第四章—網(wǎng)絡(luò)層：數(shù)據(jù)面

4.1概述

1. 網(wǎng)絡(luò)層三大功能：
   1. 轉(zhuǎn)發(fā)：
      • 將分組從一個(gè)輸入鏈路接口轉(zhuǎn)移到適當(dāng)?shù)妮敵鲦溌方涌诘穆酚善鞅镜貏?dòng)作
      • 路由器通過(guò)以分組首部字段的值為索引，在轉(zhuǎn)發(fā)表中查詢輸出鏈路接口
   2. 路由選擇：
      • 決定分組從源到目的地所采取的端到端路徑，是網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的過(guò)程
      • 路由器接收集中式/分布式產(chǎn)生的路由選擇協(xié)議報(bào)文，用于配置轉(zhuǎn)發(fā)表
   3. 連接建立：
      • 源到目的地沿著所選路徑彼此握手，以便在分組流動(dòng)之前建立起狀態(tài)
2. 路由器：基于網(wǎng)絡(luò)層字段的值做轉(zhuǎn)發(fā)決定
   • 鏈路層交換機(jī)：基于鏈路層字段中的值做轉(zhuǎn)發(fā)決定
3. 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型：定義了分組在發(fā)送與接收端系統(tǒng)之間的端到端運(yùn)輸特性
   • 因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型只提供盡力而為的服務(wù)

4.2虛電路和數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)

1. • 虛電路網(wǎng)絡(luò)：在網(wǎng)絡(luò)層提供連接服務(wù)（ATM、幀中繼）
   • 數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)：在網(wǎng)絡(luò)層提供無(wú)連接服務(wù)（IP）
2. 虛電路組成：
   • 源和目的主機(jī)之間的路徑（一系列鏈路和路由器）
   • 沿著該路徑每段鏈路的VC號(hào)（每條鏈路的VC號(hào)可能不同）
   • 沿著該路徑的每臺(tái)路由器的轉(zhuǎn)發(fā)表（建立一條虛電路增加響應(yīng)表項(xiàng)）
3. 使用不同VC號(hào)的原因
   • 減少了在分組首部中VC字段的長(zhǎng)度
   • 不同路由器不用就VC號(hào)進(jìn)行協(xié)商，簡(jiǎn)化了虛電路的建立
4. 虛電路三階段：
   1. 虛電路建立：決定路徑、為鏈路分配VC號(hào)，填寫轉(zhuǎn)發(fā)表、預(yù)留路徑資源
   2. 數(shù)據(jù)傳送：基于入接口和入VC號(hào)決定出接口和出VC號(hào)
   3. 虛電路拆除：刪除路徑路由中的轉(zhuǎn)發(fā)表
5. • 信令報(bào)文：端系統(tǒng)、路由器之間傳遞的用于建立虛電路的報(bào)文
   • 信令協(xié)議：交換信令報(bào)文的協(xié)議
6. 路由轉(zhuǎn)發(fā)表：
   • 虛電路：將（入接口，入VC號(hào)）映射到（出接口，出VC號(hào)）
   • 數(shù)據(jù)報(bào)：采用最長(zhǎng)前綴匹配，將目的地址映射到鏈路接口

4.3路由器工作原理

1. 路由器組成：
   • 路由器轉(zhuǎn)發(fā)平面：用硬件實(shí)現(xiàn)
     • 輸入端口：將一條物理鏈路與路由器連接與位于入鏈路遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)鏈路層交互； 查詢轉(zhuǎn)發(fā)表決定路由器的輸出端口
     • 交換結(jié)構(gòu)：連接路由器的輸入端口和輸出端口
     • 輸出端口：類似輸入端口
   • 路由器控制平面：用軟件實(shí)現(xiàn)
     • 路由選擇處理器：執(zhí)行路由選擇協(xié)議；維護(hù)路由選擇表以及連接的鏈路狀態(tài)信息；為路由器計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)表；執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理
2. 影子副本：路由選擇處理器將轉(zhuǎn)發(fā)表副本存放在每個(gè)端口，避免集中式處理
3. 線路前部阻塞：輸入隊(duì)列中排隊(duì)的分組必須等待其前面正在等待的分組被發(fā)送
4. 交換結(jié)構(gòu)：
   1. 經(jīng)內(nèi)存交換：分組從輸入端口復(fù)制到內(nèi)存，再?gòu)?fù)制到輸出端口緩存
   2. 經(jīng)總線交換：分組通過(guò)總線發(fā)往所有輸出端口，只有特定輸出端口能保存
   3. 縱橫式交換：能并行轉(zhuǎn)發(fā)具有不同輸入與輸出端的分組

