第5章數(shù)據(jù)鏈路層

第5章

數(shù)據(jù)鏈路層15.1概述5.3多路訪問(wèn)鏈路協(xié)議（CSMA/CA和CSMA/CD)5.4以太網(wǎng)幀格式5.7回顧：Web頁(yè)面請(qǐng)求的歷程2網(wǎng)絡(luò)層功能：提供兩臺(tái)主機(jī)之間的通信服務(wù)。根據(jù)路由選擇協(xié)議確定通信路徑:由源主機(jī)和目的主機(jī)之間的一系列通信鏈路和路由器組成。鏈路層功能：將分組通過(guò)一個(gè)鏈路，從一個(gè)結(jié)點(diǎn)傳輸?shù)洁徑牧硪粋€(gè)結(jié)點(diǎn)。5.1概述和服務(wù)鏈路3鏈路5.1概述和服務(wù)結(jié)點(diǎn)(node)：運(yùn)行鏈路層協(xié)議的任何設(shè)備。鏈路(link)：連接相鄰結(jié)點(diǎn)的通信信道。鏈路層信道類型廣播鏈路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信鏈路45.1.1鏈路層提供的服務(wù)成幀：把網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報(bào)封裝成鏈路層幀，再傳送到鏈路上。首部包括若干字段：如編號(hào)、物理地址等。不同的鏈路層協(xié)議，幀格式可能不同。幀格式5鏈路接入：由媒體訪問(wèn)控制MAC協(xié)議定義幀在鏈路上傳輸?shù)囊?guī)則。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路：一個(gè)發(fā)送方和一個(gè)接收方，MAC協(xié)議比較簡(jiǎn)單(或不存在)，即任何時(shí)候只要鏈路空閑，發(fā)送方都能夠發(fā)送幀。廣播鏈路：多個(gè)結(jié)點(diǎn)共享一個(gè)鏈路（多路訪問(wèn)），使用MAC協(xié)議協(xié)調(diào)多個(gè)結(jié)點(diǎn)的幀傳輸。5.1.1鏈路層提供的服務(wù)6可靠交付：保證網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)報(bào)無(wú)差錯(cuò)地通過(guò)鏈路層。與運(yùn)輸層類似，可通過(guò)確認(rèn)和重傳獲得。高差錯(cuò)率的鏈路：如無(wú)線鏈路，在本地(發(fā)生差錯(cuò)的鏈路)糾正差錯(cuò)，不通過(guò)運(yùn)輸層或應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行端到端的數(shù)據(jù)重傳；低差錯(cuò)率的鏈路：如光纖、同軸電纜、雙絞線鏈路，不需提供可靠的傳輸服務(wù)。5.1.1鏈路層提供的服務(wù)7差錯(cuò)檢測(cè)：幀在傳輸時(shí)有可能出現(xiàn)比特差錯(cuò)（10、01）。差錯(cuò)檢測(cè)用來(lái)檢測(cè)是否存在一個(gè)或多個(gè)差錯(cuò)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)：在幀中設(shè)置差錯(cuò)檢測(cè)比特；接收節(jié)點(diǎn)：對(duì)收到的幀進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)。通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)。差錯(cuò)糾正：與差錯(cuò)檢測(cè)類似。接收方不僅能檢測(cè)幀中是否出現(xiàn)差錯(cuò)，還能判斷差錯(cuò)的位置，并進(jìn)行糾正。5.1.1鏈路層提供的服務(wù)85.1.2鏈路層在何處實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)適配器：網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）。是一個(gè)電路板（或PCMCIA板），包括RAM、DSP芯片、主機(jī)總線接口和鏈路接口。實(shí)現(xiàn)物理層及鏈路層主體部分的功能（比如成幀，鏈路接入、差錯(cuò)檢測(cè)等）。鏈路層是硬件和軟件的結(jié)合體?？刂破魑锢韨鬏攖cpu存儲(chǔ)器主機(jī)總線(e.g.,PCI)網(wǎng)絡(luò)適配器應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層鏈路層物理層5-9發(fā)送節(jié)點(diǎn)：控制器從主機(jī)內(nèi)存中取出網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)報(bào)傳遞到適配器，封裝成幀，遵循鏈路接入?yún)f(xié)議將幀傳輸?shù)酵ㄐ沛溌?。接收?jié)點(diǎn)：適配器接收幀，進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)，無(wú)錯(cuò)解封取出數(shù)據(jù)報(bào)，傳遞給網(wǎng)絡(luò)層。