链路层与局域网 |`Link Layer` ¶

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链路层与局域网

链路层服务原理 ¶

链路层：一个节点把帧通过链路传送到另外一个节点

网络层：端到端

传输层：区分进程、不可靠变成可靠

应用层：交换报文，形成网络应用

广域网使用单点连接

局域网使用多点连接

在子网的内部实现点到点 point to point

网卡 NIC实现链路层和相应物理层的功能

服务 1：成帧 ¶

节点 node
链路 link
帧frame PDU

在帧头部使用“MAC”（物理）地址来标示源和目的

服务 2：EDC 检错和纠错 ¶

Error Detection and Correction 差错检测和纠正位在相邻两个节点之间完成可靠数据传递

低差错率，不控制
高差错率，上层代价大所以要控制

服务 3：链路接入 ¶

MAC 协议规定了帧在链路上传输的规则。用于协调多个节点的帧传输

服务 4：全双工、半双工 ¶

半双工：双向传输，一次一个方向

全双工：双向传输，同时收发

差错检测 | EDC ¶

奇偶检验 ¶

单 bit 奇偶校验：检测单个 bit 级错误

偶检验，加上一个冗余位，使得整行 1 的个数是偶数个，可以检验出奇数个 bit 错误

2 维奇偶校验：检测和纠正单个 bit 错误，可以定位到行列，进而进行纠正

无法检验对偶错误

检验和 ¶

更多用于传输层

软件层实现，所以需要更快的速度

CRC（循环冗余校验）¶

此部分参考了 [ CRC 校验 ] 手算与直观演示动画

模二运算（异或）
使用位串的方式约定一个多项式，r 次方，r+1 位
发送方 sender 有 D 位，向左移动 R 位补零

接收方用位串除以（从左往右按位异或）多项式得到余数 R，即为校验

\[ &D\cdot 2^r\oplus R = n\cdot G\\ &\Rightarrow D\cdot 2^r\oplus R \oplus R = n\cdot G \oplus R\\ &\Rightarrow D\cdot 2^r = n\cdot G \oplus R\\ &\therefore R= remainder[\frac{D\cdot 2^r}{G}]\\ \]

例子：

\[ &D = 101110\\ &G = 1001(r=3)\\ &R = D<<3/G = remainder[\frac{101110000}{1001}] = 011 \]

CRC 检错性能描述

能够检查出所有的 1bit 错误
能够检查出所有的双 bits 的错误
能够检查出所有长度 $=r$ 或者 $<r $ 位的错误
出现长度为 $r+1$ 的突发错误，检查不出的概率是 $\frac{1}{2^{r-1}}$
现长度大于r+1的突发错误，检查不出的概率 $\frac{1}{2^r}$

多点接入 | MAP ¶

MAC media access control

设计一个分布式算法，协调各个节点对信道访问和使用

存在问题：碰撞问题，广域网多点连接碰撞代价特别大

2 个或更多节点同时传送 : 冲突（collision）

必要条件： 1. 当一个节点要发送时，可以R速率发送. 2. 当M个节点要发送，每个可以以R/M的平均速率发送 3. 完全分布的:没有特殊节点协调发送；没有时钟和时隙的同步 4. 简单

信道划分 ¶

把信道划分成小片（时间、频率、编码）
分配片给每个节点专用

TDMA: time division multiple access 分时

FDMA: frequency division multiple access 分频（类似鲸鱼蝙蝠不同频率

CDMA (code division multiple access) 分码（类似方言

随机访问 ¶

信道不划分，允许冲突
如何检测冲突
冲突后恢复

时隙 ALOHA ¶

时隙slot

所有节点在信道上保持同步

在有限信道发，检测冲突，如果有碰撞，下一时隙按照概率 p 进行发送（服从二项分布）

信道状态：碰撞的 C、空闲的 E、成功的 S

优点 ¶

节点可以以信道带宽全速连续传输
高度分布：仅需要节点之间在时隙上的同步
简单

缺点 ¶

存在冲突，浪费时隙
即使有帧要发送，仍然有可能存在空闲的时隙
节点检测冲突的时间 < 帧传输的时间；必须传完

鸡蛋坏了也要吃完

需要时钟上同步

效率分析 ¶

当有很多节点，每个节点有很多帧要发送时，x% 的时隙是成功传输帧的时隙

最大效率

\[ f(N,P) = N\cdot P (1-P)^{N-1}\\ f_{max} = 37.5\% \]

