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[计算机网络] 02 [Layer] Data Link
2019-09-22 01:12:00 -0700
封装成帧
透明传输
差错检测
Frame
MTU
SOH
EOT
ESC
CRC
FCS
MAC
ARP
ICMPv6
Switch
L2 Switch
交换机
二层交换机
以太网交换机
true
true

1 数据链路层的用途 {#data-link-purpose}

上一篇的遗留问题说到物理层仅仅提供01bit流是远远不够的，需要进行更高层的抽象。结合开篇中提到的计算机网络的核心设计理念分组&交换，这一层的用途就是分组 : 提供基于01bit流分组后的数据帧(PDU=Frame)。

2 三个基本问题 {#three-basic-question}

想要从下层的01比特中抽象出这样的结果，则需要解决一下的三个基本问题：

  1. 封装成帧。
  2. 透明传输。
  3. 差错检测。

2.1 封装成帧 {#encapsulation-into-frame}

下层物理层提供的是01bit流，想要变成分组后的帧，就需要定义起始和结束的标记。

  1. 起始标识 : SOH(Start Of Headine)，二进制0000_0001。
  2. 结束标识 : EOT(End Of Transmission)，二进制0000_0100。

封装成帧

发送方会在Frame前后插入SOH和EOT。接受方会读取这2个标记中间的数据。每一个链路层协议对Frame的长度都有约束，称为MTU(Maximum Transfer Unit).

2.2 透明传输 {#transparent-transmission}

有了SOH和EOT还是远远不够的，设想一下当你要传输的数据中正好也包含这两个标记，那么我们的起始和结束岂不就错乱了？对的，正是如此，所以就需要找一个办法来识别出这种数据。这个办法就是转义，即通过添加一个新的符号来改变SOH和EOT的含义。

  • 转义符号 : ESC(Escape)，二进制0001_1011。

透明传输

发送方会检查Frame，然后在需要转义的地方加入ESC。接受方读取Frame时会检查是否同时出现了ESC SOH、ESC ESC和ESC EOT，有的话就移除ESC，然后把后续的一个Octet当作正常的数据。

2.3 差错检测 {#error-detection}

终于可以完成的对下层的01进行分组了。但是在传输过程中可能会发生差错，比如把0处理成了1，或者过来，再或者丢了一些数据，为了保证其完整性，就需要对其进行差错检测。这时就需要把一些校验码放在Frame的后面(EOT的前面)，这个校验码称为帧检测序列FCS(Frame Check Sequence)。生成校验码的方式通常是CRC(Cyclic Redundancy Check)，具体的算法就不展开了。

差错检测

如果接受方接收到数据后检测发现FCS对不上，则会丢弃这个Frame。从这个差错检测也可以反向推断出来，如果不分组成Frame，则就无法进行差错检测了。

3 MAC {#mac}

在LAN中，通信双方需要一个标识符来标识通信双方，这个标识符就是MAC Address(Media Access Control Address)1，也称为物理地址，后续就称为MAC了。这个标识符长度为48bit，是固化到硬件中的。前24位由IEEE负责分配（硬件厂商向其购买），后24位硬件厂商自己分配。MAC地址并不是全球唯一的，也不需要全球唯一，在一个LAN内唯一即可。

4 Ethernet Frame {#ethernet-frame}

Enternet(以太网)是美国施乐(Xerox)公司在1975年开发出来的一种LAN(Local Area Network)局域网技术。Enter(以太)来自于当时物理学中的以太理论(当时的科学家认为电磁波的传播介质是以太)。

1980年9月，DEC、Intel和Xerox三家公司联合制定了一个10Mbit/s的协议DIX V1。1982年又做了一些修改，也就是目前所使用的DIX V22。

4.1 DIX Ethernet V2 Frame {#dic-ethernet-v2-frame}

DIX V2的Frame2:

{{}}

这个协议中规定了Frame所包含的一些字段以及其字节布局，包括:

  1. Destination MAC Address (6 octet) : 目标MAC地址。
  2. Source MAC Address (6 octet) : 源MAC地址。
  3. Type (2 octet) : PayLoad的类型字段。
  4. PayLoad : MTU=1500。
  5. CRC (4 octet) : 这部分并不会出现在链路层，而是底层使用的。

4.1.1 Enter Type {#entre-type}

常用到的几种Enter Type3。

Enter Type Protocol
0x_08_00 IPv4(Internet Protocol Version 4)
0x_08_06 ARP(Addreee Resolution Protocal)
0x_81_00 VLAN(Virtual Local Area Network),IEEE 802.1Q
0x_86_DD IPv6(Internet Protocal Version 6)
0x_88_63 PPPoE Discovery Stage
0x_88_64 PPPoE Session Stage