發(fā)送節(jié)點(diǎn)幀接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)報(bào)幀適配器適配器鏈路層協(xié)議105.3多（址）路訪問(wèn)協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層的兩種網(wǎng)絡(luò)鏈路：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路：鏈路兩端各一個(gè)結(jié)點(diǎn)。一個(gè)發(fā)送和一個(gè)接收。如，PPP，HDLC。廣播鏈路：多個(gè)結(jié)點(diǎn)連接到一個(gè)共享的廣播信道。廣播：任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)傳輸一幀時(shí)，信號(hào)在信道上廣播，其他結(jié)點(diǎn)都可以收到一個(gè)拷貝。常用于局域網(wǎng)LAN中，如以太網(wǎng)和無(wú)線局域網(wǎng)。多路訪問(wèn)問(wèn)題：如何協(xié)調(diào)多個(gè)發(fā)送和接收結(jié)點(diǎn)對(duì)共享廣播信道的訪問(wèn)。11多路訪問(wèn)協(xié)議：規(guī)范結(jié)點(diǎn)在共享的廣播信道上的傳輸行為。碰撞或沖突：兩個(gè)以上的結(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸幀，使接收方收不到正確的幀（所有沖突的幀都受損丟失），造成廣播信道時(shí)間的浪費(fèi)。5.3多（址）路訪問(wèn)協(xié)議12多路訪問(wèn)協(xié)議類型：信道劃分協(xié)議把信道劃分為小"片"帶寬；給結(jié)點(diǎn)分配專用的小"片"使用時(shí)隙。隨機(jī)訪問(wèn)協(xié)議不劃分信道，允許沖突能從沖突中“恢復(fù)”輪流協(xié)議通過(guò)輪流訪問(wèn)信道避免沖突，要發(fā)送的結(jié)點(diǎn)越多輪流時(shí)間越長(zhǎng)5.3多（址）路訪問(wèn)協(xié)議135.3.2隨機(jī)訪問(wèn)協(xié)議基本思想：發(fā)送節(jié)點(diǎn)以信道全部帶寬發(fā)送數(shù)據(jù)；發(fā)生沖突時(shí)，沖突的每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間，再重發(fā)，直到幀(分組)發(fā)送成功。典型隨機(jī)訪問(wèn)協(xié)議：ALOHA協(xié)議載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)CSMA協(xié)議帶沖突檢測(cè)載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)CSMA/CD14訪問(wèn)協(xié)議增加兩個(gè)規(guī)則：載波偵聽：某個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送之前，先監(jiān)聽信道。信道忙：有其他節(jié)點(diǎn)正往信道發(fā)送幀，該節(jié)點(diǎn)隨機(jī)等待（回退）一段時(shí)間，然后再偵聽信道。信道空：該節(jié)點(diǎn)開始傳輸幀。沖突檢測(cè)：邊發(fā)送邊監(jiān)聽，即節(jié)點(diǎn)在傳輸同時(shí)偵聽信道。如果檢測(cè)到有其他節(jié)點(diǎn)正在傳輸幀，發(fā)生沖突，立即停止傳輸，并用某種方法來(lái)決定何時(shí)再重新傳輸。15CSMA：只增加“載波偵聽”規(guī)則。也叫“先聽后講”?；驹恚簜魉颓皞陕犘诺篱e：傳送整個(gè)幀信道忙：延遲傳送特點(diǎn)：發(fā)前監(jiān)聽，可減少?zèng)_突。由于傳播時(shí)延的存在，仍有可能出現(xiàn)沖突，并造成信道浪費(fèi)。節(jié)點(diǎn)沒有進(jìn)行沖突檢測(cè)，既使發(fā)生了沖突，節(jié)點(diǎn)仍繼續(xù)傳輸它們的幀。16CSMA/CD:增加“載波偵聽”和“沖突檢測(cè)”兩個(gè)規(guī)則?！斑呎f(shuō)邊聽”基本原理：傳送前偵聽信道忙：延遲傳送信道閑：傳送整個(gè)幀發(fā)送同時(shí)進(jìn)行沖突檢測(cè)：一旦檢測(cè)到?jīng)_突就立即停止傳輸，盡快重發(fā)。目的：縮短無(wú)效傳送時(shí)間，提高信道的利用率。以太網(wǎng)采用的訪問(wèn)協(xié)議。175.4鏈路層尋址和ARP網(wǎng)絡(luò)層地址：節(jié)點(diǎn)在互連網(wǎng)絡(luò)中分配的一個(gè)唯一地址（IP地址）。用于把分組送到目的IP網(wǎng)絡(luò)。長(zhǎng)度為32比特（IPv4）。鏈路層地址：MAC地址、LAN地址、物理地址。用于把數(shù)據(jù)幀從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)(同一網(wǎng)絡(luò)中)。長(zhǎng)度為48比特，生產(chǎn)時(shí)固化在網(wǎng)卡的ROM。1A-2F-BB-76-09-AD181A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53

