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Chapter 6

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CH 6

一、链路层概述

1. 链路层的功能【详细解释】

链路层（Data Link Layer） 位于网络层之下、物理层之上，主要功能包括：

  1. 成帧（Framing）

    • 将网络层交下来的 IP 数据报封装成 帧（Frame）；
    • 添加帧头和帧尾，标识帧的边界。

  2. 链路接入（Link Access）

    • 控制帧在链路上的传输；
    • 在共享介质中，通过 MAC 协议 协调多个节点的访问。

  3. 可靠交付（Reliable Delivery）

    • 在某些链路（如无线链路）上提供可靠传输；
    • 通过确认和重传机制保证帧的正确送达。

  4. 差错检测与纠正

    • 检测传输过程中产生的比特错误；
    • 使用校验和、CRC 等技术。

2. 链路层的数据单元【定义】

链路层的协议数据单元称为 帧（Frame）。

帧的基本结构：

| 帧头（Header） | 数据（网络层数据报） | 帧尾（Trailer） |
  • 帧头：包含源/目的 MAC 地址、类型字段等；
  • 帧尾：包含差错检测码（如 CRC）。

3. 链路层服务【详细解释】

链路层向网络层提供的服务：

  1. 无确认的无连接服务

    • 发送帧后不等待确认；
    • 适用于误码率低的可靠链路（如光纤）。

  2. 有确认的无连接服务

    • 每帧发送后需要确认；
    • 适用于误码率较高的链路（如无线链路）。

  3. 有确认的面向连接服务

    • 先建立连接，再传输帧，最后释放连接；
    • 提供流量控制和差错控制。

4. 链路层的实现位置【详细解释】

  • 链路层功能主要在 网络适配器（网卡，NIC） 中实现；
  • 网卡包含：
    • 链路层控制器：实现成帧、MAC 协议、差错检测等；
    • 物理层接口：与传输介质相连。
  • 软件部分（如驱动程序）运行在主机 CPU 上，负责与操作系统交互。

二、差错检测和纠正技术

1. 奇偶校验【详细解释】

奇偶校验（Parity Check）：在数据位后附加一个 校验位，使得数据中 1 的个数满足奇偶性要求。

① 一维奇偶校验

  • 偶校验：使整个数据（含校验位）中 1 的个数为偶数。
  • 奇校验：使整个数据中 1 的个数为奇数。
  • 只能检测 奇数个比特错误，无法纠错。

② 二维奇偶校验

  • 将数据排列成矩阵，对每行和每列都计算校验位；
  • 可以 检测并定位 单比特错误，能够纠正。

2. 检验和（Checksum）【详细解释】

  • 将数据看作一系列 16 位整数，求和后取反码作为校验和；
  • Internet 校验和：用于 IP、TCP、UDP 首部校验。
  • 计算简单，但检错能力不如 CRC。

3. 循环冗余检测（CRC）【详细解释】

CRC（Cyclic Redundancy Check）：基于多项式除法的差错检测技术，广泛用于链路层。

基本原理：

  1. 发送方和接收方约定一个 生成多项式 G(x)，对应一个 (r+1) 位的二进制数；
  2. 发送方将数据 D 左移 r 位后，除以 G，得到 r 位余数 R（即 CRC 校验码）；
  3. 发送数据后附加 CRC 码；
  4. 接收方用收到的帧除以 G，若余数为 0 则无错。

CRC 计算步骤：

  1. 设数据 D，生成多项式 G 的位数为 (r+1)；
  2. 在 D 后附加 r 个 0；
  3. 用模 2 除法（异或运算）计算余数；
  4. 余数 R 即为 CRC 校验码，附加在数据后发送。

特点：

  • 能检测所有奇数个错误、所有双比特错误；
  • 能检测所有长度小于等于 r 的突发错误；
  • 检错能力强，硬件实现简单，广泛应用于以太网、WiFi 等。

三、多路访问链路和协议

1. 多路访问的含义【定义】

多路访问（Multiple Access）：多个节点共享同一条广播信道进行通信。

  • 问题：多个节点同时发送会产生 冲突（碰撞），导致帧损坏。
  • 需要 多路访问控制协议（MAC 协议） 来协调各节点的发送。

2. 多路访问控制协议类型（3 类）【详细解释】

① 信道划分协议（Channel Partitioning）

将信道资源按某种方式划分给各节点，避免冲突：

  • TDMA（时分多址）：将时间划分为时隙，每个节点分配固定时隙；
  • FDMA（频分多址）：将频带划分为子频带，每个节点占用一个子频带；
  • CDMA（码分多址）：每个节点使用不同的编码，可同时发送。

