详解网络链路层协议(上)

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我是靠谱客的博主忧伤机器猫，最近开发中收集的这篇文章主要介绍详解网络链路层协议(上)，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

一、链路层提供的服务

成帧

链路层协议将上层数据用链路层帧封装起来，一个帧由一个数据字段(网络层数据报)和若干首部字段组成
链路接入

媒体访问控制(Medium Access Control，MAC)协议规定了帧在链路上传输的规则。在点对点链路中，MAC协议比较简单，但在多个节点共享单个广播链路时，即多路访问问题，MAC协议用于协调多个节点的帧传输
可靠交付

当链路层提供可靠的交付服务时，保证无差错的经过链路层移动每个网络层数据报。一般对于低比特差错的链路(有线介质)，其出错率很低，没必要浪费性能来做可靠交付保证；而对于高比特差错的链路(无线介质)，出错率比较高，则需要有链路层提供可靠的数据传输
差错检测和纠正

检验发送的数据是否发生了比特翻转，由0变成1，或者由1变成0

链路层的实现是在路由器的线路卡中，主机中链路层的主要部分是在网络适配器(Network adaptor，网卡)中实现，其核心是链路层控制器，该控制器是一个硬件芯片。部分链路层是在软件中实现，比如组装链路层寻址信息和激活控制器硬件

二、差错校验和纠正技术

奇偶校验、检验和方法、循环冗余检测

循环冗余校验：

发送方和接收方约定一个多项式G(类似x^3+x2+1，也可表示为1101)，在发送方，将发送数据比特D(d比特)左移4位(G的最高项+1)，低四位用R(r比特)表示。接收方用G去除以接收到的d+r比特，如果余数为非零，则接收方知道出现了错误。

关于发送方中R的计算：

D2^r(D左移r位) XOR(异或) R = nG (两边同时异或R)

三、多路访问链路和协议

有两种类型的网络链路：点对点链路(由链路一端的单个发送方和另一端的单个接收方组成)、广播链路(多个发送方和接收方连接到相同的、单一的、共享的广播链路)

广播链路中由多路访问协议(Multiple access protocol)控制发送和接收

帧碰撞：多个节点同时传输帧，所有节点同时接到多个帧

碰撞发生时，没有任何一个节点可以正确接收传输的帧，碰撞时间间隔中的广播信道被浪费

多路访问协议被划分为3种类型：

信道划分协议(channel partitioning protocol)、随机接入协议(random access protocol)和轮询协议(taking-turns protocol)

对于速率为R bps的广播信道，多路访问协议应该具有以下特性：

当仅有一个节点发送数据时，该节点具有R bps的吞吐量
当有M个节点发送数据时，每个节点吞吐量为R/M bps。不要求每个节点总是有瞬时R/M bps的瞬时速率，保证时间间隔内的平均速率为R/M bps。
协议分散，不会因为某个主节点故障而使整个系统奔溃
协议简单，使用不昂贵

信道划分协议

信道划分协议分为时分多路复用(TDM)、频分多路复用(FDM)和码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)

时分多路复用

TDM将时间划分为时间帧(发送一帧需要的时间)，并进一步将时间帧划分为N个时隙或时槽(time slot)，然后将每个时隙分给N个节点中的某一个，这样在时间帧内每个节点都可以占用R/N的传输速率，非常公平

缺点：如果只有一个节点需要发送数据，它也需要等到属于自己的时隙时才能发送，效率很低。
频分多路复用

FDM将R bps信道划分为多个不同的频段(每个频段享有R/N 宽带)，并把每个频带分配给N个节点中的一个。

FDM具有和TDM一样的优点和缺点，可以有效避免碰撞，但当只有一个节点或少量节点发送分组时，效率很低。
码分多路复用

CMDA为每个节点分配不同的编码，然后发送方通过各自唯一的编码对数据进行编码，这样不同的节点能够同时传输，接收方也可以正确接收发送方发送的数据比特(接收方知道发送方的编码)

随机接入协议

ALOHA
- 时隙ALOHA
  特性：
  - 所有帧由L比特组成
  - 时间被划分为L/R 秒的时许(一个时隙等于传输一帧的时间)
  - 每个节点只在时隙开始传输帧
  - 时隙在每个节点是同步的，都知道时隙何时开始
  - 如果在同一个时隙，多个帧碰撞，则所有节点在该时隙结束之前检测到该碰撞事件
  时隙ALOHA工作流程：
  节点发送分组，如果没有碰撞发生则发送成功，如果发生碰撞，在下一个时隙，每个碰撞的节点抛硬币决定，有p的概率重发，(1-p)的概率不重发，如果该节点在当前时隙没有重发分组，则在下一个时隙继续判断，直到可以无碰撞正确发送。
  