LAN(有線的或無(wú)線的)適配器（網(wǎng)卡）5.4鏈路層尋址和ARP19MAC地址分配：由專門機(jī)構(gòu)IEEE管理物理地址空間。負(fù)責(zé)分配六個(gè)字節(jié)中的前三個(gè)字節(jié)（高24位，地址塊）。

MAC地址是平面結(jié)構(gòu)：帶有同一網(wǎng)卡的節(jié)點(diǎn)，在任何網(wǎng)絡(luò)中都有同樣的MAC地址。

IP地址具有層次結(jié)構(gòu)：當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到不同網(wǎng)絡(luò)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的IP地址發(fā)生改變。字節(jié)向IEEE購(gòu)買廠家自行分配5.4鏈路層尋址和ARP20MAC地址封裝和識(shí)別：由“網(wǎng)卡”負(fù)責(zé)MAC地址的封裝和識(shí)別。發(fā)送適配器：將目的MAC地址封裝到幀中，并發(fā)送。所有其他適配器都會(huì)收到這個(gè)幀。接收適配器：檢查幀的目的MAC地址是否與自己MAC地址相匹配：匹配：接收該幀，取出數(shù)據(jù)報(bào)，并傳遞給上層。不匹配：丟棄該幀。廣播幀：發(fā)送給局域網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的幀。MAC廣播地址：全1地址，F(xiàn)F-FF-FF-FF-FF-FF。5.4鏈路層尋址和ARP21節(jié)點(diǎn)的地址表示：應(yīng)用層的主機(jī)名、網(wǎng)絡(luò)層的IP地址和鏈路層的MAC地址。5.4鏈路層尋址和ARP地址轉(zhuǎn)換：主機(jī)名IP地址MAC地址DNS域名系統(tǒng)：將主機(jī)名解析到IP地址。ARP地址解析協(xié)議：將IP地址解析到MAC地址。ARP只為在同一個(gè)LAN上的節(jié)點(diǎn)解析IP地址。22ARP表:包含同局域網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)IP/MAC地址的映射表。

每個(gè)IP節(jié)點(diǎn)（主機(jī)或路由器）都有一張表。

<IP地址;MAC地址;TTL>TTL每個(gè)映射表項(xiàng)過(guò)期的時(shí)間(通常為20分鐘)問(wèn)題:已知目的IP，如何知道目的MAC地址？

1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53LAN38485.4鏈路層尋址和ARP23ARP工作原理（1）：同一個(gè)LANA想發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)給B假設(shè)B的MAC地址不在A的ARP映射表。A廣播ARP查詢分組,包含B的IP地址。目的MAC地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF局域網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)接收該ARP查詢分組。

B接收到ARP查詢分組,發(fā)回一個(gè)響應(yīng)ARP分組給A，包含B的MAC地址。響應(yīng)幀按照A的MAC為目的地址單播發(fā)回。

ARP是即插即用協(xié)議:ARP表是自動(dòng)建立的，不需要系統(tǒng)管理員的配置。24A通過(guò)路由器R發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)給B，A已知B的IP地址：假設(shè)A知道路由器Ｒ的IP地址；假設(shè)A知道R的MAC地址。R1A-23-F9-CD-06-9B2010E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D121174-29-9C-E8-FF-55A2249-BD-D2-C7-56-2A2188-B2-2F-54-1A-0FBARP工作原理（2）：跨LAN尋址25R1A-23-F9-CD-06-9B2010E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D121174-29-9C-E8-FF-55A2249-BD-D2-C7-56-2A2188-B2-2F-54-1A-0FBIPEthPhyIPsrc:11IPdest:22A生成IP數(shù)據(jù)報(bào)，源地址為Ａ的IP，目的地址為B的IP。A將發(fā)給B的IP數(shù)據(jù)報(bào)打包成幀，幀中源MAC為Ａ的MAC，目的MAC為R的MAC。MACsrc:74-29-9C-E8-FF-55MACdest:E6-E9-00-17-BB-4BARP工作原理（2）：跨LAN尋址R1A-23-F9-CD-06-9B2010E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D121174-29-9C-E8-FF-55A2249-BD-D2-C7-56-2A2188-B2-2F-54-1A-0FBIPEthPhy幀從Ａ到Ｒ；IPEthPhyMACsrc:74-29-9C-E8-FF-55MACdest:E6-E9-00-17-BB-4BIPsrc:11IPdest:22IPsrc:11IPdest:22ARP工作原理（2）：跨LAN尋址R收到幀后，去掉幀首部尾部，將IP數(shù)據(jù)報(bào)交付給網(wǎng)絡(luò)層處理。

