帧适配器缓冲中

    2. 如果适配器侦听到信道空闲,则开始传输帧,如果侦听到信道在忙,则等待,知道侦听到信道空闲才开始传输帧。

    3. 在传输过程中,适配器监视来自其他使用广播信道的适配器信号能量的存在。

    4. 如果是配置传输整个镇而未检测到来自其他适配器的信号能量,该适配器就完成了该帧。另一方面,如果适配器在传输时检测到来自其他适配器的信号能量,则停止传输。

    5. 停止之后,适配器等待一个随机时间量,然后返回第二步。

    3.轮流协议

    1.轮询协议:轮询协议要求这些节点之一被指定为主节点,主节点以循环的方式轮询每个节点,主节点首先向节点1发送一个报文,告诉节点1能够传输多少帧的数量,在节点1传输某些帧之后,告诉节点2可以传输多少数量的帧,以此循环方式轮询每个节点。轮询协议消除了随机接入协议的碰撞和空时隙,使得效率提高,但是也引入了轮询时延,以及如果主节点有故障,则整个信道都会瘫痪。

    2.令牌传递协议:一个称谓令牌的小的特殊帧在节点之间以某种固定的次序进行交互。如:节点1把令牌发送给节点2,节点2把令牌发送给节点3,以此类推,当节点收到令牌时,仅当他有帧要发送时才会持有令牌,否则把令牌传送给下一个节点。令牌传递是分散的效率很高,但是如果一个节点瘫痪会导致整个信道崩溃。

    4. DOCSIS: 用于电缆因特网接入的链路层协议

    CMTS: 电缆调制解调器端接系统
    DOCSIS: 数据经电缆服务接口,它定义了电缆数据网络体系结构机器协议,DOCSIS使用FDN将下行(CMTS到调制解调器)和上行(调制解调器到CMTS)网络段划分为多个频率信道,每个信道6MHz。每个信道大约40Mbps吞吐量。每个上行信道具有6.4MHz,最大吞吐量是30Mbps。每个上行和下行信道均为广播信道。CMTS在下行信道中传输的帧被所有在信道上做信道接收的电缆调制解调器接收。因为仅有单一的CMTS在下行信道上传输,所以不存在多路访问问题,但是在上行方向,多个电缆调制解调器共享到CMTS的相同上行信道。因此能够潜在地出现碰撞。
    

    四、交换局域网

    1.链路寻址和ARP

    ARP:地址解析协议:该协议提供了将IP转换为链路层地址的机制

    1.MAC地址
    我们知道主机和路由器并不具有链路层地址,而是他们的适配器具有链路层地址,因此具有多个网络接口的主机或路由器将具有与之相关联的多个链路层地址。但是交换机并不具有相关的链路层地址,因为交换机的任务是在主机和路由器之前承载数据报。

    MAC地址又称为LAN地址,、物理地址。MAC地址长度为6个字节,通常用16禁止表示,地址的每个字节被一对十六进制数表示。没有两个适配器的MAC地址是相同的。适配器的MAC地址具有扁平结构,而且不论适配器到哪里都不会变化,带有以太网的便携机总具有相同的MAC地址。

    当一个适配器向另一个适配器发送帧时,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。一台交换机偶尔将帧广播到它所在的接口,这样一个适配器会接收到并非向他寻址的帧,这时候适配器收到帧就会进行MAC匹配,成功就接收,并提取出封装的数据然后传递给上层。不匹配则丢弃。MAC广播地址:如果适配器要让局域网上的所有的适配器接收并处理他们发送的帧,则这时候在发送适配器的该帧的目的地址插入MAC广播地址。该地址是48个连续1组成的字符串。

    2.地址解析协议
    ARP:网络层地址(IP)和链路层地址(MAC)之间进行转换的任务。

    每台主机都有一个单一的IP地址和一个单一的MAC地址。IP地址用以点分十进制法表示,MAC地址以十六进制表示法表示。发送主机通过将目的主机的IP地址作为输入通过发送主机的ARP模块返回相应的MAC地址。它有点类似DNS。但是DNS为因特网中任何地方的主机解析主机名,而ARP只为在同一个子网的主机和路由器解析IP地址。

    ARP工作原理:每台主机或路由器在其内存中有一个ARP表,这张表包含IP地址到MAC地址映射关系。该表也包含了一个寿命(TTL)值,它表示了一个从表中删除每个映射的时间。如下表

    如果主机要向222.222.222.220发送一个数据报,此时ARP表中没有该主机的表项,该怎么办呢?这种情况下,发送方用ARP协议来解析这个地址,首先发送方构造一个称为ARP分组的特殊分组。一个ARP分组有几个字段,包括发送和接收的IP地址、MAC地址,ARP查询分组和响应分组都有相同的格式。ARP查询分组的目的是询问子网上的所有主机和路由,以确定对应的IP地址的MAC地址。

    ARP属于链路层协议还是网络层协议?
    一个ARP分组封装在链路层帧中,因而在体系结构上位于链路层之上,然而,一个ARP分组同样具有包含链路层地址的字段,所有也可以认为是链路层协议。但它同样包含网络层的地址,所有也可以认为是网络层协议。

    3.数据报发送到子网以外
    当两台主机在两个不同子网时数据是如何传输的呢?假设主机111.111.111.111向主机222.222.222.222发送一个数据报。首先111的主机先将数据报发送给110的路由器(通过ARP解析到110的IP地址)。此时该帧传递给路由器由链路层到达网络层。路由器通过路由器中的转发表告诉这台路由器该数据报要通过路由接口到达220.然后该接口把数据报传递给适配器。适配器把数据报封装成帧发送到220的子网中,最后到达222主机。

    2.以太网

    集线器:是一种物理设备,它的作用用于各个比特而不是帧。当表示一个0或一个1到达接口时,集线器重新生成这个比特,将其能量强度放大,并将该比特向其他所有接口传输出去。

    1.以太网的帧结构
    如图所示以太网帧结构图:
    在这里插入图片描述

    数据字段:46-1500字节。该字段承载了IP数据报,以太网最大传输单元(MTU)是1500字节。如果超出1500字节必将该数据报分片。IP数据报最小字段46字节,小于46字节则填充到46字节。
    目的地址:6字节。目的适配器的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:允许以太网复用多种网络层协议。当帧到达目的适配器时候,目的适配器需要知道该数据字段的内容需要哪些网络层协议进行分解。
    CRC:4字节。差错检测
    前同步码:以太网帧时一个以8字节的前同步码开始的,前7个字节的值都是10101010,最后一个字节是10101011.前7个字节用于唤醒接收适配器,并将时钟与发送适配器时钟同步。第8个字节的最后两个比特警告目的适配器有内容要来。

    所有以太网技术都是向网络层提供无连接的服务,不需要进行握手。而且也不提供可靠的服务。当CRC校验完之后不论该帧是否通过都不会不发送确认帧。不通过的直接丢弃。
    转发器:一种物理设备,它能在输入端接收信号并在输出端在生该信号。

    2.链路层交换机
    交换机:接收入链路层帧并将它们转发到出链路。交换机自身对子网中的主机和路由是透明的,也就是说局域网中的主机和路由器并不知道交换机的存在。