特点：无冲突，但信道利用率可能不高（节点少时浪费资源）。

② 随机访问协议（Random Access）

节点随机发送，发生冲突后采取措施重传：

  • ALOHA、时隙 ALOHA
  • CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA

特点：实现简单，轻负载时效率高，重负载时冲突多。

③ 轮流协议（Taking-Turns）

节点轮流获得发送机会：

  • 轮询协议（Polling）：主节点轮询各从节点；
  • 令牌传递协议（Token Passing）：持有令牌的节点才能发送。

特点：无冲突，适合节点数固定的环境。

3. ALOHA 协议【详细解释】

① 纯 ALOHA

  • 节点有数据就立即发送；
  • 若发生冲突，等待随机时间后重传；

② 时隙 ALOHA（Slotted ALOHA）

  • 将时间划分为等长时隙，节点只能在时隙开始时发送；
  • 减少了冲突的易损期；

4. CSMA 协议【详细解释】

CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波监听多路访问）：发送前先监听信道。

  • 1-坚持 CSMA：信道空闲立即发送，忙则持续监听；
  • 非坚持 CSMA：信道忙则等待随机时间后再监听；
  • p-坚持 CSMA：信道空闲时以概率 p 发送。

问题：由于 传播时延，仍可能发生冲突。

5. CSMA/CD 的工作原理【详细解释】

CSMA/CD（CSMA with Collision Detection，带冲突检测的 CSMA）：用于 有线局域网（以太网）。

工作流程：

  1. 先听后发：发送前监听信道是否空闲；
  2. 边发边听：发送过程中继续监测冲突；
  3. 冲突检测：若检测到冲突，立即停止发送；
  4. 发送干扰信号：发送 JAM 信号，通知所有节点；
  5. 二进制指数退避：等待随机时间后重传。

二进制指数退避算法：

  • 第 n 次冲突后，从 {0, 1, 2, …, 2^n - 1} 中随机选择 k；
  • 等待 k 倍争用期后重传；
  • n 超过一定次数（如 16 次）后放弃发送。

6. 轮流协议【详细解释】

① 轮询协议（Polling）

  • 存在一个 主节点，轮流询问各从节点是否有数据发送；
  • 优点：无冲突；
  • 缺点：轮询开销、主节点单点故障。

② 令牌传递协议（Token Passing）

  • 节点组成环形结构，令牌 在环中循环传递；
  • 只有持有令牌的节点才能发送数据；
  • 优点：无冲突，适合实时应用；
  • 缺点：令牌丢失或节点故障需要恢复机制。

四、局域网

1. 局域网的定义和特点【详细解释】

局域网（LAN，Local Area Network）：覆盖 较小地理范围（如一栋建筑、一个校园）的计算机网络。

特点：

  • 范围有限：通常在几百米到几公里内；
  • 高速率：通常 100 Mbps ~ 10 Gbps；
  • 低延迟：传播距离短；
  • 私有性：通常由单一组织拥有和管理；
  • 广播特性：所有节点共享同一广播域。

2. 局域网体系结构【详细解释】

局域网的链路层分为两个子层：

  1. 逻辑链路控制子层（LLC） Logic Link Control

    • 提供与上层的接口；
    • 实现流量控制、差错控制。

  2. 媒体访问控制子层（MAC） Medium Access Control

    • 控制对共享介质的访问；
    • 实现帧的封装、地址识别、差错检测。

3. 局域网地址（MAC 地址）【详细解释】

MAC 地址（Media Access Control Address）：也称 物理地址、硬件地址、LAN 地址。

表示方式：

  • 长度：48 位（6 字节）；
  • 表示：用十六进制，如 1A-2B-3C-4D-5E-6F；
  • 前 24 位：厂商标识（OUI），由 IEEE 分配；
  • 后 24 位：设备标识，由厂商分配。

作用：

  • 在 链路层 唯一标识一个网络接口；
  • 用于 同一局域网内 的帧传输；
  • 广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF，表示发送给所有节点。

