计算机网络学习笔记-链路层

前言

正在学习计算机网络这门课程，顺便做个笔记，记录一下知识点。

参考资料：中科大郑烇老师全套《计算机网络（自顶向下方法第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》课程：https://www.bilibili.com/video/BV1JV411t7ow?p=1 《计算机网络（自顶向下方法第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》

第六章：链路层

网络层解决了分组如何从一个网络到达另一个网络的路由问题（以子网为单位），但是分组如何在子网内部的相邻节点之间传输，链路层解决了这个问题。

网络节点的连接方式：

点到点连接一般用于广域网（距离远）。举例：海底电缆将中国与其他国家的路由节点连接在一起。点到点链路的链路层服务实现非常简单，封装和解封装
多点连接一般用于局域网（距离近）。举例：在局域网中通过交换机将不同的多个节点连接起来。那么这就会产生一个问题，如果多方同时发送分组，就会产生碰撞（存在多点接入的问题）。后续我们会详细讨论。

导论

在开始前先规范一些术语：

术语	解释
nodes（节点）	主机、路由器、网桥和交换机都是节点
links（链路）	沿着通信路径,连接相邻节点通信信道的是链路（包括：有线链路、无线链路、局域网（共享性链路））
frame（帧）	链路层的数据单元（PDU）

链路层负责从一个节点通过链路将（帧中的）数据报发送到相邻的物理节点。
下面我们举一个比较贴切的例子来分析分组在链路层的传输过程：假设博主要从普林斯顿到洛桑，其中具体的路程规划如下：

先坐轿车到肯尼迪国际机场
再乘坐飞机飞往日内瓦
最后乘火车到洛桑

其中：

博主本人 = 数据报/分组
交通段 = 通信链路（communication link）
交通模式 = 链路层协议（protocol）
票务代理 = 路由算法（routing algorithm）
数据报/分组在不同的链路上以不同的链路协议传送
不同的链路协议提供不同的服务

链路层提供的服务

成帧，链路接入：
- 将数据报封装在帧中，加上帧头、帧尾部
- 如果采用的是共享性介质，信道接入获得信道访问权
- 在帧头部使用“MAC”（物理）地址来标示源和目的（注意：不同于IP地址）
在相邻两个节点（一个网络内）完成可靠数据传递
- 在低出错率的链路上（光纤和双绞线电缆）很少使用
- 在无线链路经常使用：出错率高注意：链路层也可以实现一定的可靠性在无线链路的网络上，出错率高，如果在链路层不做差错控制工作，漏出去的错误比较高；到了上层如果需要可靠控制的数据传输代价会很大
  - 一般化的链路层服务，不是所有的链路层都提供这些服务
  - 一个特定的链路层只是提供其中一部分的服务
流量控制使得相邻的发送和接收方节点的速度匹配
错误检测
- 差错由信号衰减和噪声引起
- 当接收方检测出错误时，通知发送端进行重传或丢弃帧
差错纠正接收端检查和纠正bit错误，不通过重传来纠正错误
半双工和全双工
- 半双工：链路可以双向传输，但一次只有一个方向
- 全双工：两个方向可以同时收发

链路层的实现位置

在每一个主机上
- 包括路由器
- 交换机的每个端口
链路层功能在“适配器”上实现（aka network interface card NIC)）或者在一个芯片组上
- 以太网卡，802.11 网卡; 以太网芯片组
- 实现链路层和相应的物理层功能适配器通信
- 发送方
  - 在帧中封装数据报
  - 借助于物理层，把每个bit发送出去
  - 加上差错控制编码，实现rdt（也可能不实现）和流量控制功能等
- 接收方
  - 把物理信号还原为数字信号，还原帧头、帧尾
  - 检查有无出错，执行rdt和流量控制功能等
  - 解封装数据报，将至交给上层
接到主机的系统总线上
硬件、软件和固件的综合体