计算机网络复习-链路层/以太网
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链路层
概述
链路层，这个节点到下个节点的服务。
可能提供的服务：成帧、链路接入、可靠交付、流量控制、差错检测、差错纠正，半双工全双工。
链路层在网卡（网络接口卡，又称网络适配器）实现，其功能是由硬件+软件实现的。
差错纠正
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奇偶校验
一段信息中附加一个bit，使得这段信息的bit位为1的数量是奇数（偶数），就成为奇（偶）校验。
对于偶数个差错，奇偶校验就不能检测出来了，因此可靠性不高。
除了一维的，还有二维的奇偶校验，可以纠正单个bit的差错。 -
检验和校验
校验和是将数据按固定bit数划分，然后逐个全部相加，相加时最高位进位要被回卷（如101+100 = 010，最高位的进位加到结果中），然后结果取反码，就是校验和。接收方将所有的固定位相加，包括检验和一起，如果没有差错，显然得到的结果为全1。
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循环冗余检测CRC
应用的最广泛的差错检测技术，又称多项式编码。CRC的数学公式是
\[D·2^r xor R = nG \]D表示被发送的数据，R是一个CRC比特，r表示R的位数，xor是按位异或。收发双发约定一个r+1比特模式，称为生成多项式G。
R是附加到D的用于检验的信息，关键是计算R，可以通过D·2^r对G进行模2运算得到。
G是由标准设定的，不同的协议中选不同位数的G。每个CRC标准都能检测小于r+1个比特的突发错误，也能检测任何多个奇数比特的差错。
多路访问协议
广播链路中，协调多个节点对一个共享链路的访问。就是要避免一个人发言的时候其他人要安静。
三类：
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信道划分协议
即多路复用，时分多路复用TDM和频分多路复用FDM在此应用。但是效率太低很少应用。还有一种码分多址CDMA技术，合适的编码可以使得所有节点同时传输而不受影响，在军用系统和民用蜂窝电话中有广泛应用。
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随机接入协议
这种协议，所有的节点都认为它是唯一在使用信道的节点，全力输出。但是实际可能产生碰撞，节点检测到碰撞后等待一个随机延时重发分组。介绍两种最常见的随机接入协议：
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时隙ALOHA
假设：所有帧都是L比特，每个时隙刚好能发一帧。所有节点都是同步的，时间被分块。发生碰撞后该时隙内所有节点获知碰撞事件。
发生碰撞后，发送失败的节点在之后的时隙以p的概率重发帧，每个节点什么时候重发是独立的。
但这种模式，效率很低。计算得最大效率为0.37，当多个节点传输帧时，有37%时隙成功发送，37%时隙空闲未被使用，26%发生碰撞。 -
ALOHA
纯aloha不需要节点同步，从上层收到帧后立刻发出，发送碰撞后，等待一个帧传输时间后以概率p传输。省了节点同步的麻烦，但是效率更低，只有时隙aloha的一半。
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CSMA
CSMA称为载波侦听多路访问协议。节点一直监听信道有没有发生冲突，由于信号传输需要一定时间，所以人有可能产生冲突。
如下图，B先发送，C过一会也发送，C很快就发现冲突，B过一会也发现冲突。
CSMA又分为不带碰撞检测的CSMA和带碰撞检测的CSMA/CD(collision detection).上图是普通CSMA，发生碰撞后仍在发送数据。
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轮流协议
使得链路利用率更高，减少冲突。
- 轮询协议：某个节点作为主节点，由主节点通知其他节点传输
- 令牌传递协议：通过依次传递的令牌进行轮流传输
第二代局域网技术（已过时）就采用令牌传递协议。
链路层编址
链路层还有一个Mac地址，如链路层一样，Mac地址是网卡的地址。世界上的网卡都有唯一的地址。Mac地址又称LAN地址或物理地址。长度为6字节，48位。通常用每16位的16进制表示，中间用-隔开。
Mac地址，为什么还需要mac地址，ip地址相当于邮政编码，搬家后是会变的，mac地址相当于身份证号，永远唯一不变。
主要原因：保持各层独立，链路层可能用于其他协议，而不是仅仅在互联网。
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ARP地址解析协议
帧发出时，还需要知道它的目的Mac地址，通过ARP协议获得。
ARP是在一个子网内的协议，只能查询一个子网内的Mac地址，这也很容易理解，链路层就是节点到节点的服务，不会跨越网络。
