Chapter6 链路层¶
- 说明：这一章节内容量过于庞大，很多细节点需要注意，推荐去看原书
- 我这一章整理的并不细致，因为我整理的《RDMA...》那篇论文涵盖了很多这方面的知识，基本已经整理过一遍了，减少低效的重复劳动
一、链路层¶
点对点链路： 链路一端的单个发送方和链路另一端的单个接收方组成。
1、分类：
①广播型信道：通常用在局域网、无线LAN（WIFI）、卫星网和混合光纤电缆。
②点对点通信链路
节点： 将运行链路层协议的任何设备称为节点，包括主机，路由器，交换机和WiFi接入点。
链路： 将沿着通信路径连接相邻节点的通信信道称为链路。
2、服务：
①成帧：把数据报用链路层帧封装起来。
链路层的主体部分是在网络适配器中实现的，也网络接口卡（Network Interface Card， NIC）。网络适配器的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（成帧、链路接入、差错检测等）的专用芯片。链路层控制器的许多功能是用硬件实现的
以太网帧的结构：
(1) 数据字段：承载IP数据报。以太网最大传输单元1500字节。数据字段最小长度是46字节。如果数据报比这个小，就填充。去除填充是靠网络层首部的数据长度字段。
(2) 地址：原地址和目的地址（MAC地址）。
(3) 类型字段：上层协议（网络层）类型。ARP协议的帧有自己的类编号。
(4) 循环冗余检测：两边提前约定好一个除数（n+1位）。发送方计算n位的冗余码：待发送数据末尾填加n个0（假设待发送数据为10010，n=3，则此时变成10010000），然后除以之前约定好的除数，得到一个余数放到待发送帧的末尾（假设得到的余数为110，则最后发送10010110）.接收方将得到的数据除以除数，能整除就说明没出现差错。
(5) 前同步码：前七个字段用于唤醒接收适配器，让它们的时钟和发送方一致。前同步码第八个字节最后两个比特警告适配器“重要的内容来了”。
(6) 许多以太网技术用曼彻斯特编码：每个比特含一次跳变，1是从高电平跳到低电平，0相反。为的是发送适配器和接受适配器能精确同步。
②可靠交付：常用于易产生差错的链路，比如无线链路。而对于不易产生差错的链路这是不必要的开销。
③流量控制：链路层协议提供流量控制。
④差错检测与修正：循环冗余检测（CRC）；TCP和UDP用检验和方法；奇偶校验思想（二维奇偶校验）。
⑤链路接入（要解决多路访问问题）：通常碰撞（两个以上的节点同时传帧）使接收点都不能获得有效的传输帧。解决办法：
(1) 信道划分协议：时分多路复用、频分多路复用以及码分多址（给每个节点分配不同 编码，实现不同节点能同时传输，不会相互干扰）。
缺点：传输速率只能是R / M；而且即时只有一个节点要传输，也只轮到它才能传输。
(2) 随机接入协议：发生碰撞后等一段时间（随机值）重传。
ALOHA和时隙ALOHA：后者把时间划分为一段段时隙，所有传输都得开始于时隙开始；前者的帧首次到达时立即传输，后者需要等待到最近的时隙开始。后者效率更高。实现如果只有一个信道传输帧可以全速传输。
载波侦听多路访问：
载波侦听：侦听信道，如果信道被占用就等待。
碰撞检测：检测到碰撞立即停止。
(3) 轮流协议：同一条广播链路上的节点以传递令牌的形式轮流获得传输的权利。如果得到令牌的节点没有东西要传，迅速传给下一个。
轮询协议：一个主节点一次把令牌发下去，询问其它节点，并给出最大数量帧（防止一个节点占用时间过长）。缺点是有轮询延迟：即使只有一个节点在传输，不能全速传输，因为主节点要在其传输完最大数量帧后轮询；而且一旦主节点出问题，整个信道不能用。
令牌传递协议：没有主节点，令牌互相传。缺点：一旦某个节点出了问题，信道将不能用。
⑥半双工和全双工：采用全双工传输时，链路两端节点可以同时传输分组；采用半双工时，一个节点不可以同时传输和接收分组。
3、编址（MAC地址）：
①原因：保持隔层独立，而且链路层并不是只为IP协议服务的。
②MAC地址详情：它是扁平结构而不是IP地址那样的层次结构；带有以太网网卡的便携机总有相同MAC地址，无论在哪里；
③发送过程：发送适配器将目的适配器的MAC地址放到目的地址字段中，将该帧发到局域网上。如果局域网是广播局域网，则该广播局域网所有适配器接收：如果目的MAC地址是自己，就接受，否则丢弃。也有广播MAC地址：FFFFFFFFFFFF。局域网的每个适配器都会接收。
④地址解析协议（ARP）：
(1) ARP表：每个主机或路由器的ARP模块RAM都有ARP表记录IP地址、MAC地址和时间。不用记录所有子网上的节点。传帧的时候查ARP表，如果里面有映射就发到相应的MAC地址。如果通过路由器发到别的子网，ARP表里存储的是目的IP地址和需要通过的路由器接口适配器地址（路由器每个接口都有IP地址、适配器、MAC地址！），帧会传到路由器，然后路由器根据帧的目的IP地址，查自己的ARP表，找到目的地的MAC地址进行传输。
(2) 目的地址ARP表里没有目的地MAC地址：发送ARP分组（进行广播），目的地适配器会返回一个响应ARP分组。然后发送适配器更新ARP表。ARP表是即插即用的，即自动建立，不需人为插入。
4、链路层交换机：任务是接收入链路层帧并把它们转发到出链路。交换机是透明的。交换机输出接口有缓存。
①转发和过滤：借助交换机表（记录了某局域网上某些节点而不一定是全部节点的MAC地址和到达该节点的交换机接口以及时间）。如果交换机表中没有目的地址，广播。如果收到的帧目的地址和源地址相同，说明是其它交换机广播过来的，过滤。
②交换机表自学习（即插即用）：每收到一个帧，都会存储它的源地址、接口和时间。过了一定时间没收到该地址的帧就会删除。
③交换机优点：
(1) 消除碰撞：交换机缓存帧且不会同时传输多于一帧。
(2) 异质链路：交换机将链路彼此隔离，所以不同链路能以不同速率运行而且可以在不同媒体运行。
(3) 管理：如果一个适配器异常发送，交换机会将它短开；如果一个节点短开了，交换机会收集数据供分析。
④和路由器比较：
交换机是第二层的，交换机表存储地址为MAC地址；路由器是第三层的，转发表存储IP地址。两者都是分组交换机。
交换机即插即用，且效率较高。
路由器对第二层广播风暴提供防火墙保护，安全性更高。
几百个主机组成的小网络通常有几个局域网网段，这种小网络用交换机；几千台主机组成的大网络用路由器。
偶校验： 假设发送方要发送的信息中含有d比特，发送方只需要包含一个附加比特，选择它的值，使得这d+1比特中1的个数是偶数。
奇校验：假设发送方要发送的信息中含有d比特，发送方只需要包含一个附加比特，选择它的值，使得这d+1比特中1的个数是奇数。
二、局域网（主要以太网）¶
1、以太网帧
2、多路访问协议：载波侦听协议（没有时隙）。
指数后退：碰撞检测过程中检测出碰撞会发送阻塞信号，受到n次碰撞后随机等待
(0~ 2 ^ m - 1) * 512（m = min(10,n)）比特时间重传。
3、以太网使用链路交换机。
4、以太网链路层差错检验发现错误立即丢弃，发送方不会知道。全靠运输层保障。