鏈路層：鏈路、接入網和局域網
一、鏈路層概述
1、結點：運行鏈路層協議的任何設備（主機、路由器、交換機、WiFi接入點）
鏈路：沿着通信路徑連接相鄰結點的通信信道
2、鏈路層提供的服務
（1）成幀
（2）鏈路接入，使用媒體訪問控制協議MAC
（3）可靠交付，通過確認與重傳實現
（4）差錯檢測與糾正，用硬件實現
3、網絡適配器（網卡）
（1）類似I/O設備，連接在PCI
（2）包含控制器和物理傳輸線路
4、大部分鏈路層在硬件中實現，部分在軟件中實現，鏈路層是硬件軟件結合的地方
二、差錯檢測和糾正技術
1、使用差錯檢測和糾正比特EDC來增強數據D，可以儘可能地檢測出比特差錯
2、奇偶校驗
（1）一維奇偶校驗：包含附加比特，使得1的總數是偶數
（2）二維奇偶校驗：劃分i行j列，對每行每列使用一維奇偶校驗
3、糾錯
（1）前向糾錯：接收方檢測差錯並糾正
（2）後向糾錯：接收方檢測差錯並糾正
4、檢驗和方法
將數據劃分爲k比特的序列，相加後取反
5、循環冗餘檢測CRC
（1）所有加減採用異或的方式進行
（2）對r+1位的生成多項式（二進制串）
（3）在數據後添加r個0，然後除以生成多項式
（4）用所得餘數替換數據後添加的r個0，即得CRC編碼（多項式編碼）
（5）每個CRC標準都能保證檢測出最多r比特的差錯和任何奇數個的比特差錯
三、多路訪問鏈路和協議
1、多路訪問協議
用於協調多個發送和接收結點對一個共享廣播信道的訪問
2、理想多路訪問協議的特性
（1）僅有一個結點有數據要發送時，應能讓它使用到全部的帶寬
（2）多個結點有數據要發送時，平均吞吐量應大致相等
（3）協議是分散的，不會因某主結點故障而使整個系統崩潰
（4）協議簡單，實現不昂貴
3、信道劃分協議
（1）時分多路複用TDM：時間劃分爲時間幀，幀劃分爲時隙
（2）頻分多路複用FDM：信道劃分爲不同頻段
（3）碼分多址CDMA：每個結點用唯一編碼來編碼數據，可同時傳輸消除碰撞
4、隨機接入協議
（1）時隙ALOHA
（2）純ALOHA
（3）載波偵聽多路訪問CSMA
（4）具有碰撞檢測的載波偵聽多路訪問CSMA/CD
（5）二進制指數後退算法
5、輪流協議
（1）輪詢
主結點輪詢到的結點纔可以傳輸
能傳輸的幀的最大數量由主結點通知
（2）令牌傳遞
持有令牌的結點纔可以傳輸
無幀可發或發送完一個幀，將令牌傳遞給下一個結點
四、交換局域網
1、MAC地址（LAN地址、物理地址）
（1）格式：6字節，以16進制數表示爲XX-XX-XX-XX-XX-XX
（2）性質：沒有兩塊適配器具有相同的地址，FF-FF-FF-FF-FF-FF爲廣播地址
（3）必要性：可以支持各種網絡協議（不只是IP協議）
2、地址解析協議ARP
（1）ARP爲同一子網上的主機和路由器將IP地址解析爲MAC地址
（2）主機和路由器的每一個接口都有其ARP表，存儲IP地址到MAC地址的映射
（3）ARP表中的項目通過ARP查詢、響應報文來更新，且具有壽命值TTL
（4）ARP查詢、響應報文包括：發送方IP、接收方IP、發送方MAC、接收方MAC
（5）ARP是跨越鏈路層和網絡層的協議
3、發送數據報的過程
（1）主機查詢ARP表，是否具有對應的IP地址的MAC地址
（2）若未在ARP表中查找相應表項，使用ARP查詢報文在子網中進行廣播
（3）ARP查詢報文中包含目的IP地址和目的MAC地址FF-FF-FF-FF-FF-FF
（4）子網中所有適配器拆封ARP查詢報文的幀，將其上交給自身的ARP模塊
（5）路由器檢查目的IP地址是否應由自己轉發，是則迴應ARP相應報文
（6）源主機收到ARP響應報文後，把IP地址到MAC地址的映射插入ARP表
（7）主機向目的MAC地址發送鏈路層幀
（8）所有適配器都會處理到達自身的幀，但只將MAC地址符合要求的幀上交
4、器件
（1）以太網的變革
同軸電纜+轉發器 -> 集線器星型拓撲 ->交換機星型拓撲
（2）轉發器
物理層設備，在輸入端接收信號並在輸出端再生信號，使得傳輸更長距離
（3）集線器
物理層設備，作用於比特，放大傳輸其受到的信號
（4）交換機
鏈路層設備，作用於幀，不會出現碰撞
5、以太網幀結構
（1）數據字段：46-1500字節，超出需要分片，少於則需要填充
（2）目的地址：目的適配器的MAC地址6字節
（3）源地址：源適配器的MAC地址6字節
（4）類型字段：上層協議號2字節（類比TCP端口號、IP協議字段）
（5）CRC：循環冗餘檢測碼4字節
（6）前同步碼：前7字節爲10101010用於喚醒和同步，最後1字節爲10101011
6、以太網標準
例如100BASE-T代表100Mbps傳輸速率的基帶以太網，媒介爲雙絞銅線
7、鏈路層交換機
（1）本身不具有MAC地址，對於子網中的主機和路由器是透明的
（2）全雙工，交換機和結點可以同時向對方發送幀而不產生碰撞
（3）把接收的所有幀的源MAC地址到接口的映射加入交換機表，並加註當前時間
（4）接收的幀的目的MAC地址在交換機表中時，按照映射轉發到特定接口
（5）接收的幀的目的MAC地址不在交換機中時，廣播該幀
（6）及時刪除交換機表中已經老化的映射
8、以太網的差錯檢驗
（1）使用CRC校驗收到的幀，通過則保留，不通過則丟棄
（2）不管校驗結果如何，都不會反饋校驗信息
9、鏈路層交換機的性質
（1）消除碰撞，使得最大聚合帶寬爲交換機所有接口速率之和
（2）隔離異質鏈路，使得不同鏈路能以不同速率在不同媒體上運行
（3）強化安全，檢測異常適配器並斷開連接
（4）方便管理，收集帶寬使用的統計數據、碰撞率和流量類型等，提供管理員使用
10、交換機毒化
（1）向交換機發送大量具有不同僞造源MAC地址的分組
（2）交換機表被僞造表項填充滿，導致大部分合法分組被廣播
（3）嗅探器從而俘獲到合法分組
11、交換機 VS 路由器
（1）交換機
優點：即插即用、更高的分組過濾和轉發速率
缺點：拓撲有生成樹限制、無法抵抗廣播風暴
（2）路由器
優點：拓撲無生成樹限制、防火牆保護可以抵抗廣播風暴
缺點：不是即插即用、對分組的處理時間更長
12、虛擬局域網
（1）通過單一的物理局域網基礎設施來定義多個虛擬局域網
（2）交換機維護一張端口到VLAN的映射表
（3）交換機軟件僅在屬於相同VLAN的端口之間交付幀
（4）不用VLAN之間需要通過路由器聯繫
（5）合併不同交換機上的相同VLAN可以使用端口互連或幹線連接