  时隙ALOHA优缺点：当需要发送分组的节点比较少时，发生碰撞的概率比较低，效率比较高，当发送分组的节点比较多时，碰撞概率高，很多时隙将被浪费掉，效率变低
  
  时隙ALOHA平均的最大效率=37%
- 纯ALOHA
  
  纯ALOHA不需要在每个时隙开始时才发送分组，什么时候有数据需要发送就什么发送，这样导致了碰撞的概率增加，成功发送的效率更低
  
  i节点数据帧的尾部和j节点帧的头部碰撞
  
  纯ALOHA平均最大效率=17.5%

载波监听多路访问(CSMA)

载波监听多路访问(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)

载波监听：节点在传输前先监听信道，如果来自另一个节点的帧正向信道上发送，节点则等待直到检测到一小段时间没有传输，然后开始传输。

碰撞检测：当一个传输节点在传输时一直监听此信道，如果检测到另一个节点正在传输干扰帧，它就停止传输，重复"侦听-当空闲时传输"循环之前等待一段随机时间。

具有碰撞检测的载波侦听多路访问协议(CSMA/CD)

CSMA/CD主要用于有线局域网(以太网)

工作流程：
- 链路层数据帧存放在适配器缓存中，适配器侦听信道空闲(无a信号能量从信道进入适配器)，如果侦听到空闲则直接发送数据帧；如果信道正在忙，则继续等待
- 发送过程中，该适配器侦听共用同一信道的其他适配器发送的信号能量，侦听是否有碰撞
- 如果侦听到发生了碰撞，则直接中止传输，中止传输后，等待一个随机的时间量，然后继续侦听信道，重复第一步
等待时间量的选择(二进制指数后退算法)：

当传输节点发生了n(n能够取得最大值在10以内)次碰撞后，从{0……2^n-1}中选取一个指K，实际时间等待量=K*512比特时间(即发送512比特进入以太网所需时间量的K倍)
具有碰撞避免的载波侦听多路访问协议(CSMA/CA)

CSMA/CA主要用于无线局域网(WLAN)，于CSMA/CD的主要区别在于不进行碰撞检测，只进行共享信道的监听和碰撞避免；

WLAN构成：基站(AP)、无线链路、移动主机节点

由于WLAN采用电磁波的作为信号传输的介质，有信号强度递减、其他信号干扰、多径传播等问题使得其传输比特错误率增高，需要在链路层的发送端对其进行可靠性保证(ack响应)

CSMA/CA不进行碰撞检测的原因：隐藏终端问题

隐藏终端问题：由于地理位置的因素，无线信号强度的衰减，使得发送双方无法侦听到对方的传输，但它们又都可以把数据发送到接收方，在接收方发生了碰撞。

解决办法(冲突避免)：发送方通过短请求发送(RTS)控制帧和短允许发送(CTS)控制帧来预约对信道的访问。在进行数据帧传输前，先告诉接收方需要传输数据和响应ACK的总时间H，然后接收方将CTS控制帧广播给所有的发送方，当其他发送方接收到来自接收方的CTS控制帧时，在CTS帧中指明的时间内将抑制发送

传输流程：
- 侦听到信道空闲时并不立即发送，而是等待一小段时间，如果仍然是空闲的，则可以开始发送，如果不是空闲，则继续等待
- 接收方准备接收到发送方的数据时，需要给发送方一个ack的响应确认，如果发送方在规定时间内没有收到ack响应消息，则认为刚才发送的数据帧失败了，进行重发

轮流协议

当只有一个节点活跃时，该节点具有R bps的吞吐量，当有M个节点活跃时，每个活跃节点的吞吐量接近R/M bps。

轮询协议

在所有发送节点中，其中一个被当作主节点，主节点以循环的方式轮询每个节点，依次告诉每个节点可以发送帧的最多数量M，当该节点有数据帧传输时，发送M个帧后，主节点在告诉下一个节点可以发送帧的数据量，如果有需要发送的数据帧就发送，如果没有，主节点再告诉下一个节点。

缺点：如果主节点挂了，则整个系统都将崩盘
令牌传递协议

所有发送方节点连接成一个圆圈，一个称为令牌的特殊帧在节点之间流转，令牌从节点1、节点2……节点N、节点1依次流转，如果节点1需要发送数据，则它持有令牌，发送完最大数量的帧后，将令牌发送给下一个节点，依次类推