每个节点都有一个ARP表，记录ip-mac对应关系，每条记录一个TTL(通常是20分钟)就会被删除。当ARP表中没有记录时，发送方通过局域网内广播ARP分组，子网中的路由器或主机都收到并对比ip地址，正确的节点直接返回给广播的节点，源节点更新子集的ARP表，这样就获得了Mac地址。
以太网
以太网是一种局域网技术，现在的局域网普遍采用以太网，其他技术如令牌环、FDDI、ATM逐渐被淘汰。
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以太网帧
data部分是封装来自网络层的数据。可封装数据最大1500字节，超了就要分段，最小46字节，小了就会填充到46字节。
Preamble是8字节的前同步码，用于唤醒接受网卡(适配器)，并实现时钟同步。接着是目的和源Mac地址。还有2字节的Type类型字段，以太网可以复用多种上层(网络层)协议，可以是ip层也可是其他的协议，类型字段用来标记上层协议类型，以便接收端多路分解。最后有4字节的CRC校验码。
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曼彻斯特编码
又叫同步码，每一个时钟周期都会产生一次跳变，可以用来同步时钟。以太网就采用这种编码方式。
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CSMA/CD
以太网的多路访问协议采用CSMA/CD避免冲突的载波监听协议。当有信号时不会传输，产生冲突后立刻停止传输。
监听是通过适配器侦听线路上的电压实现的。
传输过程是这样的：
- 适配器从网络层获得一个数据，封装成帧，并放入适配器缓存区；
- 监听信道，在在96bit时间内一直空闲，则认为信道闲，开始发送帧
- 发送时也监听，一旦检测到其他适配器的信号能量，停止发送，并发送一个48bit的阻塞信号；（为什么要发48bit阻塞信号？因为可能从发送到检测到冲突的时间很短，才发送了几个bit信号，这样信号很弱，其他的适配器不能检测到）
- 发送完阻塞信号后，进入一个指数后退。假设传输的帧是第n次碰撞，则从{0,1,2,...,2^m-1}中选一个值为K，其中m=min(n,10)，然后等待K*512个bit时间后再重复第2步。没多一次碰撞，等待的时间将可能呈指数上升，所以称为指数后退算法。
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以太网技术
以太网是由Metcalfe发明的，早期以太网是总线拓扑结构。如下图：
然后是基于集线器的星型拓扑结构：
上面两种都是需要MAC协议，因为信号都是广播的。而以太网发展到现在，成了基于交换机的星型拓扑，交换机会将信号发送到它应该去的接口，而不是广播了，CSMA在以太网失去了地位。
技术不断进步，很多东西都在改变，以太网中唯一不变的就是它的帧格式了。
交换机
交换机对节点是透明的。
交换机维护一个交换机表，是目的Mac地址和输出端口的对应，当某个端口传来帧，查表就知道往哪个端口输出。如果表中没有记录，则广播该帧。表中的记录有生存时间（术语叫老化期）。
交换机是自学习的，初始时交换表为空，没收到一个端口传来的帧，就能获取到源Mac地址，这样就能在表中添加一项。所以交换机不需要管理员干预，是即插即用的设备。
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特点
- 消除了碰撞
交换机和节点之间是双工的，且交换机不会再同一链路上同时传输多个帧，保证了没有碰撞。 - 连接异质链路
交换机将链路进行了隔离，所以可以连接异质的链路。 - 拓扑结构限定为一颗生成树
为了防止形成交换回路，防止广播帧的循环，采用生成树的拓扑结构。即不会成环，如果实际物理连接成环，在传输时某些链路会被阻塞，以断开环。（这个又叫STP生成树协议）
- 消除了碰撞
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对比路由器
工作层次不同：链路层；网络层。
转发依据的地址不同；Mac地址；ip地址。
功能不同：交换机一般用于小的网络，组建局域网；路由器用于局域网之间的互连。
PPP点对点协议
同上述的以太网协议一样，PPP协议也是一种链路层协议，不过节点和节点之间通过一段“直接”的物理链路相连。直接之所以引号，是因为PPP从链路层的角度看，将节点两端的连接看成简单的一根线路连接，而实际可能中间经过了不同的链路，甚至有交换机。所以这是一种抽象，PPP对底层实现是视而不见的。
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帧结构
由于是物理直连，不牵涉交换，所以地址其实是不必要的，PPP协议中也是设为全1，此外控制字段也是固定的值。协议规范觉得以后可能会用到，并没有将这两个字段删除，但是允许传输时省略它们以节省资源。