4.2 IEEE 802.3 Frame {#ieee-802-3-frame}

在DIX V2的基础上,IEEE 802委员会的802.3工作组制定了IEEE的Enternet标准IEEE 802.3。其并未对DIX V2的Frame格式做出变动，而只是扩充了一下Type字段的含义，是完全兼容DIV V2的。IEEE 802.3中Type字段表示两个含义，当它的值大于0x0600时，代表类型；小于时则代表Payload的长度。

4.3 Frame Type {#frame-type}

这里的Frame Type和上文中的Enter Type不是一个概念。Enter Type指的指一个Frame内的Payload是什么类型的协议。而Frame Type指的是接收方收到的Frame属于哪种类型 :

  1. Unicast单播 : 1:1, 发给本LAN的一个节点。
  2. Broadcast广播 : 1:N(全体), 发给本LAN所有节点。
  3. Multicast组播 : 1:N, 发给本LAN指定的多个节点。

5 ARP {#arp}

有了MAC和Frame就可以在LAN内进行通信了，但是有个问题，发送发怎么知道对方的MAC呢？这时候就需要专门的协议来解决这个问题了：

  1. IPv4 : Broadcast协议ARP(Addreee Resolution Protocal)4。
  2. IPv6 : Multicast协议ICMPv6(Internet Control Message Protocol for IPv6)5中的NDP(Neighbor Discovery Protocol)负责。

协议不同，但是解决的问题是同一个，一下有个简单的动图可以描述这个过程。

MAC地址解析过程

如果LAN中充斥着大量的Broadcast时，就很容易形成广播风暴，严重影响正常的LAN通信。所以在IPv6协议中，已经抛弃了对Broadcast的使用，而是使用Multicast替代。

6 VLAN {#valn}

VLAN(Virtual Local Area Network)也可以缓解上述提到的广播风暴，其作用是可以在物理的LAN上建立一个虚拟的LAN。把原本一个LAN的广播域隔离为一个个的虚拟的广播域。IEEE 802.1Q是IEEE 802委员会制定的VLAN标准。

6.1 IEEE 802.1Q Frame {#ieee-802-1q-frame}

当DIX V2的Type字段的值为0x_81_00时，代表其Payload是VLAN(IEEE 802.1Q)6的帧格式7。

{{}}

7 设备 {#device}

工作在数据链路层中的设备有很多 : 网卡、集线器和网桥、二层交换机（已称为以太网交换机）。

集线器和网桥的组合它们的工作在半双工模式下，采用CSMA/CD协议检测冲突，虽然看起来是星型以太网，但是实际上还是总线型的。目前已被二层交换机替代了，所以就不再介绍集线器和网桥了。

7.1 交换机 {#switch}

一个交换机可以组建一个星型以太网，交换机识别Frame，根据协议中的目标MAC进行转发来通信（目前有专门的硬件来负责，效率非常高）。交换机内置有一个MAC Address Table，通过自学习的方式积累记录着每个MAC对应的Port。

二层交换机

注意MAC Address Table中MAC和Port的对应关系。其中MAC可以认为是key，MAC:Port是1:1; 但是反过Port:MAC则是1:N（也就是可能有N个MAC的Port是同一个）。

8 总结 {#summary}

链路层的分组&交换：把物理层的01bit流分组成Frame，以及对Frame的差错检测。然后使用交换机来实现交换。

9 遗留问题 {#leftover-problem}

但是如果传输过程中Frame丢失了、重复了或者乱序了等等，链路层对这种错误则是无能为力的，所以链路层并不能对上层提供可靠传输(发送方按序发送，接收方按序接收)。这些问题就留给了更高层的协议来完成了。

10 Reference {#reference}

Footnotes

  1. MAC Address : https://en.wikipedia.org/wiki/MAC_address ↩

  2. DIX Ethernet V2 Frame : https://github.com/linianhui/networking/blob/master/1-src/networking.model/DataLink/EthernetFrame.Layout.cs ↩ ↩2

  3. Enter Type : https://en.wikipedia.org/wiki/EtherType ↩

  4. ARP : https://en.wikipedia.org/wiki/Address_Resolution_Protocol ↩

  5. ICMPv6 : https://en.wikipedia.org/wiki/Internet_Control_Message_Protocol_for_IPv6 ↩

  6. VLAN(IEEE 802.1Q) : https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.1Q ↩

  7. VLAN Frame : https://github.com/linianhui/networking/blob/master/1-src/networking.model/DataLink/VLANFrame.Layout.cs ↩