计网笔记-第五章：数据链路层

第五章复习重点

奇偶校验（一比特 & 二维）
校验和
CRC
ALOHA效率的计算
CSMA
MAC（比较IP地址和MAC地址的不同）
发送数据报到子网以外的例子
泛洪和自学习
交换机和路由器（个人感觉还是有可能考吧）
VLAN
逛淘宝的Web历程（综合应用）

第五章复习大纲

理解链路层服务的主要功能
- 差错检查、纠错
- 共享广播信道：多点接入问题
- 链路层寻址
- 局域网技术：Ethernet、VLANS
链路层技术的实现

5.1 链路层概述

术语：
- 节点（nodes）：主机和路由器
- 链路（links）：沿着通信路径连接相邻节点的通信信道。分为：有线 & 无线。
- 数据帧（frame）：第二层的分组，封装了的数据报
职责：将第三层网络层封装的数据报从一个节点传到与该节点 直接有物理链路相连的 另一个节点
数据报在不同链路上发送：例如在第一段链路上采用以太网技术，在中间链路采用帧中继技术，在最后一跳链路采用802.11无线以太网技术。（类比先坐小汽车到机场，到机场又坐飞机，最后坐火车）

三段链路采取不同的链路层协议（不同的协议提供不同的服务，数据传输靠谱/不靠谱）
链路层提供的服务：
- 封装成帧，接入链路
- 在相邻节点间可靠传输数据帧
- 流量控制
- 差错检查
- 错误纠正
- 半双工和全双工（半双工：链路的两个节点都可以发送数据，但是不能同时发）
区分两个服务：
- 链路层提供的服务：
  - 将数据报封装成数据帧，增加相应的头部和尾部信息。如果是共享链路，则接入链路。
    
    不同于 IP 地址，在数据帧头部用 MAC 地址来标志源/目的MAC 地址
- 以太网能够提供的链路层服务：
  - 在相邻节点之间可靠传输数据帧，当传输链路是比特错误率很低的链路时，例如光纤和双绞线，很少使用可靠数据传输机制；
  - 而在无线链路这样的高比特错误率链路时，通常会增加可靠数据传输机制。
  1. 为什么要在链路层和端到端都实现可靠传输？
  答：链路层负责处理 局部链路上的错误和重传，确保邻近设备之间的传输可靠性；端到端层次则负责 整个路径的错误检测和纠正，确保数据完整性和顺序。这种多层次的策略可以更有效地应对不同类型的传输问题，提升整体网络通信的可靠性和性能。
  1. 既然在传输层实现了端到端的可靠数据传输，为什么还需要在链路层提供可靠数据传输呢？
  答：这种多层次的设计提供了局部错误的 快速处理、减少了传输层的负担、提高了局部链路的效率、确保了不同网络技术之间的互操作性，并满足了不同应用和服务的需求。通过在多个层次上提供可靠性，可以构建一个更健壮、高效的网络传输系统。
链路层实现的位置：主机、路由器
- 主机：网络适配器（网卡）上
  - 以太网卡，802.11卡；以太网芯片组
  - 实现链路层和物理层功能
  - 发送方：
    1. 封装数据报为数据帧
    2. 增加差错检测比特，可靠数据传输，流量控制等机制
  - 接收方
    1. 执行检查错误、可靠数据传输、流量控制
    2. 抽取数据报，将其递交上层（网络层）

5.2 差错检测和纠错

差错检测和纠错技术不是100%可靠的，差错校验位越多，检测和纠正功能越好
三种技术
- 奇偶校验：最基本的方法
- Internet 校验和：常用于运输层
- 循环冗余检测：常用于链路层

奇偶校验

1. 一比特奇偶校验

发送方：在要发送的信息 D（d位）后面附加一个奇偶校验位，使得1的个数是奇数（奇校验）或偶数（偶校验），将这 d+1 位一起发送
接收方：
- 检测收到的信息（d+1位）中 1 的个数
  - 奇校验：如果发现偶数个1，至少有一个比特发生差错。
  - 偶校验：如果发现奇数个1，至少有一个比特发生差错。
- 可以查出任意奇数个错误，但不能发现偶数个错误（因为偶数个错误奇偶性是匹配的）。
- 若比特差错概率很小，差错独立发生，那么一比特奇偶校验就可以满足要求了
- 若差错集中一起出现，一帧中未检测差错的概率达50%

2. 二维奇偶校验

基本思想：（将一比特中不能发现偶数个错误中的偶数个错误拆开，这样可能就拆成奇数了，可以检测了但还是不能纠正）
- 将要传的信息划分为 i 行 j 列（ i 个组，每组 j 列）
- 对每行每列分别计算奇偶值
- 结果的 i+j+1 个奇偶比特构成了帧的差错检测比特
例子：要发送的数据比特 10101 11110 01110，划分3组，每组5个比特。进行行、列 偶校验。
- 特点：
  - 可以检测并纠正单个比特差错（数据或校验位中）
  - 能够检测（但不能纠正）分组中任意两个比特的差错
    