4. ARP 协议【详细解释】

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）：将 IP 地址 解析为 MAC 地址。

① ARP 的功能

  • 在同一局域网内，根据目标 IP 地址获取对应的 MAC 地址；
  • 是网络层与链路层之间的桥梁。

② ARP 的工作原理

  1. 主机 A 要向同一子网的主机 B 发送数据，已知 B 的 IP 地址，但不知道 B 的 MAC 地址；
  2. A 在局域网内 广播 ARP 请求：“谁是 IP 地址 x.x.x.x？请告诉我你的 MAC 地址”；
  3. 局域网内所有主机收到请求，但只有 B 响应；
  4. B 向 A 发送 ARP 应答（单播）：“我是 x.x.x.x，我的 MAC 地址是 xx-xx-xx-xx-xx-xx”；
  5. A 收到应答后，将 IP-MAC 映射存入 ARP 缓存表。

③ ARP 表

  • 每台主机维护一个 ARP 缓存表；
  • 表项格式：<IP 地址, MAC 地址, TTL>；
  • TTL 通常为 20 分钟，过期后删除；
  • 减少重复的 ARP 广播查询。

5. 发送数据报到子网以外【详细解释】

当目标主机 不在同一子网 时：

  1. 源主机判断目标 IP 不在本子网（通过子网掩码）；
  2. 源主机将数据报发送给 默认网关（路由器）；
  3. 源主机通过 ARP 获取 网关的 MAC 地址；
  4. 帧的目的 MAC 地址填写 网关的 MAC 地址，IP 目的地址仍是最终目标；
  5. 路由器收到帧后，解封装得到 IP 数据报，根据路由表转发；
  6. 在每一跳，帧的 MAC 地址会改变，但 IP 地址保持不变。

关键理解：

  • MAC 地址：用于 同一链路/局域网内 的帧传输，逐跳改变；
  • IP 地址：用于 端到端 的路由，全程不变。

五、以太网

1. 以太网拓扑结构【详细解释】

以太网拓扑结构的演变：

  • 总线型（早期）：所有节点连接在一条同轴电缆上，共享介质；
  • 星型（现代）：所有节点通过双绞线连接到 中心设备（集线器或交换机）。

现代以太网普遍采用 星型拓扑 + 交换机。

2. 以太网帧结构【详细解释】

以太网帧（Ethernet II / DIX 格式）：

字段长度说明
前导码7 字节用于同步（10101010…）
帧起始定界符1 字节标识帧开始（10101011）
目的 MAC6 字节目的地址
源 MAC6 字节源地址
类型2 字节上层协议类型（如 0x0800 表示 IP）
数据46~1500 字节网络层数据报
FCS4 字节帧校验序列（CRC-32）

3. 以太网服务类型【详细解释】

以太网提供 无连接、不可靠 的服务：

  • 无连接：发送帧前不需要建立连接；
  • 不可靠：不提供确认和重传机制。

如果帧出错（CRC 校验失败），直接丢弃，由上层协议（TCP）负责重传。

4. 最小帧长度【详细解释】

以太网规定 最小帧长度为 64 字节（不含前导码和帧起始符）。

原因：

  • 与 CSMA/CD 冲突检测 相关；
  • 发送端必须在帧完全发出之前能检测到冲突；
  • 帧长度必须 ≥ 2 × 传播时延 × 数据速率（即往返时间内能发送的数据量）。

对于 10 Mbps 以太网，最大端到端传播时延约 25.6 μs，往返 51.2 μs：

如果数据不足 46 字节，需要 填充（Padding） 至 46 字节。

5. VLAN（虚拟局域网）【详细解释】

VLAN（Virtual LAN）：在一个物理局域网上划分出多个 逻辑上独立的广播域。

为什么需要 VLAN？

  • 控制广播范围，减少广播风暴；
  • 提高安全性，隔离不同部门；
  • 灵活组网，无需改变物理连接。

实现方式：

  • 在交换机上配置端口所属的 VLAN；
  • 使用 802.1Q 标准，在帧中插入 4 字节的 VLAN 标签；
  • 不同 VLAN 之间的通信需要 路由器（三层交换）。

六、交换机

1. 交换机的位置【定义】

交换机（Switch） 工作在 链路层（第二层），是现代局域网的核心互连设备。

2. 交换机的功能【详细解释】

  1. 帧转发：根据目的 MAC 地址，将帧从输入端口转发到正确的输出端口；
  2. 帧过滤：只向目的端口发送帧，不像集线器那样广播；
  3. 隔离冲突域：每个端口是一个独立的冲突域；
  4. 全双工通信：支持同时收发，无需 CSMA/CD。