R1A-23-F9-CD-06-9B2010E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D121174-29-9C-E8-FF-55A2249-BD-D2-C7-56-2A2188-B2-2F-54-1A-0FBIPsrc:11IPdest:22R轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)報(bào)，源地址為A的IP，目的地址為B的IP。

R將IP數(shù)據(jù)報(bào)打包成幀，源地址為R的MAC，目的MAC為B的MAC。MACsrc:1A-23-F9-CD-06-9BMACdest:49-BD-D2-C7-56-2AIPEthPhyIPEthPhyARP工作原理（2）：跨LAN尋址R轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)報(bào)，源地址為A的IP，目的地址為B的IP。

R將IP數(shù)據(jù)報(bào)打包成幀，源地址為R的MAC，目的MAC為B的MAC。ARP工作原理（2）：跨LAN尋址R1A-23-F9-CD-06-9B2010E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D121174-29-9C-E8-FF-55A2249-BD-D2-C7-56-2A2188-B2-2F-54-1A-0FBIPsrc:11IPdest:22MACsrc:1A-23-F9-CD-06-9BMACdest:49-BD-D2-C7-56-2AIPEthPhyIPEthPhyR轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)報(bào)，源地址為A的IP，目的地址為B的IP。

R將IP數(shù)據(jù)報(bào)打包成幀，源地址為R的MAC，目的MAC為B的MAC。ARP工作原理（2）：跨LAN尋址R1A-23-F9-CD-06-9B2010E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D121174-29-9C-E8-FF-55A2249-BD-D2-C7-56-2A2188-B2-2F-54-1A-0FBIPsrc:11IPdest:22MACsrc:1A-23-F9-CD-06-9BMACdest:49-BD-D2-C7-56-2AIPEthPhy305.4.2以太網(wǎng)CRC檢測(cè)范圍字節(jié)866246～15004發(fā)送方：發(fā)送適配器將IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝成以太網(wǎng)幀，并傳遞到物理層。接收方：接收適配器從物理層收到該幀，取出IP數(shù)據(jù)報(bào)，并傳遞給網(wǎng)絡(luò)層。以太網(wǎng)幀格式如下：315.4.2以太網(wǎng)CRC檢測(cè)范圍字節(jié)866246～15004以太網(wǎng)幀格式如下：假設(shè)同一以太網(wǎng)LAN中兩臺(tái)主機(jī)通信。主機(jī)A向主機(jī)B發(fā)送一個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)。主機(jī)A適配器的MAC地址：