    1.交换机转发和过滤

    • 过滤:决定将一个帧转发到某个接口还是应将该帧丢弃的交换机功能。

    • 转发:决定一个帧应该被导向那个接口,并把该帧移动到那些接口的交换功能。

    • 交换机表:包含局域网上的主机和路由器的表项。其中包含:一个MAC地址;一个通向该MAC地址的交换机接口;表项放置在表中的时间,下图是交换机表

    交换机转发和过滤过程

    • 如果交换机表项中没有目的地址,则交换机广播该帧

    • 表项将目的地址和接口联系起来,这种情况下该帧从包括适配器目的地址的局域网网段到来,无需将该帧进行转发到其他接口,交换机通过丢弃该帧进行过滤。

    • 表项没有将目的地址与接口联系起来,这种情况下,该帧需要被转发到与接口相连的局域网网段,交换机通过将该帧放到接口前面的输出缓冲完成转发功能。

    2.自学习
    交换机表是自动、动态和自治地建立的。所有交换机是自学习的。自学习实现方式:

    • 交换机表初始为空

    • 对于在每个接口接收到的每个入帧。该交换机在其表中存储:1.该帧源地址字段中的MAC地址;2.该帧到达的接口;3.当前时间。交换机以这种方式在表中记录了发送节点所在局域网网段。如果局域网肿么诶个主机都发送了帧,则都会在表中留有记录。

    • 如果一段时间后,交换机没有接收到以该地址作为源地址的帧,则删除表中的记录。

    交换机是一个即插即用的设备,不需要人为配置,安装交换机只需要将局域网网段与交换机接口相连即可。

    3.链路层交换机的性质
    交换机不同于总线或基于集线器的星行拓扑那样的广播链路,他们有以下优点:

    • 清除碰撞:使用交换机构建的局域网中,没有因碰撞而浪费带宽,交换机缓冲帧并且绝不会在网段上同时传输多余一个帧。交换机最大聚合带宽是该交换机所有接口速率只和,因此交换机提供了比广播链路的局域网高的多的性能改善。

    • 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速率运行,并且在不同的媒体上运行。

    3.管理:易于网络管理。交换机可以检测到异常的适配器,并且在内部断开异常的适配器。也可以收集带宽使用的统计数据、碰撞率和流量类型便于管理者使用。

    4.交换机和路由器的区别
    路由器是使用网络层地址转发分组的存储转发分组交换机。交换机是用MAC地址转发分组。交换机的第二层是分组交换机,而路由器的第三层是分组交换机。
    交换机的优缺点:

    • 交换机是即插即用的,

    • 交换机具有相对高的分组过滤和转发速率

    • 交换机对广播风暴不提供任何保护措施。

    路由器的优缺点

    • 当网络中存在冗余路径时,分组不会通过路由器循环。

    • 对广播风暴提供了防火墙保护

    • 缺点是不是即插即用,需要人为配置IP地址。

    • 比交换机处理分组时间长。

    通常,几百台主机组成的小网络通常有几个局域网网段,对于这些小网段使用交换机足够。在更大型的网络中除了交换机还需要路由器。

    3.虚拟局域网
    现代机构的局域网常常是配置为等级结构的,每个部门有自己的交换局域网,经过一台交换机等级结构与其他工作组的交换局域网互联。但是他们有几个缺点:

    • 缺乏流量隔离:尽管该等级结构把组流量局域化到一个单一交换机中,但广播流量仍然必须跨越整个机构网络。限制这些广播流量的范围将会改善局域网的性能。

    • 交换机的无效使用:单台交换机无法提高流量隔离。

    • 管理用户:如果一台主机在不同组之间移动,则必须改变物理布线。

    虚拟局域网(VLAN):支持VLAN的交换机允许一个单一的物理局域网基础设施定义多个虚拟局域网。在一个VLAN内的主机彼此通信,交换机的分组由网络管理划分为组。每组构成一个VLAN,每个VLAN中的端口形成一个广播域。

    VLAN交换机配置和操作方法:网络管理员使用交换机管理软件声明一个端口属于某个给定的VLAN,在交换机中维护一张端口到VLAN的映射表;交换机软件在属于相同VLAN的端口之间交付帧。

    两台完全隔离的VLAN如何通信:将VLAN交换机的一个端口与一台外部的路由器相连,并且将该端口配置为属于EE VLAN 和 CS VLAN,当一台主机的数据报跨域EE VLAN 到达路由器,如何由路由器转发跨越CS VLAN 到达CS 主机。

    VLAN干线连接:一种更具扩展性互联VLAN交换机的方法。VLAN方法中,每台交换机上的一个特殊端口被配置为干线端口,以互联了两台VLAN交换机,该干线端口属于所有VLAN,发送任何VLAN的帧经过干线链路转发到其他交换机。那么如何到达指定的VLAN呢?

    VLAN标签:4字节,以太网帧首部中。VLAN标签承载着该帧所属的VLAN标识符。VLAN标签由在VLAN干线发送侧的交换机加进帧中,解析后并由在VLAN干线接收测的交换机删除。VLAN标签由一个2字节的标签标识符字段、一个2字节的标签控制信息字段和一个3比特优先权字段组成。

    在基于MAC的VLAN中,网络管理员指定于每个VLAN的MAC地址集合;无论何时一个设备与一个端口连接时,端口基于设备的MAC地址将其连接适当的VLAN,VLAN也能够基于网络层协议和其他准则进行定义。VLAN跨越IP路由器扩展也是可能的,这使得多个LAN孤岛能够被连接在一起,形成能够跨越全局的单一LAN。

    五、链路虚拟化:网络作为链路层

    最初时候我们以为链路是连接两台通信主机的物理线路,在学习多路访问协议时,我们看到多台主机能够通过一条共享的线路连接起来,并且连接主机的这种线路能够是无线电频谱或其他媒体。为此我们将该链路更多地抽象为一条信道,而不是一条线路。

    多标签协议交换网络(MPLS):一种分组交换的虚电路网络,有自己的分组格式和转发行为。基于固定长度标签和虚电路的技术,在不放弃基于目的IP数据报转发的基础设施的前提下,当可能时通过选择性地表示数据报并允许路由器基于固定长度的标签转发数据报来增强其功能。与IP协调工作,使用IP寻址和路由选择。

    六、数据中心网络

    数据中心网络将其内部主机彼此互联并与因特网中的数据中心互联。

    刀片:数据中心的主机被称为刀片。一般是包括CPU、内存和磁盘存储的商用主机。主机被堆在机架上,每个机架一般堆放几十台刀片。在每个机架顶部有一台交换机,这台交换机被称为机架顶部交换机。它与机架上的刀片相连,并与数据中心的其他交换机互联。

    数据中心支持两种类型的流量:外部客户与内部主机之间流动的流量和内部主机之间流动的流量。数据中心网络包括一台或多台边界路由器。他们将数据中心网络与公共因特网相连。数据中心网络因此需要将所有机架相连,并且机架与边界路由器互联。

    1.负载均衡
    负载均衡路由器:负载均衡的任务是向主机分发请求,以主机当前的负载作为函数来在主机之间均衡负载。负载均衡器不仅平衡主机间的工作负载,而且还提供类型NAT的功能,将外部IP地址转换为内部适当的IP地址,然后将反方向流向客户的分组安装相反的转化进行处理。从而提高安全性。

    2.等级结构
    对于数千台主机的小型数据中心,一台边界路由器和一台负载均衡器和几十个机架组成就够了。但是当有几十万台主机时候,数据中心通常应用路由器和交换机等级结构。如图所示:每台接入路由器下面,有三层交换机。每台接入路由器与一台第一层交换机相连,每台第一层交换机与多台第二层交换机相连。每台第二层交换机又通过与TOR交换机与多个机架相连。

    在这里插入图片描述

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  • 链路层拓扑发现方法的设计与实现,童力,,本文首先介绍了链路层拓扑发现的基本概念,接着介绍了以太网链路层交换机的工作原理,给出了交换机地址转发表的原理和读取的方法
  • 计算机网络课后题答案——作业6 链路层和局域网.pdf
  • 链路层信道详解

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    文章目录一、链路层概述链路层提供的服务链路层在何处实现二、差错检验和纠正技术奇偶校验检验和方法循环冗余检测三、多路访问协议信道划分协议时分多路复用(TDM):频分多路复用(FDM):码分多址(CDMA):随机接...

