第6章 链路层和局域网

第6章 链路层和局域网

6.1 引论和服务及章节概述

6.1.1 章节定位

• 课程定位：本课程为计算机网络课（非通信课），本章涵盖链路层 + 物理层部分内容（因网卡紧密捆绑链路层与物理层功能，物理层仅做简要介绍）。
  
• 层次衔接：从应用层→传输层→网络层（数据 / 控制平面），现在推进到链路层，聚焦链路层的功能、服务及互联网常用技术。
  

6.1.2 导引：链路层的核心分工

• 网络层的功能：解决子网间的路由问题（以子网为单位发布路由信息，支持聚集，用最长前缀匹配解决多路由匹配问题）。
  
• 链路层的功能：解决子网内相邻节点（主机 / 路由器）的点到点传输问题—— 包括子网内主机间、主机与网关路由器间、路由器与相邻下一跳路由器间的传输。
  

6.1.3 本章目标

（1）原理目标：理解链路层服务的核心逻辑

• 检错与纠错：处理链路传输中的错误。
  
• 多点接入（共享广播信道）：解决多节点共享介质的访问协调问题。
  
• 链路层寻址：标识不同网卡（MAC 地址）。
  
• LAN 技术：以太网、WLAN、VLANs 的工作机制。
  
• 可靠数据传输 / 流控：部分链路层需实现（原理与传输层 RDT 一致，本章不重复讲原理）。
  

（2）实例目标：掌握互联网常用链路层技术

• 广域网技术：PPP 协议。
  
• 局域网技术：以太网（802.3 标准）、WLAN（802.11 标准）等。
  

6.1.4 网络节点的连接方式

链路层的传输依赖节点的连接方式，分为两类：

• 点到点连接：仅两个节点通过一条链路直接相连（如路由器间的海底电缆）。
  
• 多点连接：多节点通过共享介质（如同轴电缆）或网络交换机连接，一个节点发送的帧可被其他节点接收。
  

6.1.5 WAN 与 LAN 的链路方式选择

（1）广域网（WAN）：采用点到点链路

• 选择原因：
  
  
  • 物理布局限制：长途链路（如上海→东京）无法便捷实现多点连接。
    
  • 碰撞代价过高：WAN 链路带宽大、延迟大（带宽延迟极高），若用多点连接，碰撞会导致大量数据失效，代价极高。
    
  
  
• 链路层功能：仅需封装 + 解封装（无寻址 / 介质访问控制需求，因链路仅连接两个节点）。
  

（2）局域网（LAN）：采用多点连接

• 选择原因：点到点连接会导致布线混乱（如教室内 N 个用户需 N (N-1)/2 条链路），多点连接（共享介质 / 交换机）更便捷。
  
• 链路层功能：更复杂，需解决寻址（区分网卡）+ 介质访问控制（协调多节点共享介质）。
  

6.1.6 本章内容提纲

6.1.7 链路层导论：核心术语

• 节点（nodes）：主机、路由器（均为链路层的通信主体）。
  
• 链路（links）：连接节点的通信信道，分两类：
  
  
  
  • 按介质：有线链路、无线链路；
    
  • 按连接方式：点到点链路、多点连接链路。
    
  
  
• 帧（frame）：链路层协议数据单元（PDU），即 IP 分组在链路层的封装形式。
  
• 链路层核心职责：在子网内的相邻节点间，传输以帧为单位的数据。
  

6.1.8 链路层上下文：不同链路的封装类比

• 类比逻辑：IP 分组（类比 “乘客”）在不同链路（类比 “交通段”）中，会被封装为不同的帧（类比 “交通工具”）：
  
  
  
  • 例：同一 IP 分组，在以太网链路封装为以太网帧，在帧中继链路封装为帧中继帧，在 WLAN 链路封装为无线帧。
    
  
  
• 链路协议差异：不同链路的协议（如以太网、802.11）提供的服务不同（如是否包含可靠传输）。
  

6.1.9 链路层服务

链路层的 “通用服务集合”，具体协议仅实现子集：
（1）成帧与链路接入

• 成帧：将 IP 分组封装为帧（加帧头、帧尾），帧头含MAC 地址（标识源 / 目的网卡）。
  
• 链路接入：多节点共享介质时，需先获取信道访问权（介质访问控制）。
  

（2）子网内相邻节点的可靠传输

• 实现逻辑：
  
  
  
  • 高差错链路（如 WLAN）：需实现（因无线衰减 / 干扰导致错率高，链路层做 local recovery 可降低端到端重传代价）；
    
  • 低差错链路（如以太网）：不实现（因有线错率低，每帧做可靠传输的代价大于收益）。
    
  
  

