提供服务

• 成帧
• 链路接入
  • 点对点链路
    • HDLC: Bit-Oriented Protocols
    • PPP: Byte-Oriented Protocols
    • SONET: Clock-Based Framing
  • 广播链路
    • 以太网
    • 无线局域网
• 可靠交付
• 差错检验与纠正

差错检验

• 奇偶校验
• 因特网检验和：6比特
• 循环冗余检测

多路访问协议

广播链路的链路接入，期望特性

• 当仅有一个节点发送数据，$R$ bps 吞吐量
• $M$ 个节点发送数据，$\frac{R}{M}$ bps 吞吐量
• 协议是分散的
• 协议是简单的

信道划分协议

• TDM
• FDM
• CDMA

随机接入协议

ALOHA

发送$\rightarrow$等待确认$\rightarrow$超时$p$ 概率重传

• 信道最大利用率约 18%
  • $Np(1-p)^{2(N-1)}$
• 时隙 ALOHA：所有传输只允许在时隙的边界处开始，37%
  • $Np(1-p)^{N-1}$
• 无法利用局域网和分组无线网的一个重要性质：帧的传播时延小于传输时延
  • 小的传播时延提供更好的网络状态反馈信息

CSMA (载波监听多点接入)

Carrier Sensing Multiple Access

监听信道$\rightarrow$发送$\rightarrow$等待确认$\rightarrow$超时重传

• CS(载波检测)：判断是否有AM/FM信号
• LBT: Listen Before Talk
• 监听算法
  • 非持续CSMA：忙则等待一段时间，该时间长度从一个概率分布中获得
  • $1$ 持续协议：忙则持续监听，空闲立即传输
  • $p$ 持续CSMA：空闲则有$p$概率直接传输，否则等待一段时间
• 缺点：两个被破坏帧的传输时间内信道无法使用

CSMA/CD (带冲突检测的载波监听多点接入)

• $1$ 持续 CSMA + 二进制指数退避
  • 发现信道空闲等待 96 比特时间
• 干扰信号，帧间最小间隔
• 检测冲突的时间不超过端到端传播时延两倍
• CSMA/CD 效率：当有大量的活跃结点，且每个节点有大量帧要发送时，帧在信道中无碰撞传输的那部分时间在长期运行时间中所占比例
  • $d_{\text{prop}}$: 信号能量在任意两个适配器间传播的最大时间
  • $d_{\text{trans}}$: 传输一个最大长度的以太帧的时间
  • 效率 $=\frac{1}{1+5\frac{d_{\text{prop}}}{d_{\text{trans}}}}$

二进制指数退避(BEB)

检测到冲突后，节点停止传输，发送干扰序列（JAM序列），之后进行backoff，完成之后可以尝试再次重传

1. 基本退避时间一般为端到端的往返时间 $2t$(冲突窗口或争用期)
2. $k=\min($冲突次数$，10)$
3. 从离散的整数集合${0,1,2，……，(2^k-1)}$中随机的取出一个数$r$，等待时延$2tr$ （等待 $512$ 比特时间）
4. 当冲突次数超过$16$次后，发送失败，丢弃传输的帧，发送错误报告。

CSMA/CA (带冲突回避的载波监听多点接入)

• IFS(帧间间隔): SIFS,PIFS,DIFS
• 物理载波监听：信道忙则等待 IFS 时间
  • 能量检测
  • 载波侦听
• 虚拟载波监听：NAV>0 则 NAV 减一
• 算法
  • CSMA: 若空闲则等待 DIFS 时间后发送，否则
  • CA: 进行二进制随机退避，侦听到信道空闲递减该值，减到 0 则发送
  • 接受完成后 SIFS 对方发送 ACK
  • 超时则在第二步回退，成功从第二步开始

轮流协议

• 轮询协议：主节点循环的方式轮询(poll)每个节点
  • 轮询时延
  • 主节点故障
  • 802.15 协议，蓝牙协议
• 令牌传递协议
  • IEEE 802.5 令牌环协议
  • 光纤分布式数据接口协议 (FDDI)

ARP

Address Resolution Protocol, RFC 826, 地址解析协议

• 链路层地址与网络接口相关联
  • 链路层交换机无链路层地址
  • LAN 地址/物理地址/MAC 地址
  • 长度 6 字节，共有 $2^{48}$ 个，十六字节表示法
  • MAC 广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF
• 将 IP 地址映射为 MAC 地址
  • 只为同一子网上的主机和路由器接口解析 IP 地址
• ARP 表：局域网中每个系统维护一张已知IP与子网地址映射的表 arp -a
• ARP 查询步骤
  • 构建 ARP 查询分组并广播
  • 其它主机监听 ARP 查询分组，匹配时答复 ARP 应答分组
  • 原始请求中包括发出请求的主机IP和子网地址，其它主机可将次信息复制到本地表

以太网 IEEE 802.3

无连接，不可靠服务

以太网帧结构

以太网技术

数据率(Mbps)-信号编码方式-最大网段长度(百米)

• IEEE 802.3 100Gbps 规约
  • 多通道分发：物理链路多条并行
  • 物理媒体附件子层(PMA)：物理层上，数据链路层下
  • 虚通道：物理媒体附件子层的通信通道

局域网数字信号编码

VLAN

虚拟局域网

• VLAN 交换机连接
  • 每个虚拟局域网相接：$N$
  • VLAN 干线连接：$1$
• IEEE 802.1Q VLAN 标准 (扩展以太网帧格式)
  • 干线发送侧交换机添加，干线接受侧交换机删除
  • 源地址与类型间 4 字节 VLAN 标签
    • VID: 1~4094
    • TCI(标签控制信息)：802.3 MAC帧长度/类型=0x8100，则有两个八位组的 TCI字段

MPLS

多标签交换网络

• 固定长度标签，与 IP 协同工作
• MPLS 首部：增加在第二层首部与第三层首部之间
  • 标签
  • 预留的 3 比特实验字段
  • 1 比特 S 字段：用于指示成栈
  • 寿命字段 TTL

• 仅能在两个均为 MPLS 使能的路由器间发送
  • 标签交换路由器
  • 基于标签执行交换，不必考虑分组的IP地址
• 优点
  • 交换速度增加
  • 流量管理能力
  • 转发路径的快速恢复
• 用来提供面向连接的且具有类似区分服务所提供的服务特征的QoS，支持流量管理以提高网络吞吐量，并保持基于IP组网方案的灵活性（2.5层）
  • 服务质量支持
  • 流量工程：动态地定义路由，在需求已知的情况下规划资源投入，优化网络的使用之类的能力
  • 支持虚拟专用网络
  • 多协议支持

• 基于MPLS VPN
  • 客户边缘(CE)：连接到 MPLS 网络的客户设备
  • 提供者边缘(PE)：MPLS 边缘路由器
  • 附着电路(AC)：CE和PE 间工作在链路层的链路
  • Layer 2 VPN(L2VPN)：基于链路层地址
  • Layer 3 VPN(L3VPN)：基于IP地址

LDP 标记分发协议 (Label Distribution Protocal, RFC 5036)

• 报文类型
  • 发现：LSR周期性发送 Hello 报文指示存在
  • 会话建立和维持
  • 通告：创建、更改和删除 FEC 标记映射
  • 通知报文
    • 差错通知
    • 建议通知
• LDP 报文 = 首部+多个报文
• 首部

• 报文