4.4網(wǎng)際協(xié)議：因特網(wǎng)中的轉(zhuǎn)發(fā)和編址

1. 因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層三組件：
   1. IP協(xié)議：網(wǎng)絡(luò)層主要協(xié)議
   2. 路由選擇協(xié)議：用于計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)表
   3. ICMP協(xié)議：因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議，用于因特網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層差錯(cuò)和信息報(bào)告
2. IPv4數(shù)據(jù)報(bào)格式（首部通常為20字節(jié)）
   • 版本號(hào)：規(guī)定IP協(xié)議版本，以便讓路由器確定如何解釋剩余部分
   • 首部長(zhǎng)度：以32bits為單位
   • 服務(wù)類型：區(qū)分不同類型的IP數(shù)據(jù)報(bào)
   • 數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度：首部加上數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，以字節(jié)為單位
   • 標(biāo)識(shí)：發(fā)送主機(jī)給它發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的標(biāo)識(shí)號(hào)加1
   • 標(biāo)志：指示某分片是否是數(shù)據(jù)報(bào)的最后一片，0是，1不是
   • 片偏移：確保目的主機(jī)按正確的順序重新組轉(zhuǎn)片
   • 壽命：還能經(jīng)過(guò)的路由跳數(shù)，為0時(shí)該數(shù)據(jù)報(bào)必須丟棄
   • 上層協(xié)議：指示IP數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分應(yīng)該交給哪個(gè)運(yùn)輸層協(xié)議
   • 首部檢驗(yàn)和：以2字節(jié)為單位，相加求和，每臺(tái)路由器都要重新計(jì)算該值IP地址
   • 源IP地址
   • 目的IP地址
   • 選項(xiàng)：允許IP首部擴(kuò)展（IPv6已刪去）
   • 數(shù)據(jù)
3. 最大傳送單元MTU：鏈路層幀能承載的最大數(shù)據(jù)量
4. IP數(shù)據(jù)報(bào)大于MTU時(shí)，路由器將其拆分成片，最終全部在端系統(tǒng)重新組裝
5. 分片的過(guò)程
   • 標(biāo)識(shí)號(hào)不變
   • 標(biāo)識(shí)號(hào)只有最后一片為0，其余為1
   • 片偏移指示前面數(shù)據(jù)量大小，以8字節(jié)為單位
6. 接口：主機(jī)/路由器與鏈路之間的邊界，主機(jī)只有一個(gè)，路由器有多個(gè)
7. IP地址：與接口相關(guān)聯(lián)，具有全球唯一性（NAT后面的接口除外）
8. 子網(wǎng)：互聯(lián)主機(jī)接口與某個(gè)路由器接口的網(wǎng)絡(luò)
   • 子網(wǎng)掩碼：用于劃分IP地址的網(wǎng)絡(luò)地址與主機(jī)地址
9. 因特網(wǎng)的地址分配策略為無(wú)類別域間路由選擇CIDR
10. 使用單個(gè)網(wǎng)絡(luò)前綴通告多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能力為地址聚合、路由聚合、路由摘要
11. 默認(rèn)網(wǎng)關(guān)：第一跳路由器地址
12. 動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議DHCP：
    • DHCP服務(wù)器發(fā)現(xiàn)：新加入的主機(jī)用廣播地址發(fā)送DHCP發(fā)現(xiàn)報(bào)文
    • DHCP服務(wù)器提供：服務(wù)器響應(yīng)以廣播地址發(fā)送DHCP提供報(bào)文回饋相關(guān)信息
    • DHCP請(qǐng)求：客戶選擇配置參數(shù)后向選中的服務(wù)器發(fā)送DHCP請(qǐng)求報(bào)文
    • DHCP ACK：服務(wù)器用DHCP ACK報(bào)文確認(rèn)
13. 保留地址空間：
    10.0.0.0/8
    172.16.0.0/12
    192.168.0.0/16
14. 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT：
    • 將來(lái)自NAT背后的（源IP地址，端口號(hào)）映射為NAT面向廣域網(wǎng)的（NAT的IP地址，新端口號(hào)），即通過(guò)虛擬端口號(hào)的輔助，來(lái)擴(kuò)展尋址能力
    • 通用即插即用UPnP協(xié)議是一種允許主機(jī)發(fā)現(xiàn)并配置鄰近NAT的協(xié)議，NAT穿越正越來(lái)越多地由UPnP協(xié)議提供
15. 反對(duì)NAT的理由：
    • 端口號(hào)是用于進(jìn)程編址的，而不是用于主機(jī)編址的
    • 路由器通常僅應(yīng)當(dāng)處理到網(wǎng)絡(luò)層分組
    • 違反了端到端原則，即結(jié)點(diǎn)不應(yīng)介入主機(jī)與主機(jī)的直接對(duì)話
    • 應(yīng)使用IPv6來(lái)解決IP地址短缺問題
16. 因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議ICMP：
    • 作為IP有效載荷承載，用于主機(jī)和路由器彼此溝通網(wǎng)絡(luò)層的信息
17. IPv6數(shù)據(jù)報(bào)格式：
    • 版本號(hào)：
    • 流量類型：類似IPv4服務(wù)類型字段
    • 流標(biāo)簽：用于標(biāo)識(shí)一條數(shù)據(jù)報(bào)的流
    • 有效載荷長(zhǎng)度：有效載荷的字節(jié)數(shù)
    • 下一個(gè)首部：類似IPv4上層協(xié)議字段
    • 跳限制：類似IPv4的TTL
    • 源地址：擴(kuò)展到128bits
    • 目的地址：擴(kuò)展到128bits
    • 數(shù)據(jù)
18. IPv6特性：
    • 將地址容量從32bits擴(kuò)展到了128bits
    • 不允許中間路由器進(jìn)行分片，數(shù)據(jù)報(bào)太大時(shí)直接丟棄，告知端系統(tǒng)分片
    • 不再計(jì)算首部檢驗(yàn)和
    • 不再顯式包含選項(xiàng)，而將其轉(zhuǎn)移到下一個(gè)首部指出的位置上
19. IPv4向IPv6的遷移：雙棧、建隧道