    两个比特的话，两横两纵就有4个交点了

Internet 校验和方法（回忆）

发送方：
- 将数据每两个字节当作一个16位的整数，可分成若干整数。
- 将所有 16 位的整数求和（高位要回卷）
- 对得到的和逐位求反，作为检查和，放在报文段首部。
接收方：
- 对接收到的信息（包括检查和）按相同方法求和
  - 全1：收到的数据无差错
  - 有0：收到的数据有差错
特点：
- 分组开销小（检查位数少）
- 差错检测能力弱
- 适用于运输层（用软件实现差错检测，简单快速）
- 链路层中的差错检测由适配器中的专用硬件实现，采用更强的 CRC 方法
CRC（Cyclic Redundancy Check）：循环冗余检测
- 即多项式编码，把要发送的比特串看作系数是 0 或 1 的一个多项式，对比特串的操作看作为多项式运算。
  
  例如： $\space \rarr \space x^{4}+x^{2}+x+1$
- 基本思想：
  - 设发送节点要把数据D（d比特）发送给接收节点
  - 发送方和接收方先共同选定一个生成多项式G（r+1比特），最高位是1（最左边）
- 发送方：
  - 计算出一个 r 位附加比特 R，添加到D的后面产生 DR（d+r 比特）
  - DR能被生成多项式 G 模2运算整除，一起发送
- 接收方：
  - 用生成多项式 G 去除接收到的 DR（d+r 比特）
    1. 余数为0：传输正确，去掉尾部的r位，得到数据D
    2. 余数不为0：传输发生差错
模2运算
- 操作数按位异或（XOR）
  
  1011 XOR 0101 = 1110
- 乘以 $2^{r}$ ，即比特模式左移 r 个位置。
  
  $D*2^{r} \space XOR \space R=D\space 00...00 \space XOR \space R=DR$
  
  因为 0 XOR 0 = 0 ，0 XOR 1 = 1，所以 D 左移之后低 r 位全0，和R异或刚好达到拼接的效果
计算 R：
- DR 能被 G 模2运算整除，即 $D*2^{r} \space XOR \space R=nG$
- 等式两边都 XOR R，得： $D*2^{r}=nG \space XOR \space R$
  
  A XOR A = 0，0 XOR A = A
  
  那么用 $D*2^{r}$ 除以 G ，余数刚好为 R
- 例1：假设数据 D=101110，d=6，生成多项式 G=1011，r=3
  
  实际传输的数据形式是：101110011 （下划线不用写，这里是提醒这道题r=3，最后3位是R）
  
  注意：不是减而是异或！
- 例2：通信双方协商的生成多项式为： $G=X^{4}+X^{2}+X+1$ ，发送方要发送的数据是 $D = 11001100$
  - CRC校验信息需要几位——4位
    
    因为G=10111，CRC编码的位数是G的位数-1，即4位
  - 发送方最终发送的数据是多少位—— 8+4=12位
  - 发送方最终发送的数据内容是什么—— 110011000101
    
    注意：上图第三次异或：10100和10111，10100比10111小，仍然可以算，只有位数少的时候才除得0（第四次异或）
  - 如果传输过程中出现一位错误能否检测？出现六位错误能否检测？
    - 一位错误可以检测到
    - 六位错误一般情况下不可以
CRC 的特点
- 常见的有 8、12、16、32 比特生成多项式
- 8-位CRC用于ATM信元首部的保护，32-CRC用于大量链路层IEEE协议
- 能检测小于r+1位的突发差错、任何奇数个差错

各个差错方法的比较

奇偶校验能力最弱，CRC校验能力最强
奇偶校验常用于简单的串口通信
Internet校验和通常用于网络层及之上的层次，要求简单快速的软件实现方式
CRC通常应用于链路层，一般由适配器硬件实现
纠错基本原理（打*号不考）

从原本的 m 位增加 r 位，就将原来的 $2^{m}$ 个信息码映射到 $2^{m+r}$ 个编码。

使得这 $2^{m+r}$ 个编码中，有效码占 $2^{m}$ 个，无效码占 $2^{m+r}-2^{m}=2^{m}*(2^{r}-1)$ 个
海明码（打*号不考）
把两个等长二进制数（或两个等长码）不相同对应位的位数称为距离.

