计算机网络 自顶向下 第6章 链路层和局域网（上）读书笔记

最近在二刷《计算机网络——自顶向下》做点笔记，加深印象，书不在手边时也能有个参考。之前的章节会陆续补充。

两种链路层信道：

  • 广播信道：如有线局域网、卫星网、混合光纤同轴电缆（HFC）。需要媒体访问协议来协调帧传输。
  • 点对点通信链路：如长距离链路连接的两台路由器、PC到以太网交换机。

6.1 链路层概述

节点（node）：运行链路层协议的任何设备。如主机、路由器、交换机、Wi-Fi接入点

链路（link）：连接相邻节点的通信信道

6.1.1 链路层提供的服务

  1. 成帧：封装成链路层帧（如以太网帧格式）
  2. 链路接入：主要用于广播信道，媒体访问控制（MAC）协议，用于协调多个节点的帧传输
  3. 可靠交付：通常通过确认和重传实现。对于光线、同轴、双绞线，很少出现比特差错，可靠交付会产生不必要的开销，因此以太网没有提供可靠交付
  4. 差错检测和纠正：运输层有因特网校验和（checksum）；链路层的差错检测更复杂，用硬件实现。以太网采用CRC，能够检测差错，但是不能纠正（直接丢弃）。

6.1.2 链路层在何处实现

链路层主体部分在网络适配器（网络接口卡NIC），其核心是链路层控制器。

大部分链路层服务在硬件（链路层控制器）中实现：

  • 成帧：从内存中接收IP数据报
  • 链路接入
  • 差错检测

部分链路层在软件中实现：

  • 组装寻址信息、激活控制器硬件
  • 响应控制器中断、向上传递给网络层等

链路层是软硬件结合体， 是协议栈中软件与硬件交接的地方。

6.2 差错检测和纠正技术

通常，要保护网络层数据报以及链路层帧首部。即使采用了差错检测比特，还是可能有未检出比特出差。

三种技术：

  • 奇偶校验
  • 检验和（checksum）：运输层
  • 循环冗余检测（CRC）：适配器链路层

6.2.1 奇偶校验

  • 偶校验：数据+校验比特共偶数个1

  • 奇校验：数据+校验比特共奇数个1

实际上差错经常以“突发”的方式聚集在一起，一旦出错通常会有多个比特一起出错。单比特奇偶检验保护的一帧中未检出差错概率达50%。

二维奇偶检验

可以检测并纠正单个比特差错（包括校验比特本身）

  • 能够检测但不能纠正两个比特差错

6.2.2 检验和方法

d比特数据，按 k 比特划分为一个个整数，把这些整数加起来。

因特网检验和将数据按16bit整数对待，求和，取反码（每一位取反）。接收方对接收到的数据（包括检验和）求和取反，检测是否全1。

TCP和UDP对所有字段包括首部和数据字段都计算因特网检验和。

  • 运输层软件实现，简单快速
  • 链路层在适配器中用专用硬件实现，能快速执行复杂的CRC

6.2.3 循环冗余检测 CRC

也称为多项式编码，将发送比特串看成是系数是0和1的多项式。每个CRC标准都能检测

  • 任何小于r+1比特的突发差错
  • 任何奇数个比特差错
  • 长度大于 r+1 的比特突发差错以概率 1-0.5^r 被检测到

6.3 多路访问链路和协议

点对点链路：

  • PPP：Point-to-Point Protocol
  • HDLC：High-level Data Link Control

广播链路：

  • 以太网
  • 无线局域网

多路访问信道：

  • 有线共享（如电缆接入网）
  • 无线共享（如Wi-Fi）
  • 卫星

多路访问协议：规范共享广播信道上的传输行为，协调活跃节点的传输

  • 信道划分协议
  • 随机接入协议
  • 轮流协议

理想情况下，对于速率为 R bps的广播信道：

  1. 单节点发送，具有R bps吞吐量
  2. M个节点发送，每个节点平均吞吐量 R/M bps
  3. 协议分散，无单点故障
  4. 协议简单，实现成本低

6.3.1 信道划分协议

  • 时分多路复用 TDM
  • 频分多路复用 FDM
  • 码分多址 CDMA（Code Division Multiple Access）

TDM将时间划分为时间帧，每个时间帧 time frame 分为N个时隙 slot。TDM 消除了碰撞、公平。但单节点只能利用 R/N 带宽，即使只有一个发送节点。且节点必须等待轮次。