Pure ALOHA¶

任何时间有帧形成，就将帧放出去

简单，无需时间同步

frame time

bit time

效率低于时隙 ALOHA

\[ \begin{align} f(N,P) &= N\cdot P (1-P)^{N-1} \cdot(1-P)^{N-1} \\ &= N \cdot P\cdot (1-P)^{2(N-1)} \\ f_{max} &= 17.5\% \end{align} \]

CSMA¶

说之前听一下别人是否再说话，不要打断别人正在进行的说话 !

carrier sense

监听信道直至信道空闲位置

如果侦听到信道空闲，传送整个帧；如果侦听到信道忙，推迟传送

仍然会发生冲突( 局部探知全局情况不可靠 )

各个节点通过局部 sense 得到全局状态，最远两个节点的时间越长，冲突可能性就越大

整个冲突帧的传输时间都被浪费了，是无效的传输 ( 红黄区域 )

CSMA/CD（Ethernet）¶

collision detection 冲突检测

一边发送，一边监听，检测到冲突就停止发送

过程分析

适配器获取数据报，创建帧
发送前：侦听信道 CS
1)闲：开始传送帧
2)忙：一直等到闲再发送
发送过程中，冲突检测 CD
1)没有冲突：成功
2)检测到冲突：放弃,之后尝试重发
发送方适配器检测到冲突，除放弃外，还发送一个 Jam 信号，所有听到冲突的适配器也是如此；防止冲突太短听不到；
exponential backoff二进制指数退避算法

如果放弃，适配器进入指数退避状态在第 m 次失败后，适配器随机选择一个 ${0,1,2,\dots,2^m-1}$ 中选择 K

等待 $K*512$ 位时，然后转到步骤 2
碰撞窗口最大是 1024

等待时间增加了

" 了不得啦，这里有冲突啊啊啊啊 "

强化冲突：让所有站点都知道冲突

第一次碰撞：在 $\{0,1\}$ 中选择 K，延时 $K*512$ 位时

第二次：在 $\{0,1,2,3\}$ 中选择 K，延时 $K*512$ 位时

效率分析

量	含义
$T_{prop}$	LAN 上 2 个节点的最大传播延迟
$t_{trans}$	传输最大长度的以太网的帧的时间

\[ efficiency = \frac{1}{1+5T_{prop}/t_{trans}} \]

效率变为 1

当 $T_{prop}$ 变成 0 时
当 $t_{trans}$ 变成无穷大时 ( 某个节点 800T，一旦抓住信道就不放手了 )
比 ALOHA 更好的性能，而且简单，廉价，分布式 !

CSMA/CA(WLAN)¶

collision avoidance 冲突避免

有基础设施infrastructure

802.11: 没有冲突检测，做不了 CD

无法检测冲突：自身信号远远大于其他节点信号；有衰减
即使能 CD：不冲突 != 成功
无法 CD，一旦发送一股脑全部发送完毕，不 CD
为了避免无 CD 带来的信道利用率低的问题，事前进行冲突避免
冲突也有可能是成功的

无线链路特性，需要每帧确认；例如：由于隐藏终端问题，在接收端可能形成干扰 , 接收方没有正确地收到。

??? +note "2 个站点有数据帧需要发送，第三个节点正在发送 " === "WLAN CA"

    - 无法CD，一旦发送就必须发完，如冲突信道浪费严重，代价高昂<br>
    - 思想：尽量事先避免冲突（抛骰子），而不是在发生冲突时放弃然后重发<br>
    - 听到发送的站点，分别选择随机值，回退到0发送<br>
      - 不同的随机值，一个站点会胜利<br>
      - 失败站点会冻结计数器，当胜利节点发完再发<br>

=== "LAN CD"
    让2者听完第三个节点发完，立即发送<br>
        冲突：放弃当前的发送，避免了信道的浪费无用于冲突帧的发送<br>
        代价不昂贵<br>

无法完全避免冲突；只有单向冲突，通过预约和管理解决冲突

CSMA/CA 协议工作原理 :

参考博文 https://blog.csdn.net/shulianghan/article/details/108116406

① 检测信道 : 发送数据前 , 检测信道是否空闲 ;

② 信道空闲 : 发出 RTS ( Request To Send ) , RTS 包括发射端地址 , 接收端地址 , 发送持续时间等信息 ;

③ 信道忙 : 等待 ;