例如10000和00100的距离为2。

海明距离(Hamming Distance)：某种编码任意两个有效码间的最小距离称为该编码的海明距离。
- 结论1：可以检出d个错误的检错码，其海明距离至少为d＋1
- 结论2：可以纠出d个错误的纠错码，其海明距离至少为2d＋1
海明码：能够纠正一位错误的编码称为海明码

5.3 多路访问链路和协议

两种网络链路
- 点对点链路：链路两端各一个节点。一个发送一个接收。如点对点协议 PPP。
  区分 PPP 和 P2P：
  - PPP：数据链路层的协议。提供点对点的连接，允许在两个单独的设备（通常是计算机或网络设备）之间进行数据交换。它可以在不同的物理介质（例如串行线或光纤）上传输数据。
  - P2P：应用层的分布式计算体系结构。每个参与者或节点可以充当客户端和服务器，直接交换资源。
- 广播链路：多个节点连接到一个共享的广播信道
  - 广播：任何一个节点传输一帧时，信号在信道上广播，其他节点都可以收到一个拷贝。常用于局域网（LAN），如早期的以太网和无线局域网（WLAN）
    
    WLAN 和 Wi-Fi：
    
    简单来说，WLAN是一个网络系统，而Wi-Fi是这个网络系统中的一种技术，目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网络产品之间的互通性。（WLAN包含Wi-Fi，该解释来自华为IP知识百科）
广播信道要解决的问题：如何协调多个方式和接收节点对共享广播信道的访问。相关技术：多路访问协议。
多路访问协议：
- 目的：协调多个节点在共享广播信道上的传输。
  - 避免多个节点同时使用信道，发生冲突，产生互相干扰
- 冲突（collide）：两个以上的节点同时传输帧，使接收方收不到正确的帧（所有冲突的帧都会受损丢失）
  - 造成广播信道时间的浪费
  - 多路访问协议可用于许多不同的网络环境。如有线和无线局域网、卫星网
- 理想的情况：（假设速率位 $R$ bps的广播信道）
  1. 有 1 个节点有数据发送时，它能以 $R$ bps的速率发送
  2. 当 $M$ 个节点要发送数据时，每个节点的平均发送速率为 $\frac{R}{M}$
  3. 完全分散：
    - 不需要主节点协调传输
    - 不需要时钟、时隙同步
  4. 简单
- 类型：
  - 信道划分协议：信道分成小的“片”（时隙）
  - 随机访问协议（满足理想情况的第4点"简单"，用的最多）
    - 不划分信道，允许冲突
    - 能从冲突中“恢复”
  - 轮流协议：轮流访问信道，要发送的节点越多轮流的时间越长

信道划分协议

主要有 TDMA（Time Division Multiple Address）、FDMA（Frequency）、CDMA（Code）
TDMA：将时间划分为 时间帧，每个时间帧再划分为 N 个时隙（长度保证发送一个分组），分别分配 N 个节点。每个节点只在固定分配的时隙中传输。
- 例：6个站点的LAN，时隙1、3、4有分组，时隙2、5、6空闲
- 特点：
  - 避免冲突、公平
  - 节点速率有限、效率不高
FDMA：将总信道带宽 $R$ bps划分为 N 个较小的信道（频段，带宽为 R/N）分别分配给N个节点。
- 例：6个站点的LAN，频段1、3、4有分组，频段2、5、6空闲
- 特点：
  - 避免冲突、公平
  - 节点带宽有限、效率不高
CDMA：每个节点分配唯一的编码，每个节点用它唯一的编码来对它发送的数据进行编码。允许多个节点“共存”，信号可以叠加，即可以同时传输数据（如果编码是“正交化”的，那么不会产生冲突）

随机访问协议

基本思想：
- 发送节点以信道全部速率（ $R$ bps）发送
- 发生冲突时，冲突的每个节点分别等待一个随机时间，再重发，知道帧（分组）发送成功，
- 节点间没有协调者
- 典型的随机访问协议：
  - ALOHA协议（纯ALOHA、时隙ALOHA）
  - 载波监听多路访问CSMA协议
  - 带冲突检测的 CSMA/CD
  - 带冲突避免的 CSMA/CA
ALOHA：采用星型拓扑结构，使得地理上分散的用户通过无线电来使用中心主机
- 中心主机通过下行信道向二级主机广播分组
- 二级主机通过上行信道向中心主机发送分组（可能会冲突，因为无线电信道是一个公用信道）
纯ALOHA
- 非时隙ALOHA：简单、无需同步
- 帧一到达，立即传输
- 如果与其他帧产生冲突，那么在该冲突帧传完之后：
  - 概率 p：立即重传该帧
  - 概率 1-p：等待一个帧的传输时间。然后循环该过程，直到重传该帧。
- 冲突概率：在 $t_{0}$ 发送的帧，和在 $t_{0}-1,t_{0}+1]$ 的发送的其他帧冲突
- 效率： $P(给定节点成功传送)=P(节点传送)*P(没有其他节点在[t_{0}-1,t_{0}]内传送)*P(没有其他节点在[t_{0},t_{0}+1]内传送)$
  
  $p*(1-p)^{N-1}*(1-p)^{N-1}=p*(1-p)^{2(N-1)}$
  
  $E(p)=NP=Np(1-p)^{2(N-1)}$ // $E (p)$ 是单位时间内成功传输的帧数，相当于所有节点成功传输的帧数的期望值
  
  为了得到N个活跃点的最大效率，必须找出使得上式取最大值的 $p^{*}$ ，为了得到大量活跃节点的最大效率，我们要求 $\rarr \infty$
  
  $\space \Rarr \space 令\frac{1}{p}-2(N-1)*\frac{1}{1-p}=0 \space \Rarr \space p^{*}=\frac{1}{2N-1}$
  