3. 交换机表（MAC 地址表）【详细解释】

交换机维护一张 交换机表（MAC 地址表），记录：

  • MAC 地址
  • 对应的端口号
  • 表项的 TTL

① 即插即用

  • 交换机无需手动配置，接入网络即可工作；
  • 通过 自学习 自动建立转发表。

② 自学习过程

  1. 交换机收到一个帧；
  2. 记录 源 MAC 地址 与 进入端口 的对应关系；
  3. 查找 目的 MAC 地址：
    • 若找到 → 从对应端口转发；
    • 若未找到 → 泛洪（Flooding），从除入口外的所有端口发出；
  4. 表项有 TTL，过期自动删除。

4. 交换机和路由器的比较【详细解释】

比较项目交换机路由器
工作层次链路层（第二层）网络层（第三层）
转发依据MAC 地址IP 地址
广播域不隔-离广播域隔离广播域
地址表MAC 地址表（自学习）路由表（路由协议计算）
主要功能局域网内帧转发不同网络之间的分组转发
配置复杂度即插即用需要配置 IP 地址和路由

5. 交换机、中继器、集线器的区别【详细解释】

设备工作层次功能冲突域广播域
中继器物理层信号放大和整形不隔离不隔离
集线器物理层多端口中继器，收到信号广播到所有端口不隔离不隔离
交换机链路层根据 MAC 地址选择端口转发隔离不隔离
路由器网络层根据 IP 地址路由转发隔离隔离

七、综合示例：Web 页面请求的历程

1. 完整流程【详细解释】

假设用户在浏览器输入 www.example.com，完整的网络交互过程如下：

第一步：获取本机 IP 地址（DHCP）

  1. 主机启动时，广播 DHCP Discover（主机的端口为68，服务器端口67，UDP）；
  2. DHCP 服务器回复 DHCP Offer，提供 IP 地址、网关、DNS 服务器等；
  3. 主机发送 DHCP Request 确认使用；
  4. 服务器发送 DHCP ACK，主机获得 IP 配置。

第二步：域名解析（DNS）

  1. 主机向 本地 DNS 服务器 发送 DNS 查询（UDP，端口 53）；
  2. 若本地 DNS 无缓存，则迭代查询根 DNS → 顶级域 DNS → 权威 DNS；
  3. 最终获得 www.example.com 的 IP 地址。

第三步：建立 TCP 连接（三次握手）

  1. 客户端发送 SYN 报文段到服务器 80 端口；
  2. 服务器回复 SYN+ACK；
  3. 客户端回复 ACK，连接建立。

第四步：发送 HTTP 请求

  1. 客户端发送 HTTP GET 请求；
  2. 请求封装：HTTP → TCP 报文段 → IP 数据报 → 以太网帧；
  3. 需要 ARP 获取网关的 MAC 地址（若不在缓存中）。

第五步：路由转发

  1. 帧到达网关（路由器），解封装得到 IP 数据报；
  2. 路由器根据路由表，确定下一跳，重新封装帧；
  3. 经过多个路由器转发，最终到达目标服务器。

第六步：服务器处理并响应

  1. 服务器收到请求，处理后发送 HTTP 响应；
  2. 响应数据沿原路返回客户端。

第七步：释放 TCP 连接（四次挥手）

  1. 传输完成后，双方通过 FIN 和 ACK 报文释放连接。

整体示意图：

sequenceDiagram
    participant Client as 客户端
    participant Router as 路由器/网关
    participant DNS as DNS 服务器
    participant Server as Web 服务器

    Note over Client: 1. DHCP 获取 IP 配置
    
    Client->>DNS: 2. DNS 查询 www.example.com
    DNS-->>Client: 返回 IP 地址
    
    Client->>Server: 3. TCP SYN
    Server-->>Client: TCP SYN+ACK
    Client->>Server: TCP ACK（连接建立）
    
    Client->>Server: 4. HTTP GET 请求
    Server-->>Client: 5. HTTP 响应（网页内容）
    
    Client->>Server: 6. TCP FIN
    Server-->>Client: TCP ACK + FIN
    Client->>Server: TCP ACK（连接释放）

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