《计算机网络 ：自顶向下方法》第5章 链路层和局域网

0x00 基础知识前瞻

1、网络层提供两台主机之间的通信服务；运输层提供两个端口之间的连接服务。

2、链路层信道有两种类型：广播信道 和 点对点通信链路。

0x01 链路层提供的服务

1、网络层的任务是将运输层报文段从源主机端到端地传送到目的主机；链路层协议的任务是将网络层的数据报通过路径中的单段链路节点到节点地发送。

2、链路层协议交换的数据单元成为帧，每个链路层帧通常封装了一个网络层的数据报。

3、链路层的一个重要特点是数据报在路径的不同链路上可能由不同的链路层协议所承载。
	4、链路层提供的服务：
a、成帧：链路层协议将网络层数据报用链路层帧封装起来。
b、链路接入：媒体访问控制协议（Medium Access Control，MAC）协议规定了帧在链路上的传输规则：只要链路空闲，发送方都能够发送帧。
c、可靠交付：当链路层提供可靠交付时，它保证无差错地经链路层移动每个网络层数据报。
d、流量控制：链路的每一端的节点都具有有限容量的帧缓存能力。
e、差错检测：比特差错由信号衰减和电磁噪声导致。
f、差错纠正：你懂的。
g、半双工和全双工：采用全双工传输时，链路的两端的节点可以同时传输分组；采用半双工传输时，一个节点不能同时进行传输和接收。

0x02 链路层在何处实现

1、网络适配器的内核是链路层控制器，该控制器通常是实现了许多链路层服务的单个特定目的的芯片。
2、链路层控制器工作流程：发送方：取得协议栈较高层的、存储在主存中的数据报→在链路层帧中封装该数据报→根据链路层协议将该帧传进通信链路。
接收方：接收整个帧→提取网络层数据报→差错检测。
3、链路层是一种硬件和软件的结合体。

0x03 差错检测和纠错技术

1、奇偶校验：d+1个比特中1的总数是偶数。（数据段中，若有偶数个1，则校验位为0；否则为1）扩展：二维奇偶校验。
2、检验和方法：将数据的两个字节作为16比特的整数对待，并将它们求和，这个和的反码形成了检验和。
3、循环冗余检测：计算机网络中广泛应用的差错检测技术。将发送的数据串看作是系数为0和1的多项式。通过人为的指定G以及R的比特位数r来计算传输的数据报。

0x04 多路访问协议

1、节点通过多路访问协议来规范它们在共享的广播信道上的传输行为。多路访问协议分为3种类型：信道划分协议、随机接入协议、轮流协议。
2、信道划分协议分为：TDM（时分复用）、FDM（频分复用）、CDMA（码分多址）。
3、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。当有碰撞产生时，涉及碰撞的每个节点反复地重发它的帧（也就是分组），知道该帧无碰撞位置。
每当一个节点经受一次碰撞时，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。
随机接入协议有很多种，最常用的集中：时隙ALOHA协议、纯ALOHA协议、载波帧听多路访问（CSMA）。
4、轮流协议：有几十种轮流协议。常用的两种：轮询协议、令牌传递协议。
5、多路访问协议有两个理想特性：①当只有一个节点是活跃的，该活跃节点具有R bps 的吞吐量；②当M个节点是活跃的，每个活跃节点的吞吐量接近R/M bps。
6、ALOHA和CSMA协议具有第一个特性，不具有第二个特性，而轮流协议具有第二个特性。

0x05 局域网

1、两类LAN技术：以太网LAN、令牌传递技术（包括令牌环、光纤式分布数据接口FDDI（FDDI为地理范围上更大的LAN而设计，包括城域网MAN））。

0x06 链路层编址

1、MAC地址
a、IEEE负责管理MAC地址空间。
b、MAC广播地址由48个连续的1组成。
2、地址解析协议
a、地址解析协议进行网络层地址（IP地址）和链路层地址（MAC地址）的转换。
b、DNS为在因特网中的任何地方的主机解析为IP地址；ARP只为在同一个子网上的节点解析IP地址。
c、查询ARP协议报文是在广播帧中发送的，而响应ARP报文是在一个标准帧中发送的。ARP协议是即插即用的，也就是说，一个节点的ARP表是自动建立的，当某节点与子网断开连接，它的表项最终会从留在子网中的节点的表删除掉。

0x07 以太网

1、以太网是目前为止最流行的有线局域网技术。
2、集线器（hub）是一种物理层设备，它作用于各个比特而不是作用于帧。它能够将接收到的比特的信号强度放大，并将该比特向其他所有接口传输出去。
3、以太网帧结构：
a、数据字段：承载IP数据报。
b、目的地址：包含目的适配器的MAC地址。
c、源地址：包含传输该帧到LAN上的适配器的MAC地址。
d、典型字段：允许以太网复用多种网络层协议。
e、循环冗余检测：使得接收适配器能够检测帧中是否引入了差错。
f、前同步码：以太网帧以一个8字节的前同步码字段开始，前7个字节为10101010，最后一个字节为10101011。前7个字节用于“唤醒”接收适配器，并将它们的时钟和发送方的时钟同步。
4、所有以太网技术都向网络层提供无连接的、不可靠的服务。
5、CSMA/CD：以太网的多路访问协议。
（1）机制：
a、适配器可以在任何时刻开始传输，也就是说没有时隙的概念。
b、它使用了载波侦听。
c、它使用了碰撞检测。
d、在尝试重传之前，适配器等待一个随机时间，这个时间通常比传输一帧的时间要短。
（2）工作方式：
a、适配器从网络层得到一个数据报，准备一个以太网帧，将帧放入适配器缓存区。
b、适配器侦听到信道空闲，发送帧；信道忙，等待侦听不到信号能量，发送帧。
c、传输了整个帧，且没有检测到其他适配器的信号能量，完成传输。
d、如果检测到信号能量，停止传输帧，传输一个48比特的阻塞信号。
e、传输完阻塞信号后，适配器进入指数后退阶段。
6、以太网效率
定义：当有大量活跃节点，且每个节点有大量帧要发送时，帧在信道中无碰撞地传输的那部分时间占长期运行时的份额。
7、以太网技术
1、“BASE”指基带以太网，这意味着该物理媒体仅承载以太网流量。

0x08 链路层交换机

1、交换机过滤：是交换机决定一个帧是应该被转发到某个接口还是应该被丢弃。  交换机转发：是决定一个帧应该被导向哪个接口，并把该帧接口移动到这些接口。
2、交换机的表是自动地、动态地、自治地建立的，即没有来自网络管理员或配置协议的任何干扰，交换机是自学习的。
3、交换机是即插即用设备。
4、交换机的性质：
a、消除碰撞
b、能使用异质的链路（交换机将链路彼此相隔离）
c、易于进行网络管理。
5、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地址转发分组的存储转发分组交换机。

0x09 PPP:点对点协议

1、PPP协议设计目标：
a、分组成帧
b、透明性
c、多种网络层协议
d、多种类型链路
e、差错检测
f、连接的活性
g、网路层地址协商
h、简单性
i、差错纠正
j、流量控制
k、有序
l、多点链路
2、PPP数据成帧：
a、标志字段
b、地址字段
c、控制字段
d、协议
e、信息
f、检验和

0x0A 链路虚拟化：网络作为链路层