（3）流量控制

• 功能：匹配发送节点与接收节点的处理速度（避免接收方因处理过慢丢失数据）。
  

（4）检错

• 功能：检测帧的传输错误，若出错则丢弃该帧。
  

（5）纠错

• 方式 1：前向纠错（接收方通过冗余编码直接恢复错误数据）；
  
• 方式 2：反馈重传（接收方告知错误，发送方重传）。
  

（6）半双工 / 全双工

• 半双工：链路可双向传输，但同一时间仅能单方向传输（如对讲机）；
  
• 全双工：链路可同时双向传输（如以太网网线）。
  

6.1.10 链路层的实现载体

• 实现位置：在 ** 适配器（网卡 / NIC）** 上（主机、路由器、交换机的每个端口均有适配器）。
  
• 功能范围：适配器同时实现链路层 + 物理层功能。
  
• 载体属性：是硬件、软件、固件的综合体，接主机系统总线，上电自动运行。
  

6.1.11 适配器的通信流程

发送方流程

• 主机通过网卡驱动，将待发 IP 分组传给适配器；
  
• 适配器将分组封装为帧，添加检错编码；
  
• （若协议支持）实现 RDT / 流控功能；
  
• 物理层将帧转换为物理信号发送。
  

接收方流程

• 物理层接收物理信号，还原为数字序列；
  
• 检测帧是否出错，若出错则丢弃；
  
• 解封装帧，提取 IP 分组；
  
• 通过系统总线将分组交给上层协议（如 IP）。
  

6.2 差错检测和纠正

本部分是数据链路层中处理传输错误的核心技术，通过添加冗余位（EDC）实现数据的错误检测与纠正，降低传输干扰的影响。
6.2.1 差错检测基本逻辑

• 核心定义：
  
  
  
  • EDC：差错检测和纠正位（冗余位），用于辅助检测 / 纠正数据错误；
    
  • D：被差错检测保护的数据（可包含头部字段）。
    
  
  
• 传输与检测流程：
  
  
  • 发送方：将数据D与计算出的EDC组合为发送；
    
  • 传输：数据经过 “bit-error prone link（易出错链路）”，可能发生位错误，变为；
    
  • 接收方：检查是否符合约定的编码关系：
    
    
    
    • 符合（图中 “Y”）：认为数据无错；
      
    • 不符合（图中 “N”）：判定数据存在错误。
      
    
    
  
  
• 局限性：错误检测并非 100% 可靠（会漏检少量 “参数错误”），但更长的 EDC 字段、更复杂的编码（如 CRC）可降低漏检率。
  

6.2.2 奇偶校验

奇偶校验是简单的差错检测 / 纠正技术，分为两种类型：

• 单 bit 奇偶校验：
  
  
  
  • 功能：检测单个 bit 级错误；
    
  • 原理：添加 1 个 “校验位”，使原数据 + 校验位中 “1” 的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）；
    
  • 课件示例：原数据 “011100011010110” 后添加 1 个校验位，形成含校验位的序列。
    
  
  
• 2 维奇偶校验：
  
  
  
  • 功能：检测并纠正单个 bit 错误；
    
  • 原理：将数据比特排成矩阵，添加 “行校验位” 和 “列校验位”，形成 2 维校验结构；
    
  • 纠错逻辑：单个 bit 错误会导致对应行、列的校验位不通过，可定位错误位置；
    
  • 局限性：无法检测 “对偶错误”（两个 bit 同时发生 “1→0”“0→1” 翻转），此时行、列校验位仍会通过；
    
  • 课件示例：无错误时行列校验均通过；单个 bit 错误时行列校验不通过（可纠正）；对偶错误时校验通过（漏检）。
    
  
  

6.2.3 Internet 校验和

该技术用于传输层（如 UDP、TCP）及 IP 头部的差错检测：

• 目标：检测传输报文段时的位翻转错误（仅用于传输层）。
  
• 发送方操作：
  
  
  • 将报文段拆分为 16-bit 整数；
    
  • 计算报文段的 “校验和”（1 的补码和）；
    
  • 将 checksum 值放入对应的字段（如 “UDP 校验和” 字段）。
    
  
  
• 接收方操作：
  
  
  • 计算收到报文段的校验和；
    
  • 检查计算结果与携带的校验和字段值是否一致：
    
    
    
    • 不一致：检出错误；
      
    • 一致：无检出错误，但仍可能存在漏检错误。
      
    
    
  
  
• 简化检查方法：将所有字段相加，结果为全 1 则校验通过。
  

6.2.4 循环冗余校验（CRC）

CRC 是强大的差错检测码，广泛用于以太网、802.11 WiFi、ATM 等场景，核心是模 2 运算与多项式除法：

• 前置概念：
  
  
  
  • 模 2 运算：加法不进位、减法不借位，位与位独立，等价于 “异或”（相同为 0，不同为 1）；
    
  • 比特序列的两种表示：
    
    
    