④ 接收端收到 RTS : 发送 CTS ( Clear To Send ) 响应 ;

⑤ 发送端收到 CTS : 同时执行以下两个操作 ;

发送数据 : 开始发送数据帧 ;
预约信道 : 告知其它站点 , 自己要传输数据 , 并给出传输时间 ;

⑥ 接收方接收到数据后 , 使用 CRC 循环冗余校验码校验数据是否正确 , 如果数据正确 , 返回 ACK 确认帧 ;

⑦ 发送方接收到 ACK 确认帧后 , 才进行下一帧的发送 , 如果没有收到 , 则一直重传 , 直到 16 1616 次失败为止 ; ( 二进制指数退避算法 )

线缆接入网络 ¶

下行 CMTS 一个

多个 40Mbps 下行 ( 广播 ) 信道 ,FDM 下行：通过FDM分成若干信道，互联网、数字电视等
互联网信道：只有1个CMTS在其上传输
多个30 Mbps上行的信道,FDM 多路访问：所有用户使用；接着TDM分成微时隙
部分时隙：分配；部分时隙：竞争；

DOCSIS: data over cable service interface spec

依次轮流 Taking Turns ¶

节点依次轮流
有很多数据传输的节点可以获得较长的信道使用权

论询 : ¶

主节点邀请从节点依次传送

缺点 :

轮询开销：轮询本身消耗信道带宽
等待时间：每个节点需等到主节点轮询后开始传输，即使只有一个节点，也需要等到轮询一周后才能够发送
单点故障：master 故障，整个系统失效

令牌传递 : ¶

击鼓传花

控制令牌 ( token ) 循环从一个节点到下一个节点传递

令牌报文：特殊的帧，1 是令牌，0 是数据

当一个节点收到令牌，仅当其有帧要传输才接受，否则向下一个节点转发

优点：分散的、效率较高

缺点 :

令牌开销：本身消耗带宽
延迟：只有等到抓住令牌，才可传输
单点故障 (token)：令牌丢失系统级故障，整个系统无法传输
复杂机制重新生成令牌

LAN `Local Area Network`¶

MAC `medium access control`¶

前 n-1 跳：用于使数据报到达目的 IP 子网；

最后一跳：到达子网中的目标节点

LAN（MAC/ 物理 / 以太网）地址 :

MAC 地址，6 字节 48bit；FF-FF-FF-FF 广播地址

MAC 地址由 IEEE 管理和分配，制造商购入 MAC 地址空间（固定前 24bit，后 24bit 公司自己生成）

IP 地址分层，mac 地址在一个平面

网卡在生产时不知道被用于哪个网络，因此给网卡一个唯一的标示，用于区分一个网络内部不同的网卡即可

分离好处捆绑的问题

a) 网卡坏了，ip 不变，可以捆绑到另外一个网卡的 mac 上
b) 物理网络还可以除IP之外支持其他网络层协议，链路协议为任意上层网络协议，如IPX等

a) 如果仅仅使用 IP 地址，不用 mac 地址，那么它仅支持 IP 协议
b) 每次上电都要重新写入网卡IP地址；
c) 另外一个选择就是不使用任何地址；不用MAC地址，则每到来一个帧都要上传到IP层次，由它判断是不是需要接受，干扰一次

LAN 中，“不碰” = 成功

条件是 $帧>= 2\tau$

ARP: `Address Resolution Protocol`¶

完成 IP 地址到 MAC 地址的转换；

从而完成把分组封装帧，从一个网卡发送到另一个网卡

向子网内 ¶

ARP 只为在同一个子网上的主机和路由器接口解析 IP 地址

云南节点试图用 ARP 解析美国的节点的 IP 地址，将返回错误

ARP 表：

包括一些 LAN 节点 IP/MAC 地址的映射< IP address; MAC address; TTL >

TTL 时间是指地址映射失效的时间；典型是 20min

ARP 表中没有目标主机的项目：

发送方构造一个 ARP packet，有几个字段，包括发送和接受 IP 地址 &MAC 地址
向适配器发送一个 ARP 查询分组，适配器用 MAC 广播地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF）发送分组
每个适配器检查目标 IP 和自己是否匹配，匹配的发送一个响应 ARP 分组，更新源适配器的 ARP 表