    接下来我们进入链路层。

    在链路层的讨论中,我们将看到两种截然不同类型的链路层信道。

    第一种类型是广播信道,这种信道用于连接有线局域网、卫星网和混合光纤同轴电缆(Hybrid Fiber Coaxial cable,HFC)接入网中的多台主机。因为许多主机与相同的广播信道连接,需要所谓的媒体访问协议来协调帧传输。在某些场合中,可以使用中心控制器来协调传输。

    第二种类型的链路层信道是点对点通信链路,这在诸如长距离链路连接的两台路由器之间,或用户办公室计算机与它们所连接的邻近以太网交换机之间等场合经常能够发现。协调对点对点链 路的访问较为简单;在本书Web网站上的相关材料详细地讨论了点到点协议(Point-to-Point Protocol,PPP),该协议的适用范围从经电话线的拨号服务到经光纤链路的高速点到点帧传输。

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    一、链路层概述

    • 节点:将运行链路层协议的任何设备均称为节点,包括:主机、路由器、WiFi接入节点。
    • 链路:沿着通信路径连接相邻节点的通信信道称为链路

    我们考虑一个交通运输的类比例子。假如一个旅行社计划为游客开辟从美国新泽西州的普林斯顿到瑞士洛桑的旅游路线。假定该旅行社认为对于游客而言最为便利的方案是:从普林斯顿乘豪华大轿车到JFK机场,然后乘飞机从JFK机场去日内瓦机场,最后乘火车从日内瓦机场到洛桑火车站。一旦该旅行社作了这3项预定,普林斯顿豪华大轿车公司将负责将游客从普林斯顿带到JFK,航空公司将负责将游客从JFK带到日内瓦,瑞士火车服务将负责将游客从日内瓦带到洛桑。该旅程中3段中的每一段都在两个“相邻”地点之间是“直达的”。注意到这3段运输是由不同的公司管理,使用了完全不同的运输方式(豪华大轿车、飞机和火车)。尽管运输方式不同,但它们都提供了将旅客从一个地点运输到相邻地点的基本服务。在这个运输类比中,一个游客好比一个数据报,每个运输区段好比一条链路,每种运输方式好比一种链路层协议,而该旅行社好比一个路由选择协议。

    链路层提供的服务

    • 基本服务:将数据报通过单一通信链路从一个节点移动到相邻节点。

    链路层协议能够提供的可能服务:

    • 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封装起来。一个帧由一个数据字段和若干首部字段组成,其中网络层数据报就插在数据字段中。帧的结构由链路层协议规定。当我们在本章的后半部分研究具体的链路层协议时,将看到几种不同的帧格式。
    • 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。对于在链路的一端仅有一个发送方、链路的另一端仅有一个接收方的点对点链路,MAC协议比较简单(或者不存在),即无论何吋链路空闲,发送方都能够发送帧。更有趣的情况是当多个节点共享单个广播链路时,即所谓多路访问问题。这里,MAC协议用于协调多个节点的帧传输
    • 可靠交付。当链路层协议提供可靠交付服务时,它保证无差错地经链路层移动每个网络层数据报。前面讲过,某些运输层协议(例如TCP)也提供可靠交付服务。与运输层可靠交付服务类似,链路层的可靠交付服务通常是通过确认和重传取得的。链路层可靠交付服务通常用于易于产生高差错率的链路,例如无线链路,其目的是本地(也就是在差错发生的链路上)纠正一个差错,而不是通过运输层或应用层协议迫使进行端到端的数据重传。然而,对于低比特差错的链路,包括光纤、同轴电缆和许多双绞铜线链路,链路层可靠交付可能会被认为是一种不必要的开销。由于这个原因,许多有线的链路层协议不提供可靠交付服务
    • 差错检测和纠正。当帧中的一个比特作为1传输时,接收方节点中的链路层硬件可能不正确地将其判断为0,反之亦然。这种比特差错是由信号衰减电磁噪声导致的。因为没有必要转发一个有差错的数据报,所以许多链路层协议提供一种机制来检测这样的比特差错。通过让发送节点在帧中包括差错检测比特,让接收节点进行差错检查,以此来完成这项工作。因特网的运输层和网络层也提供了有限形式的差错检测,即因特网检验和。链路层的差错检测通常更复杂,并且用硬件实现。差错纠正类似于差错检测,区别在于接收方不仅能检测帧中出现的比特差错,而且能够准确地确定帧中的差错出现的位置(并因此纠正这些差错)。

    链路层在何处实现

    链路层是实现在路由器的线路卡中的

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    链路层的主体部分是在网络适配器(network adapter) 中实现的,网络适配器有时也称为网络接口卡(Network Interface Card,NIC)。位于网络适配器核心的是链路层控制器,该控制器通常是一个实现了许多链路层服务(成帧、链路接入、差错检测等)的专用芯片。因此,链路层控制器的许多功能是用硬件实现的。

    • 发送端,控制器取得了由协议栈较高层生成并存储在主机内存中的数据报,在链路层帧中封装该数据报(填写该帧的各个字段),然后遵循链路接入协议将该帧传进通信链路中。
    • 接收端,控制器接收了整个帧,抽取出网络层数据报。如果链路层执行差错检测,则需要发送控制器在该帧的首部设置差错检测比特,由接收控制器执行差错检测。

    部分链路层是运行在主机CPU上的软件中实现的。链路层的软件组件实现了高层链路层功能,如组装链路层寻址信息和激活控制器硬件。

    所以链路层是硬件和软件的结合体,即此处是协议栈中软件和硬件交接的地方。

    二、差错检验和纠正技术

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    在发送节点,为了保护比特免受差错,使用差错检测和纠正比特EDC)来增强数据D。

    我们现在来研究在传输数据中检测差错的3种技术

    奇偶校验(它用来描述差错检测和纠正背后隐含的基本思想)

    检验和方法(它通常更多地应用于运输层)

    循环冗余检测 (它通常更多地应用在适配器中的链路层)

    奇偶校验

    • 单个奇偶校验位

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    使得d+1比特中的1总是偶数,但只能检查有没有出错,而且只能检验单数错误,还没法纠正。

    • 单比特奇偶校验方案的二维一般化

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    二维奇偶校验 (two-dimensional parity)方案,包含比特值改变的列和行的校验值都将会岀现差错。 因此接收方不仅可以检测到出现了单个比特差错的事实,而且还可以利用存在奇偶行校验校验差错的列和行的索引来实际识别发生差错的比特并纠正它!