FDM 优缺点同 TDM：消除碰撞，单节点最大 R/N 带宽。

CDMA 对每个节点分配不同的编码，同时传输，不在乎其他节点干扰。CDMA编码类似于 TDM的时隙和FDM的频率。军用到民用蜂窝电话。

6.3.2 随机接入协议

节点总是以全部速率 R 发送。碰撞时，等待随机时延，反复重发，直到无碰撞通过。

以太网是CSMA协议。

1. 时隙 ALOHA

  • 所有帧长L比特
  • 时隙：传一帧所用的时间
  • 节点只在时隙起点开始传输帧
  • 节点是同步的，每个节点知道时隙何时开始
  • 如果碰撞，所有节点在时隙结束前检测到碰撞
  • 发送节点等待时隙开始，传输帧
  • 如果没碰撞，成功传输，无需重传
  • 如果碰撞，以概率p在后续时隙中重传

最大效率： 一个节点成功传输的概率 p*(1-p)^(N-1)

N个节点活跃节点，时隙 ALOHA的效率是 Np*(1-p)^(N-1)

当 N趋向于∞，最大效率 37%。另外37%空闲，另外26%碰撞。

2. ALOHA

非时隙、完全分散。收到网络层数据报，立即发送，如果碰撞，发完之后立即以概率p重传。

ALOHA 最大效率是时隙ALOHA的一半。

3. 载波侦听多路访问 CSMA

  • 载波侦听：节点发送前先听信道，如果有其他节点正在发送，则等待一段时间没有传输后再开始发送。

  • 碰撞检测：检测到碰撞，立即停止传输。

这两个规则包含在CSMA和CSMA/CD中。

为什么有载波侦听还会碰撞？因为传播时延。A节点发送数据，但传播到B节点需要一段时间，这时B节点也开始发送。传播时延越长，碰撞机会越大。

4. 具有碰撞检测的载波侦听多路访问 CSMA/CD

CSMA没有碰撞检测，即使碰撞也会继续发送完。

CSMA/CD 检测到碰撞立即停止传输。

  1. 适配器从网络层获取数据报，准备链路层帧，放入帧适配器缓存中
  2. 如果适配器侦测到信道空闲，开始传输；如果信道正忙，等待
  3. 传输过程中监听信道其他适配器的信号能量
  4. 如果传完整帧每检测到其他适配器信号能量，传输完成；如果检测到碰撞，终止传输
  5. 终止传输后，等待随机时间量，返回步骤 2

随机时间量的选取：以太网和DOCSIS使用二进制指数后退算法。一个帧经历n次碰撞后，随机从 {0…2^n – 1} 中选择K。对于以太网，等待的时间是发送512比特所需时间的K倍。

5. CSMA/CD 效率

定义：大量活跃节点，大量帧要发送

传输时间指传是一个最大长度以太网帧的时间，对于10M以太网，约为1.2ms。

效率=1/(1+5*传播时延/传输时间)

  • 传播时延接近0时，效率趋近1
  • 传输时间变大时，效率也趋近1（占用信道时间长）

6.3.3 轮流协议

6.3 节中对于速率为 R bps的广播信道的理想特性：

  1. 单节点发送，具有R bps吞吐量
  2. M个节点发送，每个节点平均吞吐量 R/M bps

随机接入的 ALOHA 和 CSMA 具备第1个特性，但不具备第2个特性。轮流协议可以满足第2个特性。

两种重要的轮流协议：

  • 轮询协议：有一个主节点，依次告知每个节点能够传输帧的最多数量，通过观察信道是否空闲判断节点是否发送完成。消除了碰撞和空时隙，但引入了轮询时延——依次询问每个非活跃节点。如果主节点故障，整个信道不可用！例子：802.15和蓝牙协议。
  • 令牌传递协议（token）：没有主节点。小的令牌帧，以固定次序在节点之间交换。节点收到令牌，若有帧传输，则发送最大数目的帧数，然后把令牌发给下个节点；否则直接把令牌转发给下个节点。如果节点故障（如忘记释放令牌），可能使整个信道崩溃。

6.3.4 DOCSIS：用于电缆因特网的链路层协议

电缆接入网用到了信道划分协议、随机接入协议和轮流协议。

  • CMTS：Cable Modem Termination System，电缆调制解调器端接系统

  • DOCSIS：Data Over Cable Service Interface，CMTS：数据经电缆服务接口

DOCSIS 使用 FDM 将下行（CMTS到Modem）和上行（Modem到CMTS）划分为多个频率信道。每个上下行均为广播信道。下行只有CMTS发送，没有多路访问问题；上行可能出现碰撞。每个上行信道划分为时间间隔（类TDM），CMTS在下行信道通过MAP控制报文显式准许各个Modem在特定微时隙进行传输。

为了通知CMTS有数据发送，Modem在微时隙的特定间隔内向CMTS发送请求帧。请求帧以随机接入方式传输，不能帧听信道是否空闲，也没有碰撞检测，如果没有在下一个下行控制报文收到响应，则以二进制指数回退延缓重发。

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