查询 ARP 报文是在广播帧发送的，响应 ARP 报文是在标准帧中发送的

向子网外查询 ¶

假如111.111.111.111想发送到222.222.222.222

创建帧，包含寻址到目标的数据包，发送到子网 1
子网 1 传输到网络层，根据路由器的转发表，转发到另一个接口
封装到新的帧当中，把帧发送到子网 2

Ethernet¶

最主流的 LAN 技术：98% 占有率；廉价；带宽不断提升

Topology¶

使用同轴电缆链接

总线

在上个世纪 90 年代中期很流行

所有节点在一个碰撞域内，任意时刻只允许一个节点发送，降低利用率
可靠性差，如果介质破损，形成反射，误认为是冲突，总是冲突

星型

目前最主流

连接选择 : hub 或者 switch；现在一般是交换机在中心

以太帧类型 ¶

发送方适配器在以太网帧中封装 IP 数据报

前导码：用来同步接收方和发送方的时钟，前 7 字节10101010，最后一字节10101011，用于警告目标适配器，重要信息要来了
数据字段：46-1500 字节。承载 IP 数据报。MTU 是 1500 字节，多余 1500 要进行分片。数据字段最小长度 46 字节，IP 数据报小于 46 字节，数据报必须被填充到 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
类型字段 2 字节：除了 IP 之外的网络层协议，如 ARP，IPX。
CRC 4 字节
无连接：帧传输前，发送方和接收方之间没有握手（本身可靠性较高
不可靠：接收方适配器不发送 ACKs 或 NAKs 给发送方

使用 MAC 协议：CSMA/CD 二进制指数退避算法

链路层的设备 ¶

Hub 集线器 ¶

高负载下性能差

交换机 ¶

链路层设备：扮演主动角色（端口执行以太网协议），对帧进行存储转发

透明：主机对交换机的存在可以不关心；通过交换机相联的各节点好像这些站点是直接相联的一样

即插即用，自学习：交换机无需配置

交换表

过滤 filtering 决定一个帧应该转发到某个接口还是应当丢弃

转发 forwarding 决定一个帧应该被导向那个接口，并移动到对应接口

MAC 地址 + 对应端口 + 时戳

`MAC addr`	interface	TTL
A	1	60

目的地址为 A 的帧来自接口 x

没有这个表项：泛洪 flooding，向所有接口转发帧的副本
表中有表项，目的地址和源接口一致（A-x），则这个帧直接过滤
转发：知道目标 A 对应的接口（$A-y| y\ne x$)：选择性发送到那个端口

即插即用，自学习

交换表初始为空
当接收到帧，交换机学习到发送站点所在的端口（网段），记录源目标 MAC 和端口在交换表中（软状态维护机制
一段时间后，TTL 后，删除掉这个帧。

交换机可以级联：有生成树算法，每个时刻工作的只有一颗树，防止广播式传播

VLANS¶

带有 VLAN 功能的交换机（们）可以被配置成：一个物理 LAN 基础设施，虚拟成多个 LANs

如果有多个交换机，希望它们相连并且共享 VLANs 信息

方法 1：各交换机每个 VLAN 一个端口和另外交换机相应；VLAN 端口相连 -> 扩展性问题
trunk port干线端口 : 多个交换机共享定义的 VLAN，在它们之间传输帧

量	含义
\(T_{prop}\)	LAN 上 2 个节点的最大传播延迟
\(t_{trans}\)	传输最大长度的以太网的帧的时间

链路层与局域网 |Link Layer ¶

链路层服务原理 ¶

服务 1：成帧 ¶

服务 2：EDC 检错和纠错 ¶

服务 3：链路接入 ¶

服务 4：全双工、半双工 ¶

差错检测 | EDC ¶

奇偶检验 ¶

检验和 ¶

CRC（循环冗余校验）¶

多点接入 | MAP ¶

信道划分 ¶

随机访问 ¶

时隙 ALOHA ¶

优点 ¶

缺点 ¶

效率分析 ¶

Pure ALOHA¶

CSMA¶

CSMA/CD（Ethernet）¶

CSMA/CA(WLAN)¶

线缆接入网络 ¶

依次轮流 Taking Turns ¶

论询 : ¶

令牌传递 : ¶

LAN Local Area Network¶

MAC medium access control¶

ARP: Address Resolution Protocol¶

向子网内 ¶

向子网外查询 ¶

Ethernet¶

Topology¶

以太帧类型 ¶

链路层的设备 ¶

Hub 集线器 ¶

交换机 ¶

VLANS¶

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MAC `medium access control`¶

ARP: `Address Resolution Protocol`¶