    二维奇偶校验也能够检测(但不能纠正!) 一个分组中两个比特差错的任何组合。

    检验和方法

    将d比特数据作为一个k比特整数的序列处理,一个简单检验和方法就是将这k比特整数加起来,并用得到的和作为差错检测比特。

    循环冗余检测

    广泛应用的差错检验技术基于循环冗余检测(CRC)编码,CRC编码也称为多项式编码

    CRC编码操作如下。考虑d比特的数据D,发送节点要将它发送给接收节点。发送方和接收方首先必须协商一个r + 1比特模式,称为生成多项式(general)。对于一个给定的数据段D,发送方要选择r个附加比特R并将它们附加到D上,使得得到的d + r比特模式(被解释为一 个二进制数)用模2算术恰好能被G整除(即没有余数)。用CRC进行差错检测的过程因此很简单:接收方用G去除接收到的 d+r 比特。如果余数为非零,接收方知道出现了差错;否则认为数据正确而被接收。

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    假设发送方A向接收方B发送一串二进制数据101001。A需要计算出K位校验码,放在原始数据的后面一起发送给B。

    它们双方事先约定了一个私密的二项式G(x) = x^3 + x^2 +1,这个多项式用来计算校验码的位数和值,二项式的设计必须符合一定的规则,G(x)的最高项和最低项的系数必须为1。通过这个二项式我们首先可以获取K的大小,最高项x^3的幂指数3就等于K。另外通过二项式G(x)生成数据串G(x) = 1x^3 + 1x^2 + 0x^1 +1x^0 = 1101(将二项式前面的系数组合在一起就形成了数据串)。数据串可以帮助我们计算出校验码的值。在有些情景下,我们无法获知多项式G(x)。但直接得到了多项式生成后的数据串1101,此时怎么知道校验码有几位呢?用数据串的长度减去1就是K的大小。

    从上面描述可知二进制数据101001现在需要加上3位校验码,而用于校验的数据串也已经算出为1101。那通过这两个条件如何计算出校验码呢?在这里采用的是模2除法。模2除法它既不向上位借位,也不比较除数和被除数的相同位数值的大小,只要以相同位数进行异或运算即可。详细运算过程如下:

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    101001后面需要加上3位校验码,先添加3个0替代变成101001000,随后对1101做模二除法

    然后要看被除数的最高位是1还是0,是1商就上1,是0商就上0。此时被除数最高位是1,所以商为1。1再乘以1101和1010做异或运算第一轮计算余数为0111,舍弃最高位0,将后面的0填上就变成了1110。此时被除数变成了1110,最高位仍然为1,所以商仍然上1,将1101和1101做异或运算。结果0011,舍弃最高位0,将后面的1填上,被除数就变成了0111。依次类推算到最后一位的余数为001。

    只要本着被除数的最高位为几商就写几的原则进行异或运算后的余数的最高位一定是0,是0就可以舍弃,继续进行下面的运算。最后得出的最终余数001就是我们想要的3位检验码。

    通过这种模二除法有什么好处呢?比如说数101001后面加三个0后对1101做模二除法,最终会得到三位余数。然后将三位余数替换被除数的三个0再对1101做模二除法时,余数一定为0。换言之101001001再对1101做模二除法时余数一定为0。利用这个特性就可以做数据校验。

    接受方B此时已经接受到了A传递过来的数据 101001001,并且他也知道事先约定的多项式g(x),他先通过g(x)计算出数据串为1101。他现在要开始做校验操作了。让101001001对1101做模二除法。

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    计算出来的余数为0,说明传送过来的数据正确。

    假如传送过来的数据101001001第二位发生了跳变,变成了101001011,那运算结果又会如何?

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    最后计算出来的余数为010,并不为0,说明数据发生了跳变。而010代表数字2,指明是第二位数据出现了错误。细心的同学肯定会发现3位校验码最多只能表示8种情况,而101001001有9个数字,在最多只有一位数字发生跳变的前提下,它的错误情况有九种,这样的话3位校验码就无法表示所有的出错情况了。比如说101001001最高位发生了跳变。

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    最高位发生跳变时,被除数的最高位为0,商上0继续运算,算到最后的余数为010。此时我们可以发现最高位(第9位)发现跳变时最后算出的余数是010,而第二位发生跳变时也是010,如果接收方算出了010,它也无法确定到底是第二位出错还是第九位出错,这样就只能检错而不能纠错。为了避免此类状况的发生,多项式g(x)和信息数据的长度设计显得尤为重要.

    三、多路访问协议

    首先,我们一开始提到过两种网络链路:点对点链路广播链路

    • 点对点链路:由链路的一端的单个发送方和链路另一端的单个接收方组成。如:点对点协议PPP),高级数据链路控制HDLC)。
    • 广播链路:能够让多个发送和接收方都连接到相同的、单一的、共享的广播信道上。如:以太网无线局域网

    多路访问问题如何协调多个发送和接收节点对一个共享广播信道的访问

    多路访问协议节点通过这些协议来规范他们在共享的广播信道上的传输行为

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    碰撞:多个节点同时传输帧,所有节点同时接收到帧,在接收方会发生碰撞,通常碰撞发生没有一个节点那能够有效地获得任何传输的帧,在某种意义下,碰撞的帧信号纠缠在一起,涉及此次碰撞的所有帧都丢失了,在碰撞事件间隔中的广播信道被浪费了。

    多路访问协议划分为3中类型之一:信道划分协议随机接入协议轮流协议

    多路访问协议应该具有的特性

    1. 当仅有一个节点发送数据时,该节点具有Rbps的吞吐量;
    2. 当有M个节点发送数据时,每个节点吞吐量为R/Mbps。这不比要求M个节点中的每一个节点总是有R/M的瞬时速率,而是每个节点在一些适当定义的时间间隔内应该有R/M的平均传输速率。
    3. 协议是分散的;这就是说不会因为某个主节点故障而使整个系统崩溃。
    4. 协议是简单的,使实现不昂贵。

    信道划分协议

    3种信道划分协议:时分多路复用TDM)、频分多路复用FDM)、码分多址CDMA)。

    时分多路复用(TDM):

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    假设一个支持N 个节点的信道且信道的传输速率为R bps。TDM将时间划分为时间帧(time frame),并进一步划分每个时间帧为N个时隙 (slot),然后把每个时隙分配给N 个节点中的一个。无论何时某个节点在有分组要发送的时候,它在循环的TDM帧中指派给它的时隙内传输分组比特。通常,选择的时隙长度应使一个时隙内能够传输单个分组。

    TDM消除了碰撞而且非常公平,每个节点在每个帧时间内得到了专用的传输速率R/N bps。

    然而有两个缺陷

    1. 节点被限制于R/N bps的 平均速率,即使当它是唯一有分组要发送的节点时。

    2. 节点必须总是等待它在传输序列中的轮次,即我们再次看到,即使它是唯一一个有帧要发送的节点。

    频分多路复用(FDM):

