计网-链路层

最新推荐文章于 2024-10-28 16:47:08 发布

AutumnMiss

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分类专栏：计算机网络文章标签：计算机网络

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链路层的基本服务：将数据报通过单一通信链路从一个节点移动到相邻节点，服务细节随着链路层协议的不同而变化。

01 链路层协议提供的服务：

成帧：用链路层帧封装网络层数据报。（IP TCP）
链路接入：媒体访问控制MAC协议规定了帧在链路上的传输规则。
可靠交付：通过确认和重传取得可靠交付服务。（不是所有链路都提供）（TCP）
差错检测和纠正：让发送节点在帧中包含差错检测比特，让接收节点进行差错检测。（TCP IP）

02 链路层在何处实现

链路层的主体在网络适配器（又称网络接口卡）中实现，其核心是链路层控制器，该控制器通常是一个实现了许多链路层服务的专用芯片（硬件实现）。部分链路层是在运行于主机cpu的软件中实现，软件实现了高层链路功能。

03 差错检测和纠正

奇偶校验（差错检测的基本思想）：
1. 单比特校验比特值，50%能检测出差错。偶校验方案：偶数个1；奇校验方案：奇数个1
2. 二位奇偶校验：可以检测和纠正单比特差错，可检测两个比特差错。
检验和方法（运输层更多）
循环冗余检测CRC（适配器中的链路层更多）：

前向纠错FEC：接收方检验和纠正差错的能力。

减少了发送方重发次数
避免了不得不等待的往返时延

多路访问链路和协议

网络链路类型：

点对点链路：由链路一端的单个发送发和链路另一端的单个接收方组成。
广播链路：多个节点可以连接到相同的、单一的、共享的广播信道上。例：以太网，无线局域网

（局域网：一个地理上集中的网络）

碰撞：节点同时接收到多个帧。

01 信道划分协议：

1.时分多路复用TMD：每个节点在每个帧时间内得到了专用的传输速率 R/N bps。

优点：消除碰撞，公平

缺点：

即使节点是唯一有分组要发送的节点时，节点的平均速率被限制。
节点必须总是等待传输序列中的轮次。

2. 频分多路复用FDML：将信道划分为不同的频段（R/N 的带宽）分给不同节点。

优点：消除碰撞，公平

缺点：限制单个节点的带宽。

3. 码分多址CDMA：对每个节点分配不同得编码，节点对发送的数据进行唯一编码，使不同的节点能够同时传输，不受干扰。

02 随机接入协议

03 轮流协议

交换局域网

01 链路层寻址

交换机运行在链路层，它们使用链路层地址而不是IP地址来转发链路层帧通过交换机网络。

MAC地址：并不是主机或路由器具有链路层地址，而是它们的适配器（网络接口）具有链路层地址。具有多个网络接口的主机或路由器也有多个链路层地址，就像它也有多个IP地址一样。MAC地址一般是固定的。共有 ${\color{Red} 2^{48}}$ 个可能的mac地址。

为什么要有MAC地址？

局域网是为任意网络层协议设计的，不只适用于IP和因特网，如果没有MAC地址，则适配器不能方便地支持其他网络协议。
如果没有MAC地址，每次移动适配器时都需要重新配置适配器RAM中的IP地址。
如果适配器不适用任何地址，收到帧后就向上层传递，主机将被局域网发送的每个帧中断，核对网络层地址是否匹配。
为了使网络体系结构中各层次成为独立的模块，不同层次需要有自己的寻址方案。

02 地址解析协议ARP

用于网络层地址和链路层地址之间的转换。ARP只为在同一个子网上的主机和路由器接口解析IP地址。

每台主机/路由器在内存中有一个ARP表，该表包含IP地址到MAC地址的映射关系，并具有一个过期时间。

若发送方的ARP表没有目的主机的表项，发送方用ARP协议解地址的过程？

发送方构造一个ARP分组，分组包含发送和接收IP及MAC地址，ARP查询分组和响应分组有相同的格式。
适配器用MAC广播地址发送ARP查询分组，每个适配器都把ARP分组向上传递给ARP模块，检查自己的IP地址和分组中的目的IP地址是否一致。
匹配的主机发送回一个ARP响应分组，包含目的MAC地址。
查询主机更新ARP表，并发送被链路层帧封装的IP数据报。

03 发送数据报到子网以外

子网A中的适配器要发往子网B中的适配器，先通过子网A的ARP把数据报发到子网A跟子网B相连的路由器，路由器通过子网B的ARP将该数据报转发给目的适配器。

以太网

有线局域网技术。无碰撞的存储转发交换机。向网络层提供无连接的不可靠服务。

是链路层也是物理层的规范，能够经过物理媒体承载。

链路层交换机

接收入链路层帧并将它们转发到出链路。

功能：

过滤：决定一个帧应该转发到某个接口还是丢弃。
转发：决定帧应该被导向哪个接口，并将其移动到那些接口的交换机。
自学习：
1. 接收端交换机表：MAC地址，到达接口，当前时间。
2. 交换机表初始为空，接收端将接收到的帧进行存储，一段时间后没有再次收到就删除。
双工：可以同时发送和接收。

性质：

消除碰撞：交换机缓存帧，只能在网段上同时传输一个帧，没有因碰撞浪费的带宽。
异质的链路：交换机将链路彼此隔离，局域网上的不同链路能够以不同的媒体上运行。

交换机：适合有几个局域网的小网络

优点：
1. 即插即用
2. 具有相对高的分组过滤和转发速率
缺点：
1. 对广播风暴不提供任何保护措施（如果某主机出故障并一直传输以太网广播帧流，交换机会转发，最终导致以太网崩溃）。

路由器：适合几千台主机组成的更大网络

优点：
1. 网络寻址是分层次的，IP由特殊的报文首部字段限制循环，分组可以使用源和目的地间的最佳路径。
2. 对第二层的广播风暴提供了防火墙保护。
缺点：
1. 不是即插即用的，需要人为配置IP地址。
2. 对每个分组的处理时间更长，因为需处理第三层的字段。

虚拟局域网

数据中心网络

负载均衡：

负载均衡器：向主机发送请求，以主机当前的负载作为函数来在主机之间均衡负载。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，防止客户直接接触主机，隐藏网络内部结构。