  $\mathop{lim}\limits_{n\rarr \infty} \space E(p^{*})= \mathop{lim}\limits_{n\rarr \infty} \space \frac{N}{2N-1}*(1-\frac{1}{2N-1})^{2(N-1)} = \frac{1}{2}*e^{\mathop{lim}\limits_{n\rarr \infty} -\frac{2N-2}{2N-1}}=\frac{1}{2}*e^{-1}=\frac{1}{2e}=0.18$
时隙ALOHA
- 假设：
  - 所有帧大小相同
  - 时间被划分为相同大小的时隙，一个时隙等于传送一帧的时间
  - 节点只能在一个时隙的开始才能传送
  - 节点需要同步
  - 如果一个时隙有多个节点同时传送，所有节点都能检测到冲突
- 实现：
  - 当节点要发送新帧时，等到下一时隙开始时传送
  - 没有冲突，节点可以在下一时隙发送新帧
  - 如果有冲突，节点在随后的时隙以概率 p 重传该帧，成功为止。
- 优点：
  - 单个活跃节点可以持续以满速率传送帧
  - 高分散性：只需节点的时隙同步
  - 简单
- 确定：
  - 冲突，浪费时隙
  - 空闲时隙
  - 节点只有在传输数据包时才能检测到冲突
- 效率：当节点很多，每个节点要发的帧很多时，成功时隙所占的百分比
  - 假设有 N 个节点，每个节点在时隙以概率 p 发送。
  - 那么一个节点在一个时隙成功传送的概率为 $p(1-p)^{N-1}$
  - 任一节点传送成功的概率为 $Np(1-p)^{N-1}$
  - 同纯 ALOHA 计算方法，可得最大效率为 $\frac{1}{e}=0.37$ 。即最佳情况时是信道有 37% 的有效传输。
课后练习（*）：假设信道帧到达率服从泊松分布，试从单位时间内帧到达数和信道吞吐量的角度，推导纯Aloha协议及时隙Aloha协议的效率。
- 泊松分布： $P(X=k)=\frac{\lambda ^{k}}{k!}e^{-\lambda}$ ， $\lambda$ 是平均帧到达率。可以表示单位时间内所有帧每个状态的概率（已经算上所有帧了，所以就不用乘以N 了）
  - $P(X=0)=e^{-\lambda}$ 表示空闲
  - $P(X=1)=\lambda e^{-\lambda}$ 表示发送成功
  - $P(X>1)=1-(1+\lambda)e^{-\lambda}$ 表示冲突
- 如果是纯ALOHA，假设帧在 $t_{0}$ 时刻发送，就要求没有其他节点在 $t_{0}-1,t_{0}+1]$ 内传送，相当于在 $t_{0}-1,t_{0}]$ 空闲，在 $t_{0},t_{0}+1]$ 成功发送。
  - 记信道吞吐量为 $S$ ，那么 $S=e^{-\lambda}*(\lambda e^{-\lambda})=\lambda e^{-2\lambda}$ ， $\lambda^{*}=\frac{1}{2}$
  - 所以 $S_{max}=\frac{1}{2e}=0.18$
- 如果是时隙ALOHA，就只用考虑帧在 $t_{0},t_{0}+1]$ 成功发送了。
  - $S=\lambda e^{-\lambda}$ ， $\lambda ^{*}=1$ ， $S_{max}=0.37$
- 所得结果和之前用 $p$ 和 $1 - p$ 计算的结果一致。
CSMA（Carrier Sense Multiple Access）：载波侦听多路访问
- 载波侦听：某个节点在发送之前，先监听信道
  - 信道忙：有其他节点正在往信道发送帧，该节点随机等待
  - 信道空：该节点开始传输整个数据帧
    
    自己说话之前先听一下有没有其他人正在说话，不要打断别人！
- 特点：
  - 发前监听，可减少冲突
  - 由于 传播时延 的存在，仍然可能出现冲突，并造成信道浪费。
    
    信道浪费：节点没有进行冲突检测，即使发生冲突，节点仍然继续传输它们的帧。但是该帧已经被破坏！
    
    距离和传播时延对概率有影响
带冲突检测的 CSMA（CSMA/CD，Collision Detection）
- 增加了“冲突检测”
  - 一旦检测到冲突就立即停止传输，尽快重发
- 目的：缩短无效传送时间，提高信道利用率
- 以太网采用 CSMA/CD
- 运行机制
  1. 适配器从网络层得到分组，创建帧
  2. 如果适配器侦听到信道空闲，开始传送帧。如果忙，等到信道空闲才传送帧
  3. 如果适配器在传送整个帧时，都没有检测到其他传输，则完成该帧的传送
  4. 如果适配器在发送中检测到其它传送，就放弃传送，并发送一个拥塞信号
  5. 放弃传送后，适配器进入 指数回退阶段 ，假设该帧经过 $n$ 次冲突，取 $m = m i n (n, 10)$ ，那么适配器会在
    