    • 位串表示：如 “1011”；
      
    • 多项式表示：对应位串的每一位为多项式系数，如 “1011” 对应 “X³ + X + 1”；
      
    
    
  • 生成多项式 G：双方约定的 r+1 位模式（r 次方），是比特序列的多项式形式（如 “1001” 对应 “X³ + 1”，r=3）。
    
  
  
• 发送方：计算 CRC 冗余位 R
  
  
  
  • 目标：选择 r 位冗余位 R，使（D 左移 r 位后拼接 R）能被 G 整除（模 2）；
    
  • 步骤：
    
    
    • 将 D 左移 r 位（即 D×2ʳ，后面补 r 个 0）；
      
    • 将左移后的 D 除以生成多项式 G（模 2 运算）；
      
    • 得到的余数即为 R（不足 r 位则前面补 0）。
      
    
    
  
  
• 接收方：校验数据
  
  
  
  • 操作：将收到的（数据 + 冗余位）除以生成多项式 G（模 2 运算）；
    
  • 结果：余数为 0 则认为数据无错，余数非 0 则检出错误。
    
  
  
• 课件示例（对应 20 页图）：
  
  
  
  • 已知：D 左移 r 位后为 “1011100000”，生成多项式 G=“1001”（r=3）；
    
  • 运算：通过模 2 除法，将 “1011100000” 除以 “1001”；
    
  • 结果：得到余数 R=“011”（即 CRC 冗余位）。
    
  
  

6.2.5 CRC 性能分析

CRC 的检错能力如下：

• 能检出所有 1bit 错误；
  
• 能检出所有双 bits 错误；
  
• 能检出所有长度≤r 位的突发错误；
  
• 长度为 r+1 的突发错误，漏检概率为1/2r−1；
  
• 长度大于 r+1 的突发错误，漏检概率为1/2r。
  

6.3 多点访问协议（MAP）详细笔记

6.3.1 多点访问协议的背景与核心问题

（1）链路类型与 MAP 的必要性

链路分为两类，仅广播链路（共享介质） 需多点访问协议（MAP），点对点链路（如 PPP、交换机 - 主机链路）无 MAP 需求。

• 点对点链路：仅两个节点通信，无共享冲突问题（如拨号上网的 PPP 链路、以太网交换机与单个主机的链路）。
  
• 广播链路（共享介质）：多个节点共享同一物理介质（如传统同轴电缆以太网、HFC 上行链路、802.11 无线局域网），物理上一个节点发送的信号所有节点均可接收。
  

（2）核心问题：冲突与 MAP 定义

• 冲突（Collision）：两个及以上节点同时发送时，电磁波信号叠加，接收端无法解析，导致发送失效。
  
• MAP（多路访问协议 / 介质访问控制协议 MAC）：是分布式算法，用于决定共享介质上的节点 “何时可以发送数据”，核心特点：
  
  
  • 无 “带外信道”：控制信息（如 “是否发送” 的协商）与数据均在同一共享信道传输；
    
  • 无需中心节点协调：各节点通过算法自主判断，避免集中式单点故障。
    
  
  

6.3.2 理想的多路访问协议特性

理想 MAP 需满足 4 个核心条件，是协议设计的目标：

• 单节点全速发送：当仅一个节点有数据时，可按信道带宽（R bps）全速传输，无额外开销；
  
• 多节点公平均分带宽：当 M 个节点同时发送时，每个节点平均获得 R/M bps 带宽，无优先级差异；
  
• 完全分布式：无需中心节点协调，无需节点间时钟 / 时隙同步（或仅需极少同步）；
  
• 实现简单：算法逻辑简洁，硬件 / 软件实现成本低。
  

6.3.3 三类核心 MAC 协议

（1）信道划分 MAC 协议（固定分配）

核心思想：将共享信道 “分割” 为多个子信道（按时间、频率、编码），每个节点独占一个子信道，从根本上避免冲突。
①TDMA（时分多址）

• 定义：将时间划分为固定周期，每个周期内再划分为多个时隙（Slot），每个节点分配一个固定时隙，仅在自己的时隙内发送数据（帧长度 = 时隙长度）。
  
• 工作流程：
  
  
  
  • 所有节点需时间同步（确保时隙起始时刻一致）；
    
  • 节点有帧时，等待下一个自己的时隙开始发送；无帧时，时隙空闲（浪费）。
    例：6 站 LAN 中，仅 1、3、4 号站有数据，2、5、6 号站的时隙空闲，无法被其他节点利用。
    
  
  
• 优缺点：
  
  
  
  • 优点：无冲突，信道利用率稳定；
    
  • 缺点：时隙空闲浪费（低负载时明显），需复杂的时间同步机制。
    
  
  