    FDM将R bps信道划分为不同的频段(每个频段具有R/N带宽),并把每个频率分配给N个节点中的一个。因此FDM在单个较大的R bps信道中创建了N个较小的R/N bps信道。FDM也有TDM同样的优点和缺点。它避免了碰撞,在N个节点之间公平地划分了带宽。然而,FDM也有TDM所具有的主要缺点,也就是限制一个节点只能使用R/N的带宽,即使当它是唯一一个有分组要发送的节点时。

    码分多址(CDMA):

    CDMA对每个节点分配一种不同的编码。然后每个节点用它唯一的编码来对它发送的数据进行编码如果精心选择这些编码,CDMA网络具有一种奇妙的特性,即不同的节点能够同时传输,并且它们各自相应的接收方仍能正确接 收发送方编码的数据比特(假设接收方知道发送方的编码),而不在乎其他节点的干扰传输。

    随机接入协议

    在随机接入协议中,一个传输节点总是以信道的全部速率R(即Kbps)进行发送。当有碰撞时,涉及碰撞的每个节点反复地重发它的帧 (也就是分组),到该帧无碰撞地通过为止。但是当一个节点经历一次碰撞时,它不必立刻重发该帧。相反,它在重发该帧之前等待一个随机时延。涉及碰撞的每个节点独立地选择随机时延。因为该随机时延是独立地选择的,所以下述现象是有可能的:这些节点之一所选择的时延充分小于其他碰撞节点的时延,并因此能够无碰撞地将它的帧在信道中发出。

    时隙ALOHA

    • 当节点有一个新帧要发送时,它等到下一个时隙开始并在该时隙传输整个帧。
    • 如果没有碰撞,该节点成功地传输它的帧,从而不需要考虑重传该帧。(如果该节点有新帧,它能够为传输准备一个新帧。)
    • 如果有碰撞,该节点在时隙结束之前检测到这次碰撞。该节点以概率P在后续的每个时隙中重传它的帧,直到该帧被无碰撞地传输出去。

    我们说以概率P重传,是指某节点有效地投掷一个有偏倚的硬币;硬币正面事件对 应着重传,而重传出现的概率为"硬币反面事件对应着“跳过这个时隙,在下个时隙再掷硬币”;这个事件以概率(1 - P)出现。所有涉及碰撞的节点独立地投掷它们的硬币。

    优点

    • 当某节点时唯一活跃的节点时,时隙ALOHA允许该节点以全速R连续传输。
    • 时隙ALOHA也是高度发散的,因为每个节点检测碰撞并独立的决定什么时候重传。
    • 时隙ALOHA是一个简单的协议。

    考虑效率。时隙多路访问协议的效率:当有大量的活跃节点且每个 节点总有大量的帧要发送时,长期运行中成功时隙的份额。注意到如果不使用某种形式的访问控制,而且每个节点都在每次碰撞之后立即重传,这个效率将为零。

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    一个给定节点成功传送的概率是p(1-p)N-1,N个节点成功传送的概率是Np(1-p)N-1

    后,我们会发现这个协议的最大效率为1/e=0.37。这就是说,当有大量节点有很多帧要传输时,则(最多)仅有37%的时隙做有用的工作。因此该信道有效传输速率不是R bps,而仅为0.37R bps!相似的分析还表明37%的时隙是空闲的,26%的时隙有碰撞。试想一个蹩脚的网络管理员购买了一个100Mbps的时隙ALOHA系统,希望能够使用网络在大量的用户之间以总计速率如80Mbps来传输数据。尽管这个信道能够以信道的全速100Mbps传输一个给定的帧,但从长时间范围看,该信道的成功吞吐量将小于37Mbps。

    ALOHA

    时隙ALOHA协议要求所有的节点同步它们的传输,以在每个时隙开始时开始传输。 第一个ALOHA协议实际上是一个非时隙完全分散的协议。在纯ALOHA中,当一帧首次到达(即一个网络层数据报在发送节点从网络层传递下来),节点立刻将该帧完整地传输进广播信道。如果一个传输的帧与一个或多个传输经历了碰撞,这个节点将立即(在完全传输完它的碰撞帧之后)以概率P重传该帧。否则,该节点等待一个帧传输时间。在此等待之后,它则以概率P传输该帧,或者以概率1 - P在另一个帧时间等待(保持空闲)。

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-xCSKu4gw-1617844005123)(/Users/mac/Desktop/计算机网络/blog/第6章 链路层和局域网/14.jpg)]

    为了确定纯ALOHA的最大效率,我们关注某个单独的节点。我们的假设与在时隙ALOHA分析中所做的相同,取帧传输时间为时间单元。在任何给定时间,某节点传输一个帧的概率是处假设该帧在时刻S开始传输。为了使该帧能成功地传输,在时间间隔[t0-1, t0],中不能有其他节点开始传输。这种传输将与节点i的帧传输起始部分相重叠。所有其他节点在这个时间间隔不开始传输的概率是(1-P)N-1。类似地,当节点i在传输时,其他节点不能开始传输,因为这种传输将与节点i传输的后面部分相重叠。所有其他节点在这个时间间隔不开始传输的概率也是(1-P)N-1。因此,一个给定的节点成功传输一次的概率是P(1-P)2(N-1)。通过与时隙ALOHA情况一样来取极限,我们求得纯ALOHA协议的最大效率仅为1/(2e),这刚好是时隙ALOHA的一半。这就是完全分散的ALOHA协议所要付出的代价。

    载波侦听多路访问(CSMA)

    • 载波侦听(carrier sensing):一个节点在传输前先听信道。如果来自另一个节点的帧正向信道上发送,节点则等待直到检测到一小段时间没有传输,然后开始传输。

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-D2Bl07RS-1617844005124)(/Users/mac/Desktop/计算机网络/blog/第6章 链路层和局域网/15.jpg)]

    在t0时刻,节点B侦听到信道是空闲的,因为当前没有其他节点在传输。因此节点B开始传输,沿着广播媒体在两个方向上传播它的比特。比特随着时间的增加向下传播,这表明B的比特沿着广播媒体传播所实际需要的时间不是零(虽然以接近光的速度)。在时刻t1,节点D有一个帧要发送。尽管节点B在时刻t1正在传输,但B传输的比特还没有到达D,因此D在t1侦听到信道空闲。根据CSMA协议,从而D开始传输它的帧。一个短暂的时间之后,B的传输开始在D干扰D的传输。显然广播信道的端到端信道传播时延(channel propagation delay)(信号从一个节点传播到另一个节点所花费的时间)在决定其性能方面起着关键的作用。该传播时延越长,载波侦听节点不能侦听到网络中另一个节点已经开始传输的机会就越大。

    具有碰撞检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)

    • 碰撞检测(collision detection):当一个传输节点在传输时一直在侦听此信道。如果它检测到另一个节点正在传输干扰帧,它就会停止传输,在重复”侦听-当空闲时传输“循环之前等待一段随机时间

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Zylpvk4L-1617844005125)(/Users/mac/Desktop/计算机网络/blog/第6章 链路层和局域网/16.jpg)]

    当某节点执行碰撞检测时,一旦它检测到碰撞将立即停止传输。

    注意等待的随机时间:用于以太网以及DOCSIS电缆网络多路访问协议中用二进制指数后退算法

    • CSMA/CD效率:

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-FL2aeSZh-1617844005126)(/Users/mac/Desktop/计算机网络/blog/第6章 链路层和局域网/17.jpg)]