    ${0,1,2,3,...,2^{m}-1\}$ 中等概率随机选取一个 $K$ 值，然后等待 $K * 512$ 比特时间后，回到第二步。
    
    冲突次数越多，等待时间更长的概率更大，但是有上限
    
    拥塞信号：48比特时间
    
    对于10 Mbps Ethernet ，1 比特时间 = 0.1 μs，K=1023 时，等待时间大约为 50ms
轮流协议：
- 回顾多路访问协议的理想特性：
  1. 只有一个节点活动时，吞吐量 $R$ bps；
  2. 有 $M$ 个节点活动时，吞吐量 $\frac{R}{M}$ bps
  ALOHA 和 CSMA 协议都只有第一个特性，但没有第二个特性
- 轮流协议分类：
  - 轮询协议
  - 令牌传递协议
- 轮询协议：主节点 “邀请” 从节点依次传送
  - 问题：轮询的开销、延时、单点故障（主节点）
- 令牌传递：控制令牌顺序从一个节点传递到下一个节点（丢手绢）
  - 问题：令牌开销、延时、单点故障（主节点，圈断点——可以考虑双环，但是会更复杂）

多路访问控制协议的总结

信道划分：时分（TDMA）、频分（FDMA）、码分（CDMA）
随机接入：ALOHA，S-ALOHA（时隙ALOHA，Slot时隙），CSMA，CSMA/CD
- CSMA载波侦听：在有线中容易实现，但在无线中比较困难
- CSMA/CD 用在以太网中
- CSMA/CA（A：Avoid）用在 802.11中
轮流：
- 来自中心站的轮询
- 令牌传递

5.4 交换局域网

局域网（Local Area Network，LAN）
- 采用的协议：多路访问协议广泛（CSMA/CD更多，令牌很少）
- 特点：网络为一个组织所拥有，地理范围和站点数目有限
- 按拓扑结构分类：星形网、环形网、总线网、树形网、网状网

在这里插入图片描述

计算机和局域网通过网络适配器（即网卡）连接
数据链路层还可以细分为：逻辑链路控制子层、介质访问控制子层
每个节点有 网络层地址和 链路层地址
- 网络层地址：节点在网络中分配的一个唯一地址（IP地址）。用于把分组送到目的 IP 网络。（IPv4）
- 链路层地址：又叫作 MAC地址（Media Access Control）或物理地址、局域网地址
  - 用于把数据帧从一个节点传送到另一个节点（同一网络中）。6个字节。
MAC 地址：**局域网中 **每个网卡都有唯一的MAC地址
- MAC地址分配：高24位向 IEEE 购买，低24位厂家自行分配
比较 IP 地址和 MAC 地址的不同？
1. 层级和用途
  - IP 地址用于网络层，帮助在不同网络中路由数据包。主要用于确定设备在网络中的位置
  - MAC 地址用于数据链路层，帮助在同一局域网内传输数据包。用于唯一标志网络接口。
2. 类型：
  - IP 地址有 IPv4 和 IPv6 两种类型，可以是静态（DHCP分配）或者静态手动分配
  - MAC 地址：硬编码到网络接口硬件中的 48 位地址，通常是固定不变的。
3. 可见性和范围：
  - IP 地址可以跨网络互连，全球唯一，互联网上可见
  - MAC 地址仅在LAN使用，互联网上不可见
4. 结构：
  - IP 地址具有层次结构：当节点移动到不同网络时，节点的IP地址发生改变
  - MAC 地址是平面结构：带有同一网卡的节点，在任何网络中都有同样的MAC地址
网络适配器：负责MAC地址的封装和识别
- 发送适配器：将目的 MAC 地址封装到帧中并发送。所有其他适配器都会收到这个帧。
- 接收适配器：检查该帧的目的 MAC 地址是否与自己的 MAC 地址相匹配
  - 匹配：接收，取出数据报，交给上层
  - 不匹配：丢弃
  广播帧：发送给所有节点的帧：全1地址（用于寻找）—— FF-FF-FF-FF-FF-FF
节点的三种不同地址表示：主机名（应用层）、IP地址（网络层）、MAC地址（数据链路层）
- 在链路上传输时，根据 MAC 地址确定相应的节点
- 通信时，需要进行地址转换
  - DNS域名系统：将主机名解析到 IP 地址
    