AA-AA-AA-AA-AA-AA主機(jī)B適配器的MAC地址：

BB-BB-BB-BB-BB-BB325.4.2以太網(wǎng)CRC檢測(cè)范圍字節(jié)866246～15004以太網(wǎng)幀格式如下：數(shù)據(jù)字段(46～1500字節(jié))：攜帶網(wǎng)絡(luò)層傳來(lái)的IP數(shù)據(jù)報(bào)。以太網(wǎng)的最大傳輸單元MTU是1500字節(jié)：若IP數(shù)據(jù)報(bào)超過(guò)1500字節(jié)，必須將該數(shù)據(jù)報(bào)分段。最短有效幀長(zhǎng)度是46字節(jié)：如果IP數(shù)據(jù)報(bào)小于46字節(jié)，必須填充為46字節(jié)。接收方網(wǎng)絡(luò)層去除填充內(nèi)容。335.4.2以太網(wǎng)CRC檢測(cè)范圍字節(jié)866246～15004以太網(wǎng)幀格式如下：目的地址(6字節(jié))：如主機(jī)B的地址：BB-BB-BB-BB-BB-BB。適配器B只接收目的地址與其MAC地址匹配或廣播地址的幀，并將數(shù)據(jù)字段的內(nèi)容傳遞給網(wǎng)絡(luò)層。否則，丟棄該幀。345.4.2以太網(wǎng)CRC檢測(cè)范圍字節(jié)866246～15004源地址(6字節(jié))：發(fā)送適配器的MAC地址。如主機(jī)A的地址：AA-AA-AA-AA-AA-AA。以太網(wǎng)幀格式如下：355.4.2以太網(wǎng)CRC檢測(cè)范圍字節(jié)866246～15004類型字段(2字節(jié))：以太網(wǎng)可以“多路復(fù)用”（支持）多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。通過(guò)“類型”字段區(qū)分。以太網(wǎng)幀格式如下：365.4.2以太網(wǎng)CRC檢測(cè)范圍字節(jié)866246～15004循環(huán)冗余檢測(cè)CRC(4字節(jié)):檢測(cè)幀中是否出現(xiàn)比特差錯(cuò)（翻轉(zhuǎn)）。以太網(wǎng)幀格式如下：375.4.2以太網(wǎng)CRC檢測(cè)范圍字節(jié)866246～15004前同步碼(8字節(jié))：前7字節(jié)是“10101010”，最后一個(gè)字節(jié)是“10101011”。作用如下：使接收方和發(fā)送方的時(shí)鐘同步，接收方一旦收到連續(xù)的8字節(jié)前同步碼，可確定有幀傳過(guò)來(lái)。前同步碼是“無(wú)效信號(hào)”，接收方收到后刪除，不向上層傳。CRC的校驗(yàn)范圍不包括前同步碼。以太網(wǎng)幀格式如下：5-385.7回顧Web頁(yè)面請(qǐng)求的歷程沿著協(xié)議棧自頂向下分析過(guò)程：應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層5-39假設(shè)情景如下：Comcast網(wǎng)絡(luò)/13Google網(wǎng)絡(luò)

/1905web服務(wù)器DNS服務(wù)器學(xué)校網(wǎng)絡(luò)/24webpage瀏覽器路由器(runsDHCP)第一步：主機(jī)需要連接到因特網(wǎng)筆記本電腦連接到因特網(wǎng)需要知道：IP地址，網(wǎng)關(guān)地址，DNS服務(wù)器地址。使用DHCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)DHCPUDPIPEthPhyDHCPDHCPDHCPDHCPDHCPDHCPUDPIPEthPhyDHCPDHCPDHCPDHCPDHCPDHCP請(qǐng)求報(bào)文經(jīng)UDP,IP,802.3以太網(wǎng)協(xié)議的封裝以太網(wǎng)幀目的MAC地址(dest:FFFFFFFFFFFF)在局域網(wǎng)中廣播，最終被運(yùn)行DHCP服務(wù)器的路由器接收。以太網(wǎng)幀被逐層分解，IP數(shù)據(jù)報(bào)，UDP報(bào)文，最終分解為DHCP請(qǐng)求報(bào)文。router(runsDHCP)DHCP服務(wù)器生成DHCPACK報(bào)文，包含給客戶分配的IP，客戶默認(rèn)網(wǎng)關(guān)IP,DNS服務(wù)器的IP及域名。DHCPUDPIPEthPhyDHCPDHCPDHCPDHCPDHCPUDPIPEthPhyDHCPDHCPDHCPDHCPDHCPDHCPACK報(bào)文封裝成幀，經(jīng)局域網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)到客戶機(jī)，再進(jìn)行解封。客戶通過(guò)DHCP協(xié)議擁有IP地址,DNS服務(wù)器的IP及域名，網(wǎng)關(guān)IPDHCP客戶機(jī)收到了DHCPACK報(bào)文第一步：主機(jī)需要連接到因特網(wǎng)路由器(runsDHCP)DNSUDPIPEthPhyDNSDNSDNS廣播ARP查詢報(bào)文,被網(wǎng)關(guān)接收，并回送ARP響應(yīng)報(bào)文，包含了網(wǎng)關(guān)接口的MAC地址?？蛻魴C(jī)知道網(wǎng)關(guān)的MAC地址，可以封裝DNS查詢報(bào)文成幀，發(fā)送出去。ARPqueryEthPhyARPARPARPreply發(fā)送HTTP請(qǐng)求報(bào)文之前,需要知道域名對(duì)應(yīng)的IP地址，完成TCP連接。采用DNS實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建DNS查詢報(bào)文，經(jīng)UDP,IP,Eth