    如果传播时延为0,碰撞的节点将立即终止而不会浪费。

    如果一个帧取得了信道时,它将占有信道很长时间,因此信道在大多数时间都会有效地工作。

    轮流协议

    前面讲过多路访问协议的两个理想特性是:1当只有一个节点活跃吋,该活跃节点具 有R bps的吞吐量;2当有M个节点活跃时,每个活跃节点的吞吐量接近R/M bps。ALOHA和CSMA协议具备第一个特性,但不具备第二个特性。这激发研究人员创造另一类协议,也就是轮流协议(taking- turns protocol)。

    轮询协议

    轮询协议要求这些节点之一要被指定为主节点。主节点以循环的方式轮询(poll)每个节点。特别是,主节点首先向节点1发送一个报文,告诉它(节点1) 能够传输的帧的最多数量。在节点1传输了某些帧后,主节点告诉节点2它(节点2)能够传输的帧的最多数量。(主节点能够通过观察在信道上是否缺乏信号,来决定一个节点何时完成了帧的发送。)上述过程以这种方式继续进行,主节点以循环的方式轮询了每个节点。

    轮询协议消除了困扰随机接入协议的碰撞和空时隙,这使得轮询取得高得多的效率。但是它也有一些缺点。

    • 第一个缺点是该协议引入了轮询时延,即通知一个节点“它可以传输”所需的时间。例如,如果只有一个节点是活跃的,那么这个节点将以小于R bps的速率传输,因为每次活跃节点发送了它最多数量的帧时,主节点必须依次轮询每一个非活跃的节点。
    • 第二个缺点(单点故障)可能更为严重,就是如果主节点有故障,整个信道都变得不可操作。

    令牌传递协议

    在这种协议中没有主节点。一个称为令牌(token) 的小的特殊帧在节点之间以某种固定的次序进行交换。

    例如,节点1可能总是把令牌发送给节点2 ,节点2可能总是把令牌发送给节点3,而节点N可能总是把令牌发送给节点1。当一个节点收到令牌时,仅当它有一些帧要发送时,它才持有这个令牌;否则,它立即向下一个节点转发该令牌。当一个节点收到令牌时,如果它确实有帧要传输,它发送最大数目的帧数,然后把令牌转发给下一个节点。令牌传递是分散的,并有很高的效率。

    但是它也有自己的一些问题。例如,一个节点的故障可能会使整个信道崩溃。或者如果一个节点偶然忘记了释放令牌,则必须调用某些恢复步骤使令牌返回到循环中来。

    四、交换局域网

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-YPHRNuQD-1617844005127)(/Users/mac/Desktop/计算机网络/blog/第6章 链路层和局域网/18.jpg)]

    我们首先以讨论链路层寻址来开始对交换机局域网的学习。然后仔细学习著名的以太网协议。之后据需考察链路层交换机的工作方式。并随后考察通常是如何用这些交换机构建大规模局域网的。

    链路层寻址和ARP

    • MAC地址

    事实上,并不是主机或路由器具有链路层地址,而是它们的适配器(即网络接口)具有链路层地址。因此,具有多个网络接口的主机或路由器将具有与之相关联的多个链路层地址,就像它也具有与之相关联的多个IP地址一样。然而,重要的是注意到链路层交换机并不具有与它们的接口(这些接口是与主机和路由器相连的)相关联的链路层地址。这是因为链路层交换机的任务是在主机与路由器之间承载数据报;交换机透明地执行该项任务,这就是说,主机或路由器不必明确地将帧寻址到其间的交换机。

    MAC地址长度为6字节,共有248个可能的MAC地址。

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-qr5VYELh-1617844005129)(/Users/mac/Desktop/计算机网络/blog/第6章 链路层和局域网/19.jpg)]

    适配器的MAC地址具有扁平结构(这与层次结构相反),而且不论适配器到哪里用都不会变化。 带有以太网接口的便携机总具有同样的MAC地址,无论该计算机位于何方。具有802.11接口的一台智能手机总是具有相同的MAC地址,无论该智能手机到哪里。与之形成对照的是,前面说过的IP地址具有层次结构(即一个网络部分和一个主机部分),而且当主机移动时,主机的IP地址需要改变,即改变它所连接到的网络。适配器的MAC地址与人的社会保险号相似,后者也具有扁平寻址结构,而且无论人到哪里该号码都不会变化。IP地址则与一个人的邮政地址相似,它是有层次的,无论何时当人搬家时,该地址都必须改变。就像一个人可能发现邮政地址和社会保险号都有用那样,一台主机具有一个网络层地址和一个MAC地址是有用的。

    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。因此一块适配器可以接收一个并非向它寻址的帧。这样,当适配器接收到一个帧时,将检查该帧中的目的MAC地址是否与它自己的MAC地址匹配。如果匹配,该适配器提取出封装的数据报,并将该数据报沿协议栈向上传递。如果不匹配,该适配器丢弃该帧,而不会向上传递该网络层数据报。所以,仅当收到该帧时,才会中断目的地。

    然而,有时某发送适配器的确要让局域网上所有其他适配器来接收并处理它打算发送的帧。在这种情况下,发送适配器在该帧的目的地址字段中插入一个特殊的MAC广播地址(broadcast address)。对于使用6字节地址的局域网(例如以太网和802. 11)来说,广播地址是48个连续的1组成的字符串(即以十六进制表示法表示的FF- FF- FF- FF- FF- FF)。

    • 地址解析协议ARP

    因为存在网络层地址(例如,因特网的IP地址)和链路层地址(即MAC地址),所以需要在它们之间进行转换。对于因特网而言,这是地址解析协议(Address ResolutionProtocol,ARP)的任务。

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1kzJ5Dda-1617844005131)(/Users/mac/Desktop/计算机网络/blog/第6章 链路层和局域网/20.jpg)]

    每台主机或路由器在 其内存中具有一个ARP表(ARP table),这张表包含IP地址到MAC地址的映射关系。

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-iiCkOYjY-1617844005132)(/Users/mac/Desktop/计算机网络/blog/第6章 链路层和局域网/21.jpg)]

    关于ARP协议有两件有趣的事情需要注意。

    首先,查询ARP报文是在广播帧中发送的,而响应ARP报文在一个标准帧中发送。

    其次,ARP是即插即用的,这就是说,一个ARP表是自动建立的,即它不需要系统 管理员来配置。并且如果某主机与子网断开连接,它的表项最终会从留在子网中的节点的表中删除掉。

    • 发送数据报到子网以外

    当子网中的某主机要向子网之外的主机发送网络层数据报的情况。

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    我们发现为了使一个数据报从111.111.111.111到子网2上的主机,该数据报必须首先发送给路由器接口 111.111.111.110,它是通往最终目的地路径上的第一跳路由器的IP地址。因此,对于该帧来说,适当的MAC地址是路由器接口111. 111. 111. 110的适配器地址,即E6- E9-00- 17-BB-4BO但发送主机怎样获得 111.111.111.110的MAC地址呢?当然是通过使用ARP!

