计算机网络学习笔记-链路层

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记录计算机网络学习历程

前言

正在学习计算机网络这门课程，顺便做个笔记，记录一下知识点。

参考资料：

中科大郑烇老师全套《计算机网络（自顶向下方法 第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》课程：https://www.bilibili.com/video/BV1JV411t7ow?p=1

《计算机网络（自顶向下方法 第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》

第六章：链路层

网络层解决了分组如何从一个网络到达另一个网络的路由问题（以子网为单位），但是分组如何在子网内部的相邻节点之间传输，链路层解决了这个问题。

网络节点的连接方式：

  • 点到点连接

    一般用于广域网（距离远）。举例：海底电缆将中国与其他国家的路由节点连接在一起。

    点到点链路的链路层服务实现非常简单，封装和解封装

  • 多点连接

    一般用于局域网（距离近）。举例：在局域网中通过交换机将不同的多个节点连接起来。

    那么这就会产生一个问题，如果多方同时发送分组，就会产生碰撞（存在多点接入的问题）。后续我们会详细讨论。

导论

在开始前先规范一些术语：

术语 解释
nodes（节点） 主机、路由器、网桥和交换机都是节点
links（链路） 沿着通信路径,连接相邻节点通信信道的是链路（包括：有线链路、无线链路、局域网（共享性链路））
frame（帧） 链路层的数据单元（PDU）

链路层负责从一个节点通过链路将（帧中的）数据报发送到相邻的物理节点。

下面我们举一个比较贴切的例子来分析分组在链路层的传输过程：

假设博主要从普林斯顿到洛桑，其中具体的路程规划如下：

  1. 先坐轿车到肯尼迪国际机场
  2. 再乘坐飞机飞往日内瓦
  3. 最后乘火车到洛桑

其中：

  • 博主本人 = 数据报/分组
  • 交通段 = 通信链路（communication link）
  • 交通模式 = 链路层协议（protocol）
  • 票务代理 = 路由算法（routing algorithm）
  • 数据报/分组在不同的链路上以不同的链路协议传送
  • 不同的链路协议提供不同的服务

链路层提供的服务

  • 成帧，链路接入：

    • 将数据报封装在帧中，加上帧头、帧尾部
    • 如果采用的是共享性介质，信道接入获得信道访问权
    • 在帧头部使用“MAC”（物理）地址来标示源和目的（注意：不同于IP地址）

  • 在相邻两个节点（一个网络内）完成可靠数据传递

    • 在低出错率的链路上（光纤和双绞线电缆）很少使用

    • 在无线链路经常使用：出错率高

      注意：链路层也可以实现一定的可靠性

      在无线链路的网络上，出错率高，如果在链路层不做差错控制工作，漏出去的错误比较高；到了上层如果需要可靠控制的数据传输代价会很大

      • 一般化的链路层服务，不是所有的链路层都提供这些服务
      • 一个特定的链路层只是提供其中一部分的服务

  • 流量控制

    使得相邻的发送和接收方节点的速度匹配

  • 错误检测

    • 差错由信号衰减和噪声引起
    • 当接收方检测出错误时，通知发送端进行重传或丢弃帧

  • 差错纠正

    接收端检查和纠正bit错误，不通过重传来纠正错误

  • 半双工和全双工

    • 半双工：链路可以双向传输，但一次只有一个方向
    • 全双工：两个方向可以同时收发

链路层的实现位置

  • 在每一个主机上

    • 包括路由器
    • 交换机的每个端口

  • 链路层功能在“适配器”上实现（aka network interface card NIC)）或者在一个芯片组上

    • 以太网卡，802.11 网卡; 以太网芯片组

    • 实现链路层和相应的物理层功能

      适配器通信

      • 发送方
        • 在帧中封装数据报
        • 借助于物理层，把每个bit发送出去
        • 加上差错控制编码，实现rdt（也可能不实现）和流量控制功能等
      • 接收方
        • 把物理信号还原为数字信号，还原帧头、帧尾
        • 检查有无出错，执行rdt和流量控制功能等
        • 解封装数据报，将至交给上层

  • 接到主机的系统总线上

  • 硬件、软件和固件的综合体

差错检测和纠正

错误检测

说明：

  • EDC：差错检测和纠正位（冗余位）
  • D：数据由差错检测保护，可以包含头部字段

在数据传输的过程中数据有可能发生错误，这时接收方会检查EDC’以及D’是否符合约定的差错控制编码关系，如果不符合关系，那么数据一定出错。

此外，还存在一种情况，即EDC’以及D’都出错，且恰好又通过校验，这种情况被称为残存错误。

  • 错误检测不是100%可靠的
  • 编码越长，残存错误越低。（更长的EDC字段可以得到更好的检测和纠正效果）

奇偶校验

  • 单bit奇偶校验

    • 检测单个bit级错误（容易理解）

  • 二维奇偶校验

    • 检测和纠正单个bit错误
    • 不仅可以检测出错误，还可以检测出错误的位置
    • 无法检测出对偶错误

Checksum（校验和）

目标: 检测在传输报文段时的错误（如位翻转），（仅仅用在传输层）

具体可以看传输层章节，这里不再赘述

CRC（循环冗余校验）

  • 强大的差错检测码

  • （直接放一个过程，具体怎么操作自行搜索）

    D：数据bit

    G：生成多项式：双方协商r+1位模式（r次方）

    目标：求R

  • CRC性能分析

    • 能够检查出所有的1bit错误
    • 能够检查出所有的双bit错误
    • 能够检查出所有长度小于等于r位的错误
    • 出现长度为 r+1的突发错误，检查不出的概率是1/2r-1
    • 出现长度大于r+1的突发错误，检查不出的概率是1/2r

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