②FDMA（频分多址）

• 定义：将信道的有效频率范围划分为多个频段（Frequency Band），每个节点分配一个固定频段，仅在自己的频段内发送数据。
  
• 工作流程：
  
  
  • 节点有帧时，在自己的频段内持续发送；无帧时，频段空闲（浪费）。例：6 站 LAN 中，仅 1、3、4 号站有数据，2、5、6 号站的频段空闲，无法复用。
    
  
  
• 优缺点：
  
  
  
  • 优点：无冲突，无需时间同步；
    
  • 缺点：频段空闲浪费（低负载时明显），需复杂的频率滤波技术（避免频段干扰）。
    
  
  

③CDMA（码分多址）

• 定义：所有节点在整个频段上同时发送，通过唯一的 “码片序列（Chip Sequence）” 区分数据，不同节点的码片序列正交（内积为 0），接收端通过解码恢复自己的数据。
  
• 工作原理：
  
  
  
  • 发送逻辑：发送 “1” 时传输原码片序列，发送 “0” 时传输码片序列反码；
    
  • 接收逻辑：接收端用自己的码片序列与混合信号做内积，若结果为正（对应 “1”）、负（对应 “0”），即可恢复数据，不受其他节点干扰。
    
  
  
• 类比理解：
  
  
  
  • TDMA：不同人 “按时间轮流说话”；
    
  • FDMA：不同人 “在不同小房间说话”；
    
  • CDMA：不同人 “说不同语言”，仅懂该语言的人能听懂。
    
  
  
• 优缺点：
  
  
  
  • 优点：无冲突，频段利用率高（所有节点共享全频段）；
    
  • 缺点：码片序列设计复杂，需严格的信号同步，适用于移动通信（3G），局域网中较少使用。
    
  
  

（2）随机访问 MAC 协议（动态竞争）

核心思想：信道不预先划分，节点有数据时可 “随机” 发送（按信道全速）；若发生冲突，通过算法检测冲突并恢复（重传）。
①时隙 ALOHA（S-ALOHA）

• 前提条件：
  
  
  • 所有节点时间同步（时隙起始时刻一致）；
    
  • 所有帧等长（帧传输时间 = 时隙长度）。
    
  
  
• 工作流程：
  
  
  • 节点生成帧后，等待下一个时隙起始时刻发送；
    
  • 发送后检测：若时隙内无其他节点发送（无冲突），发送成功；若检测到冲突（信号幅度加倍），则在下一个或后续时隙中，以概率 p 重传（抛硬币决定是否发送），直到成功。
    
  
  
• 冲突分析（对应文档 4 时隙 ALOHA 节点发送图）：
  
  
  
  • 仅当两个及以上节点在同一时隙发送时，才会冲突；空闲时隙无数据传输（浪费）。
    
  
  
• 效率计算（对应文档 5 时隙 ALOHA 效率公式）：
  
  
  
  • 效率（成功时隙占比上限）：当节点数 N→∞时，最大效率 = 1/e≈37%（约 37% 的时隙用于成功传输，其余为空闲或冲突）。
    
  
  
• 优缺点：
  
  
  
  • 优点：完全分布式（仅需时间同步），实现简单；
    
  • 缺点：冲突仍浪费时隙，低负载时空闲时隙多，高负载时冲突概率高。
    
  
  

②纯 ALOHA（Pure ALOHA）

• 核心差异：无需时间同步，节点生成帧后 “立即发送”，无需等待时隙。
  
• 冲突区间：
  
  
  
  • 一个帧在 t₀发送，会与 “t₀- 帧传输时间” 到 “t₀+ 帧传输时间” 内发送的所有帧冲突（冲突区间是时隙 ALOHA 的 2 倍）。
    
  
  
• 效率计算（对应文档 5 纯 ALOHA 效率公式）：
  
  
  
  • 当 N→∞时，最大效率 = 1/(2e)≈17.5%（仅 17.5% 的时间用于成功传输，冲突概率远高于时隙 ALOHA）。
    
  
  
• 优缺点：
  
  
  
  • 优点：无需时间同步，实现更简单；
    
  • 缺点：冲突概率高，效率低，仅适用于低负载、对实时性要求低的场景。
    
  
  

③CSMA（载波侦听多路访问）

<ul>改进思路：解决 ALOHA 冲突率高的问题 ——发送前先侦听信道（“载波侦听”），避免与正在传输的帧冲突。
工作流程：

• 节点生成帧后，先侦听信道：
  
  
  
  • 若信道空闲（无其他节点发送信号），立即发送帧；
    
  • 若信道忙（检测到信号），推迟发送，直到信道空闲。
    
  
  

冲突原因：<ul>
传播延迟导致 “局部侦听无法反映全局状态”：节点 A 发送的信号需时间传播到节点 B，若节点 B 在信号到达前侦听信道（空闲）并发送，仍会冲突。
例：A、B 为 LAN 中最远节点，A 在 t₀发送，信号需 t_prop 时间到达 B；B 在 t₀

这个有用。