    DNS 为互联网中任何地方的主机解析主机名
  - ARP地址解析协议：将 IP 地址解析到 MAC 地址
    
    ARP 只在一个局域网范围内起作用（只为同一 LAN 上的节点解析 IP 地址）
ARP（Address Resolution Protocol）
- ARP 表：LAN 上的每个节点（主机、路由器）都有这个表
  - 为某些局域网节点进行映射
  - TTL（存活时间）通常为20分钟，20分钟后该表项会被删除
- 假设主机A 希望发送数据报给主机 B：
  1. 首先查找 B 的 MAC 地址是否在 A 的 ARP 映射表中
  2. 如果不在，那么 A 广播 ARP 查询分组，其中包含 B 的 IP 地址。（查询分组是一个广播帧，即目的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF）
  3. 局域网中所有的节点都会收到 ARP 查询分组，其余主机发现查询的不是本机的MAC地址，因此不进行回应。只有 B 收到ARP查询分组后，返回 B 的 MAC 地址给主机 A ，包含有 B 的 MAC 地址的帧发送给主机 A （单播）。
  4. 于是，主机A在自己的ARP表中缓存B主机的IP地址和MAC地址。
- 注意：ARP是即插即用的（和DHCP一样）——节点创建 ARP 表不选哟网络管理员的干预。
- 漏洞：ARP 欺骗攻击！
广播在计网中的几个应用：
- ARP 广播（数据链路层的协议）
- DHCP 广播（应用层的协议）
- 路由器和邻居广播，更新路由表（网络层）
发送数据报到子网以外的例子：

在这里插入图片描述

整个过程：

A的网络层构建IP数据报，传给数据链路层封装成数据帧（由于主机A发现接收主机B和自己不在同一LAN，所以目的MAC地址是路由器左边端口的MAC地址）
数据帧到达路由器后，接收并抽出数据报递交网络层，网络层根据IP地址判断该数据报要往右边端口转发，并且发现接受主机B和自己在同一LAN。因此数据帧的源MAC地址改为路由器右端的MAC地址，目的MAC地址改为接收主机B的。

注：整个过程只改变源/目的 MAC 地址，但是源/目的IP地址不会变！

WAN接口：路由器的广域网（WAN）接口通常有一个MAC地址，用于连接到外部网络或ISP（互联网服务提供商）。

LAN接口：路由器的局域网（LAN）接口通常有多个MAC地址，每个接口（如有多个以太网端口）都有一个独立的MAC地址，用于与局域网中的设备通信。

无线接口：如果路由器支持无线功能，它的无线接口（Wi-Fi）也会有一个MAC地址，用于无线通信。

以太网：迄今为止最著名的有线局域网技术
- 成功的原因：
  1. 第一个广泛使用的局域网技术
  2. 简单、便宜
  3. 版本不断更新，数据速率更高、成本更低
- 物理拓扑结构分为：总线（效率低，已淘汰）；星形（目前流行，中心是交换机，每个端口运行一个独立的以太网协议，节点之间相互不发生碰撞，但不能2个同时给1个说）
- 以太网链路层控制技术
  - 媒体访问控制（MAC）子层
    1. 数据封装：帧同步、帧定界；地址确定；错误检测机制
    2. 媒体访问管理：媒体分配（避免冲突）；冲突解决
- 以太网的帧结构：
1. 前同步码用于帧同步（收发双方的时钟同步，接收方一旦收到连续的8字节前同步码，可以确定有帧传过来），前同步码是无效信号，接收方收到后删除，不向上层传；CRC也不校验前同步码
2. 类型：网络层协议的类型编号
3. 数据：以太网的最大传输单元 MTU 是1500字节（若超出则要分段），最小长度是46字节（若小于要填充够46字节，接收方会去除填充的内容）
- 以太网：不可靠的无连接服务
  - 无连接服务：通信时，不需要先握手
  - 不可靠服务：收到的帧可能含比特差错
    - 收到正确帧，不发确认帧
    - 收到出错帧，丢弃但不发否定帧
    - 发送适配器不重发
    - 丢弃数据的恢复通过终端传输层的可靠数据传输机制来实现
  - 以太网的MAC协议：使用无时隙的 CSMA/CD（二进制指数回退）
链路层交换机：链路层设备
- 工作：存储转发数据帧
  - 对于到达交换机的数据帧，交换机首先检查其目的MAC地址，然后根据MAC地址，有选择的将数据帧转发到一个或多个输出链路；
  - 如果输出链路是一个共享网段，将使用CSMA/CD来访问共享链路。
- 特点：
  - 透明：主机不关心是否存在交换机（当一个主机向另一个主机发送数据帧时，它并不会知道某个交换机会收到这个数据帧，并将其转发到另一个节点）
  - 即插即用（同 DHCP 、ARP）、自学习（不需要手工配置，有类似路由表的 交换机转发表 ）
- 加入交换机后，支持多个节点同时传输数据帧，而不会发生碰撞（交换机可以缓存数据帧）
  - 每个输入链路都使用以太网协议，全双工、无碰撞。转发率高。
- 交换机的过滤/转发过程：
  1. 首先，记录到达链路和发送主机的MAC地址；
  2. 第二步，使用数据帧的目的MAC地址，在转发表中进行检索；
  3. 如果在转发表条目中找到对应的MAC地址，则执行第 4 点；否则执行第 5 点
  4. 如果目的MAC地址对应的端口与数据帧的到达端口相同，说明接收主机属于同一个共享网段，则直接将该数据帧丢弃。因为接收主机也会收到该数据帧；否则，转发端口与达到端口不一致，则将该数据帧转发到指定端口。结束。
  5. 交换机将该数据帧向除到达端口之外的所有端口转发，也就是泛洪。结束。
- 交换机互联时：
  
