《计算机网络：自顶向下方法》笔记（5）：链路层
《计算机网络：自顶向下方法》笔记（5）：链路层
链路层
链路层协议的任何设备称为结点（node）
沿着通信路径连接相邻结点的通信信道称为链路（link）
链路层协议功能：
- 成帧（framing）。把数据报（segment）封装成帧。
- 链路接入。媒体访问控制（Medium Access Control，MAC）用于协调多个结点共享单个广播链路时候的帧传输。
- 可靠交付。通过确认和重传保证无差错移动每个网络层的数据报。对于差错率低的链路，如光线，同轴电缆等，则不提供可靠交付，由上层保证可靠交付。
- 差错检测和纠正。（通过校验和）
链路层使用更复杂的 CRC 差错检测是因为其使用了专门的硬件实现。
有两种网络链路：点对点（point-to-point link）链路和广播链路（boardcast link）。
点对点链路使用点对点协议（point-to-point protocol, PPP）和高级数据链路控制协议（high-level data link control, HDLC）。
广播链路涉及协调多个发送和接收结点对一个共享广播信道的访问，也就是多路访问问题（multiple access problem）。对应的协议叫多路访问协议（multiple access protocol）。
多路访问协议可分为三大类：信道划分协议（channel partitioning protocol），随机接入协议（random access protocol），轮流协议（taking-turns protocol）。
信道划分协议： 时分多路复用（Time Devision Multiple，TDM）将时间平均分为多个片，每个信道一个片。优点是公平，简单，缺点是只有一个分组时速度仍然是 R/N，造成资源浪费。 频分多路复用（Frequency Devision Multiple，FDM），把频率分片，优缺点和 TDM 一样。 码分多址（Code Division Mupltiple Access，CDMA），不同节点分配不同的精心选择的编码，使得不同结点可以同时传输。
随机接入协议： 节点总是以全速 R 进行发送，当发生碰撞时，结点会反复等待一个随机时延然后重发，直到无碰撞通过为止。
轮流协议： 轮询协议（polling protocol），其中一个结点指定为主结点，主节点以循环方式轮询（poll）每个结点。优点避免碰撞和随机时延，缺点引入了轮询时延。 令牌传递协议（token-passing protocol）。一个称为令牌（token）的小点的特殊帧在结点之前以某种固定次序进行交换。当结点需要发送帧时，才会持有该令牌，否则会立刻传递给下一个。优点是效率高，缺点是不能兼容单点故障。
—- 20190713 —-
MAC 地址与硬件设备绑定，不会发生变化。
主机和路由器接口除了 IP 地址还有 MAC 地址的原因是：
- 局域网是为任意网络层协议涉及的，不仅用于 IP 和因特网。
- IP 是变化的，则 IP 地址必须存在 RAM，且在上电时初始化
- 保持各层独立。
ARP（地址解析协议，Address Resolution Protocol），IP 转 MAC 地址的转换协议。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。因为涉及 IP，所以这是一个网络层协议。
如果表中没有对应 IP 地址的记录，则发送一个 ARP 分组（ARP packet）来查询。ARP packet 的目标地址是 MAC 广播地址 FF-FF-FF-FF-FF-FF。子网的所有其他适配器都会收到。如果查询的 IP 地址和自己的 IP 地址匹配，则回复一个相应 ARP packet。
网络层跨网传输时，数据报会首先发送到路由器对应的 MAC 地址，再由路由器转发出去。
以太网是目前为止最流行的有线局域网技术，其他技术还有 FDDI 和 ATM。
以太网一开始在 70 年代是通过同轴电缆总线来互相连接，到了 90 年代后期进化为集线器，使用星行拓扑结构；21 世纪早期进化为交换机（switch）。交换机是“无碰撞的”，是储存转发分组的交换机。
以太网帧结构：
前同步码（8） | 目的地址（6） | 源地址（6） | 类型（2） | 数据（46~1500） | CRC（4）
前同步码用于唤醒适配器，并与发送方时钟同步，是固定的值。前 7 字节 10101010，最后 1 字节 10101011。类型字段用于记录网络层协议。
以太坊是无连接的。
交换机两个功能：过滤（filtering）决定是否要转发这个帧，转发（forwarding）决定帧应该被导向到哪个接口。过滤和转发通过交换机表（switch table）完成。
交换机表内容包含：mac 地址，输出接口，表项建立的时间
当一个帧到达交换机，交换机会查找该帧的目的地址对应的表项。这可能有三种情况：
- 没有对应项，此时向所有接口转发（即广播）该帧，后续处理属于自学习功能。
- 有表项，但输出接口和收到的接口一致。此时丢弃。
- 有表项，且接口不一致。此时转发。
自学习：交换机表一开始可能是空的，但经过一定时间后，交换机可以自行建立出一个可行的交换机表。
交换机可以消除碰撞，兼容不同链路，并且使安全性管理功能称为可能。
交换机和路由器比较：交换机即插即用，性能好，但是是扁平的，单局域网的，不能阻止广播风暴；路由器是分层次的，允许以丰富的拓扑结构构建因特网，但速度慢一些。
虚拟局域网（Virtual Local Network，VLAN）可以提供交换机局域网没有的，流量隔离，不同局域网共享一个交换机，管理用户的功能。