    一旦发送适配器有了这个MAC地址,它创建一个帧(包含了寻址到222. 222. 222. 222的数据报),并把该帧发送到子网1中。在子网1上的路由器适配器看到该链路层帧是向它寻址的,因此把这个帧传递给路由器的网络层。万岁!该IP数据报终于被成功地从源主机移动到这台路由器了!但是我们的任务还没有结束。我们仍然要将该数据报从路由器移动到目的地。路由器现在必须决定该数据报要被转发的正确接口。这是通过查询路由器中的转发表来完成的。转发表告诉这台路由器该数据报要通过路由器接口 222. 222. 222. 220转发。然后该接口把这个数据报传递给它的适配器,适配器把该数据报封装到一个新的帧中,并且将帧发送进子网2 中。这时,该帧的目的MAC地址确实是最终目的地MAC地址。路由器又是怎样获得这个目的地MAC地址的呢?当然是用ARP获得的!

    以太网

    以太网几乎占领着现有的有线局域网市场

    以太网具有二进制指数回退的CSMA/CD多路访问协议

    • 以太网帧结构

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    • 数据字段(46~1500字节)。这个字段承载了IP数据报。以太网的最大传输单元(MTU)是1500字节。这意味着如果IP数据报超过了1500字节,则主机必须将该数据报分片。数据字段的最小长度是46字节。这意味着如果IP数据报小于46字节,数据报必须被填充到46字节。当采用填充时,传递到网络层的数据包括IP数据报和填充部分。网络层使用IP数据报首部中的长度字段来去除填充部分。
    • 目的地址(6字节)。这个字段包含目的适配器的MAC地址,当目的适配器收到一个以太网帧,帧的目的地址无论是该适配器的MAC地址,还是MAC广播地址,它都将该帧的数据字段的内容传递给网络层;如果它收到了具有任何其他MAC地址的帧,则丢弃之。
    • 源地址(6字节)。这个字段包含了传输该帧到局域网上的适配器的MAC地址。
    • 类型字段(2字节)。类型字段允许以太网复用多种网络层协议。为了理解这点, 我们需要记住主机能够使用除了IP以外的其他网络层协议。事实上,一台给定的主机可以支持多种网络层协议,以对不同的应用采用不同的协议。
    • CRC(4字节)。检测帧中是否引入了差错。
    • 前同步码(8字节)。以太网帧以一个8字节的前同步码(Preamble)字段开始。该前同步码的前7字节的值都是10101010;最后一个字节是10101011。前同步码字段的前7 字节用于“唤醒”接收适配器,并且将它们的时钟和发送方的时钟同步。为什么这些时钟会不同步呢?记住适配器A的目的是根据以太局域网类型的不同,分别以10Mbps、100Mbps或者lGbps的速率传输帧。然而,没有什么是完美无缺的,因此适配器A不会以精确的额定速率传输帧;相对于额定速率总有一 些漂移,局域网上的其他适配器不会预先知道这种漂移的。接收适配器只需通过锁定前同步码的前7字节的比特,就能够锁定适配器A的时钟。前同步码的第8 个字节的最后两个比特(第一个出现的两个连续的1)警告适配器B, “重要的内容”就要到来了。

    所有的以太网技术都向网络层提供无连接服务。这就是说,当适配器A要向适配器B发送一个数据报时,适配器A在一个以太网帧中封装该数据报,并且把该帧发送到局域网上,没有先与适配器B握手。这种第二层的无连接服务类似于IP的第三层数据报服务和UDP的第四层无连接服务。

    以太网技术都向网络层提供不可靠服务。特别是,当适配器B收到一个来自适配器A的帧,它对该帧执行CRC校验,但是当该帧通过CRC校验时它既不发送确认帧;而当该帧没有通过CRC校验时它也不发送否定确认帧。当某帧没有通过CRC校验,适配器B只是丢弃该帧。因此,适配器A根本不知道它传输的帧是否到达了B并通过了CRC校验。(在链路层)缺乏可靠的传输有助于使得以太网简单和便宜。但是它也意味着传递到网络层的数据报流能够有间隙。

    如果由于丢弃了以太网帧而存在间隙,主机B上的应用也会看见这个间隙吗?这只取决于该应用是使用UDP还是使用TCP。如果应用使用的是UDP,则主机B中的应用的确会看到数据中的间隙。另一方面,如果应用使用的是TCP, 则主机B中的TCP将不会确认包含在丢弃帧中的数据,从而引起主机A的TCP重传。注意到当TCP重传数据时,数据最终将回到曾经丢弃它的以太网适配器。因此,从这种意义上来说,以太网的确重传了数据,尽管以太网并不知道它是正在传输一个具有全新数据的全新数据报,还是一个包含已经被传输过至少一次的数据的数据报。

    链路层交换机

    交换机的任务是接入链路层帧并将它们转发到出链路

    我们将看到交换机自身对子网中的主机和路由器是透明的(transparent);这就是说,某主机/路由器向另一个主机/路由器寻址一个帧(而不是向交换机寻址该帧),顺利地将该帧发送进局域网,并不知道某交换机将会接收该帧并将它转发到另一个节点。这些帧到达该交换机的任何输岀接口之一的速率可能暂时会超过该接口的链路容量。为了解决这个问题,交换机输出接口设有缓存,这非常类似于路由器接口为数据报设有缓存。现在我们来仔细考察交换机运行的原理。

    交换机的转发和过滤

    过滤 (filtering) 是决定一个帧应该转发到某个接口还是应当将其丢弃的交换机功能。

    转发(forwarding) 是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的交换机功能。

    交换机的过滤和转发借助于交换机表(switch table)完成。该交换机表包含某局域网上某些主机和路由器的但不必是全部的表项。交换机表中的一个表项包含:①一个 MAC地址;②通向该MAC地址的交换机接口;③表项放置在表中的时间。

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    自学习

    交换机具有令人惊奇的特性(特别是对于早已超负荷工作的网络管理员),那就是它的表是自动、动态和自治地建立的,即没有来自网络管理员或来自配置协议的任何干预。换句话说,交换机是自学习(self-leaning) 的。这种能力是以如下方式实现的:

    (1)交换机表初始为空。

    (2)对于在每个接口接收到的每个入帧,该交换机在其表中存储:①在该帧源地址字段中的MAC地址;②该帧到达的接口;③当前时间。交换机以这种方式在它的表中记录了发送节点所在的局域网网段。如果在局域网上的每个主机最终都发送了一个帧,则每个主机最终将在这张表中留有记录。

    (3)如果在一段时间(称为老化期)后,交换机没有接收到以该地址作为源地址的帧,就在表中删除这个地址。以这种方式,如果一台PC被另一台PC (具有不 同的适配器)代替,原来PC的MAC地址将最终从该交换机表中被清除掉。

    交换机是即插即用设备,因为它们不需要网络管理员或用户的干预。要安装交换机的网络管理员除了将局域网网段与交换机的接口相连外,不需要做其他任何事。管理员在安装交换机或者当某主机从局域网网段之一被去除时,他没有必要配置交换机表。交换机也是双工的,这意味着任何交换机接口能够同时发送和接收