  问：如果主机A发送数据帧给主机G,那么交换机S1是怎么知道需要先把数据转发到S4和S3的？
  
  答：通过 泛洪和自学习。
  1. 当数据帧到达S1时，可能S1的转发表中没有G主机的MAC地址的表项，于是S1将该数据帧泛洪
  2. 那么S4的端口也会收到这个泛洪的数据帧，如果S4的转发表也没有G主机的MAC地址对应的表项，则S4会继续泛洪
  3. 于是S3也会收到数据帧，如果S3的转发表仍然没有G主机的MAC地址，则S3会继续向它的端口泛洪，直到数据帧到达G主机。
- 多个交换机自学习：
- 问：交换机在识别目的MAC地址和源MAC地址的过程中是否需要接收并缓存完整的帧呢？
  
  答：两种模式：
  1. 快速分组（直通交换）：交换机只需要读取前几个字节就可以做出转发决定，而不需要缓存整个帧。这样可以显著降低延迟。
  2. 存储转发：交换机会接收并检查整个帧，包括数据部分和帧校验序列（FCS），以确保帧没有错误。只有在帧被确认没有错误后，交换机才会转发帧。这种模式会增加延迟，但能提高数据传输的可靠性。
三层交换机
- 三层交换时相当于传统交换概念提出的
- 传统的交换技术是在 OSI 网络参考模型中的第二层（从下往上数，即数据链路层）进行操作的，称为二层交换机
- 三次交换技术能够在网络模型中的第三层（网络层）实现数据包的高速转发
- 简单来讲，就是二层交换技术 + 三层转发技术。（二层交换机+基于硬件的路由器）
  - 一次路由，多次交换。（图中 A B 不在同一子网）
- 工作原理：
  - A在发送时，比较源和目的IP地址，判断是否在同一子网。
  - 若在，则二层转发
  - 若不在，则A要向“缺省网关”发出ARP请求，请求获取B的MAC地址。如果三层交换机知道B的MAC地址则回复A，否则广播。B收到广播后回复三层交换机。三层交换机将B的MAC地址保存到二层交换引擎的MAC地址表中，并回复A。
  - 然后 A 直接用B的MAC地址封装成数据帧，三层交换机接收到数据帧后直接进行二层交换。

交换机和路由器的比较

二者都是存储转发设备
- 路由器：网络层设备，检查网络层IP地址头部
- 交换机：数据链路层设备，检查数据链路层MAC地址头部
二者都有转发表
- 路由器：使用路由算法计算转发表。基于IP地址转发
- 交换机：通过泛洪、自学习来学习转发表。基于MAC地址转发

VLAN（Virtual Local Area Network）

在这里插入图片描述

动机：假设CS的用户想要连入EE的交换机（如上图），如果把图中所有设备划分为一个LAN，会出现如下问题：
- 所有2层广播流量（ARP、DHCP）会跨越整个网络
- 安全、隐私、效率
VLAN定义：利用支持VLAN的交换机，可以在一个实际的物理局域网内，定义多个虚拟的局域网
基于端口的VLAN：利用交换机内置的管理软件，将端口分组，使得一个单独的交换机像多个交换机那样工作

在这里插入图片描述

功能：
- 流量隔离：从1-8号端口进/出的帧，只能访问1-8号端口
- 动态成员：端口可以在VLAN之间动态调整
- VLAN间转发：通过路由完成（此处通信必须通过路由器，若只有一个节点则会使用单臂路由器）
跨越多个交换机的 VLAN：
- 干线端口承载定义在多个物理交换机之上的 VLAN 间的流量
- 某一个 VLAN 内的流量帧，如果要跨域物理的交换机，需使用 802.1q 格式（以太网帧上 + 一个VLAN号）
  - 802.1q协议的作用：对干线端口之间传输的帧，添加/移除额外的头部字段

总结与综合应用：

参考：访问一个网页的全过程(超详细版)-CSDN

以下的流程忽略了真实情景中的很多细节，但用于考试应该差不多了。

应用层
1. DNS 请求
  - 浏览器通过操作系统向配置的DNS服务器发起DNS请求，将域名 www.taobao.com 解析为IP地址。
2. 生成 HTTP 请求报文
  - 获得IP地址后，浏览器构建HTTP请求报文，通常包括：请求/响应行，请求/响应头部，空白行，请求体/响应数据。
3. 发送到传输层
  - HTTP请求报文 准备好后，发送到传输层。
传输层
1. TCP 三次握手
  - 在发送HTTP请求之前，浏览器与服务器需要建立TCP连接。这个过程包括：
    - SYN：客户端发送SYN报文段给服务器，表示请求建立连接。
    - SYN-ACK：服务器收到SYN后，回应SYN-ACK报文段，表示同意建立连接。
    - ACK：客户端收到SYN-ACK后，回应ACK报文段，连接建立完成。
2. 打包为 TCP 报文段
  - 建立连接后，浏览器将HTTP请求报文加上TCP首部，形成TCP报文段。TCP首部包含源端口、目的端口、序列号等信息。
3. 发送到网络层
  - TCP报文段 准备好后，发送到网络层。
网络层
1. 获取网络参数
  - 使用DHCP协议获取本地网络参数，包括IP地址、子网掩码和默认网关。
2. 打包为 IP 数据报
  - 将TCP报文段加上IP首部，形成IP数据报。IP首部包含源IP地址、目的IP地址、TTL等信息。
3. 发送到数据链路层
  - IP数据报 准备好后，发送到数据链路层。
数据链路层
1. ARP协议获取MAC地址
  - 在局域网内，如果不知道目的IP地址对应的MAC地址，使用ARP协议进行查询。ARP请求会广播到局域网，目标主机响应其MAC地址。
2. MAC 寻址与转发
  - 数据链路层将IP数据报加上以太网帧首部，形成 以太网帧 。以太网帧包含源MAC地址、目的MAC地址等信息。
  - 以太网帧通过交换机和路由器传输，逐步到达淘宝服务器所在的局域网。
服务器接收请求
1. 服务器处理请求
  - 服务器的网络接口接收到以太网帧后，逐层解包，最终还原出HTTP请求报文。
  - 根据请求的URL路径、参数等，服务器处理相应的业务逻辑，生成HTTP响应。
2. 服务器提供响应
  - 服务器将响应内容加上HTTP首部，形成HTTP响应报文，发送到传输层。
传输层
1. 打包为 TCP 报文段
  - 服务器将HTTP响应报文加上TCP首部，形成TCP报文段，发送到网络层。
网络层
1. 打包为 IP 数据报
  - 将TCP报文段加上IP首部，形成IP数据报，发送到数据链路层。
数据链路层
1. MAC 寻址与转发
  - 数据链路层将IP数据报加上以太网帧首部，形成以太网帧，通过网络设备逐步传回到客户端。
客户端接收响应
1. 四次挥手
  - 当所有数据传输完毕后，客户端和服务器通过四次挥手断开TCP连接：
    - FIN：客户端发送FIN报文段，表示不再发送数据。
    - ACK：服务器回应ACK报文段，表示收到。
    - FIN：服务器发送FIN报文段，表示不再发送数据。
    - ACK：客户端回应ACK报文段，连接断开。
浏览器解析和渲染页面

总结如下：

输入URL → DNS获得IP → 生成HTTP请求报文到传输层 →

三次握手 → 打包为TCP报文段（加含源/目的端口号的首部）发到网络层

→ DHCP协议获得IP地址、网关地址、子网掩码 → 打包为IP数据报（加含源/目的 IP 地址的首部）发送到数据链路层

→ ARP协议获取MAC地址 → 打包为以太网帧（加含源/目的MAC地址的首部）通过交换机和路由器传输到淘宝的LAN

→ 淘宝服务器

→ 服务器网络接口逐层解包，还原出HTTP请求报文，生成HTTP响应报文，发送至传输层

→ 打包为TCP报文段

→ 打包为IP数据报

→ 打包为以太网帧，逐步传回客户端

→ 四次挥手

→ 客户端逐层解包

→ 浏览器渲染展示

第六章不写了，看实验流程，大概率代码改错。

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原文地址：https://blog.csdn.net/Catalany/article/details/139707929

计网笔记-第五章：数据链路层

第五章复习重点

第五章复习大纲

5.1 链路层概述

5.2 差错检测和纠错

奇偶校验：最基本的方法

Internet 校验和：常用于运输层

循环冗余检测：常用于链路层

奇偶校验

1. 一比特奇偶校验

2. 二维奇偶校验

Internet 校验和方法（回忆）

CRC（Cyclic Redundancy Check）：循环冗余检测

各个差错方法的比较

5.3 多路访问链路和协议

信道划分协议

随机访问协议

多路访问控制协议的总结

5.4 交换局域网

每个节点有 网络层地址和 链路层地址

比较 IP 地址和 MAC 地址的不同？

交换机 和 路由器 的比较

VLAN（Virtual Local Area Network）

总结与综合应用：

应用层

传输层

网络层

数据链路层

服务器接收请求

传输层

网络层

数据链路层

客户端接收响应

浏览器解析和渲染页面

每个节点有网络层地址和链路层地址

交换机和路由器的比较