    链路层交换机的性质

    • 消除碰撞。在使用交换机(不使用集线器)构建的局域网中,没有因碰撞而浪费的带宽!交换机缓存帧并且决不会在网段上同时传输多于一个帧。就像使用路由器一样,交换机的最大聚合带宽是该交换机所有接口速率之和。因此,交换机提供了比使用广播链路的局域网高得多的性能改善。
    • 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。
    • 管理。除了提供强化的安全性,交换机也易于进行网络管理。例如,如果一个适配器工作异常并持续发送以太网帧(称为快而含糊的(jabbering)适配器),交换机能够检测到该问题,并在内部断开异常适配器。有了这种特色,网络管理员不用起床并开车到工作场所去解决这个问题。类似地,一条割断的缆线仅使得使用该条缆线连接到交换机的主机断开连接。在使用同轴电缆的时代,许多网络管理员花费几个小时“沿线巡检” (或者更准确地 说 “在天花板上爬行”),以找到使整个网络瘫痪的电缆断开之处。交换机也收集带宽使用的统计数据、碰撞率和流量类型,并使这些信息为网络管理者使用。这 些信息能够用于调试和解决问题,并规划该局域网在未来应当演化的方式。

    交换机和路由器比较

    路由器是使用网络层地址转发分组的存储转发分组交换机。尽管交换机也是一个存储转发分组交换机,但它和路由器是根本不同的,因为它用MAC地址转发分组。交换机是第二层的分组交换机,而路由器是第三层的分组交换机。

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    • 考虑交换机的优点和缺点。如上面提到的那样,交换机是即插即用的,这是世界上所有超负荷工作的网络管理员都喜爱的特性。交换机还能够具有相对高的分组过滤和转发速率,交换机必须处理高至第二层的帧,而路由器必须处理高至第三层的数据报。在另一方面,为了防止广播帧的循环,交换网络的活跃拓扑限制为一棵生成树。另外,一个大型交换网络将要求在主机和路由器中有大的ARP表,这将生成可观的ARP流量处理量。而且,交换机对于广播风暴并不提供任何保护措施,即如果某主机出了故障并传输出没完没了的以太网广播帧流,该交换机将转发所有这些帧,使得整个以太网的崩溃。
    • 考虑路由器的优点和缺点。因为网络寻址通常是分层次的(不像MAC寻址那样 是扁平的),即使当网络中存在冗余路径时,分组通常也不会通过路由器循环。(然而,当路由器表被误配置时,分组可能循环;IP用一个特殊的报文首部字段来限制循环。)所以,分组就不会被限制到一棵生成树上,并可以使用源和目的地之间的最佳路径。因为路由器没有生成树限制,所以它们允许以丰富的拓扑结构构建因特网,例如包括欧洲和北美之间的多条活跃链路。路由器的另一个特色是它们对第二层的广播风暴提供了防火墙保护。尽管也许路由器最重要的缺点就是它们不是即插即用的,即路由器和连接到它们的主机都需要人为地配置IP地址。而且路由器对每个分组的处理时间通常比交换机更长,因为它们必须处理高达第三层的字段。
    • 总结表

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    虚拟局域网

    现代机构的局域网有3个缺点:

    • 缺乏流量隔离。尽管该等级结构把组流量局域化到一个单一交换机中,但广播流(例如携带ARP和DHCP报文或那些目的地还没有被自学习交换机学习到的帧)仍然必须跨越整个机构网络。限制这些广播流量的范围将改善局域网的性能。 也许更为重要的是,为了安全/隐私的目的也可能希望限制局域网广播流量。例如,如果一个组包括公司的行政管理团队,另一个组包括运行着Wireshark分组嗅探器的心怀不满的雇员,网络管理员也许非常希望行政流量无法到达该雇员的主机。通过用路由器代替中心交换机,能够提供这种类型的隔离。我们 很快看到这种隔离也能够经过一种交换(第二层)解决方案来取得。
    • 交换机的无效使用。如果该机构不止有3个组,而是有10个组,则将要求有10个第一级交换机。如果每个组都较小,比如说少于10个人,则单台96端口的交换机将足以容纳每个人,但这台单一的交换机将不能提供流量隔离。
    • 管理用户。如果一个雇员在不同组间移动,必须改变物理布线,以将该雇员连接到不同的交换机上。属于两个组的雇员将使问题更为困难。

    幸运的是,这些都能通过虚拟局域网(Virtula Local Network,VLAN)的交换机来处理。

    支持VLAN的交换机允许经一个单一的物理局域网基础设施定义多个虚拟局域网

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    五、链路虚拟化:网络作为链路层

    多协议标签交换(Multiprotocol Label Switching,MPLS)自20世纪90年代中后期在一些产业界的努力下进行演化,以改善IP路由器的转发速度。它采用来自虚电路网络领域的一个关键概念:固定长度标签

    其目标是:

    对于基于固定长度标签和虚电路的技术,在不放弃基于目的地IP数据报转发的基础设施的前提下,当可能时通过选择性地标识数据报并允许路由器基于固定长度的标签(而不是目的地IP地址)转发数据报来增强其功能。重要的是,这些技术与IP协同工作,使用IP寻址和路由选择。

    一个MPLS使能的路由器常被称为标签交换路由器

    MPLS真正的优点:新的流量管理能力。

    六、数据中心网络

    每个 数据中心都有自己的数据中心网络(data center network),这些数据中心网络将其内部主机彼此互联并与因特网中的数据中心互联。

    数据中心中的主机称为刀片(blade),与比萨饼盒类似,一般是包括CPU、内存和磁盘存储的商用主机。主机被堆叠在机架上,每个机架一般堆放20-40台刀片。在每一个机架顶部有 一台交换机,这台交换机被形象地称为机架顶部(Top of Rack,TOR)交换机,它们与机架上的主机互联,并与数据中心中的其他交换机互联。

    据中心网络支持两种类型的流量:在外部客户与内部主机之间流动的流量,以及内部主机之间流动的流量。为了处理外部客户与内部主机之间流动的流量,数据中心网络包括了一台或者多台边界路由器(bordeT router),它们将数据中心网络与公共因特网相连。 数据中心网络因此需要将所有机架彼此互联,并将机架与边界路由器连接。

    在这里插入图片描述

    • 负载均衡

    一个云数据中心,如一个谷歌或者微软的数据中心,能够同时提供诸如搜索、电子邮件和视频应用等许多应用。为了支持来自外部客户的请求,每一个应用都与一个公开可见的IP地址关联,外部用户向该地址发送其请求并从该地址接收响应。在数据中心内部,外部请求首先被定向到一个负载均衡器(load balancer)。负载均衡器的任务是向主机分发请求,以主机当前的负载作为函数来在主机之间均衡负载。一个大型的数据中心通常会有几台负载均衡器,每台服务于一组特定的云应用。由于负载均衡器基于分组的目的端口号(第四层)以及目的IP地址做决策,因此它们常被称为“第四层交换机”。一旦接收到一个对于特定应用程序的请求,负载均衡器将该请求分发到处理该应用的某一台主机上(该 主机可能再调用其他主机的服务来协助处理该请求)。当主机处理完该请求后,向负载均衡器回送响应,再由负载均衡器将其中继发回给外部客户。负载均衡器不仅平衡主机间的工作负载,而且还提供类似NAT的功能,将外部IP地址转换为内部适当主机的IP地址,然后将反方向流向客户的分组按照相反的转换进行处理。这防止客户直接接触主机,从而具有隐藏网络内部结构和防止客户直接与主机交互等安全性益处。

    • 等级体系结构

    当主机规模扩展到几万至几十万的时候,数据中心通常应用路由器和交换机等级结构(hierarchy of router and switch)

    至此我们学习了链路层!

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