第五章 網(wǎng)絡(luò)層：控制面

5.1路由選擇算法

1. • 默認(rèn)路由器：與主機(jī)相連接的第一跳路由器
   • 源路由器：源主機(jī)的默認(rèn)路由器
   • 目的路由器：目的主機(jī)的默認(rèn)路由器
2. • 全局式路由選擇算法：具有全局狀態(tài)信息，也叫鏈路狀態(tài)算法
   • 分散式路由選擇算法：路由隨時(shí)間流逝變化緩慢
   • 動(dòng)態(tài)路由選擇算法：周期性地運(yùn)行或直接響應(yīng)拓?fù)浠蜴溌焚M(fèi)用的變化
   • 負(fù)載敏感算法：鏈路費(fèi)用會(huì)動(dòng)態(tài)變化以反映出底層鏈路的當(dāng)前擁塞水平
   • 負(fù)載遲鈍算法：鏈路費(fèi)用不明顯地反映其當(dāng)前擁塞水平
3. 鏈路狀態(tài)LS算法：即Dijkstra算法
4. 距離向量DV算法：即Bellman-Ford算法
   • 每個(gè)結(jié)點(diǎn)都維護(hù)它自身到所有目的地的費(fèi)用的估計(jì)值，作為距離向量
   • 每個(gè)結(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)其所有鄰居的距離向量的最新副本
   • 每次收到鄰居點(diǎn)或相鄰邊代價(jià)變化時(shí)，檢查自身是否可以更新
   • 若自身成功更新，則將更新后的距離向量發(fā)送給鄰居以供其存儲(chǔ)
   • 若自身成功更新，則將更新后的距離向量發(fā)送給鄰居以供其儲(chǔ)存
   • 可以通過(guò)增加毒性逆轉(zhuǎn)來(lái)解決2個(gè)結(jié)點(diǎn)的無(wú)窮計(jì)數(shù)問題
5. 鏈路狀態(tài)LS算法VS距離向量DV算法
   • 報(bào)文復(fù)雜性：LS算法每個(gè)結(jié)點(diǎn)向所有結(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文；DS算法只在相鄰結(jié)點(diǎn)之間交換報(bào)文
   • 收斂速度：LS算法相較而言收斂較快；DS算法收斂較慢，且在收斂時(shí)會(huì)遇到路由選擇環(huán)路問題
   • 健壯性：LS算法的計(jì)算在某種成都上是分離的，提供了一定的健壯性；DV算法中一個(gè)不正確的結(jié)點(diǎn)的計(jì)算值會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)

• 自治系統(tǒng)AS：由一組通常處在相同管理控制下的路由器
• 自治系統(tǒng)路由選擇協(xié)議：在一個(gè)自治系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行的路由選擇算法
• 網(wǎng)關(guān)路由器：一個(gè)AS中負(fù)責(zé)向其他AS轉(zhuǎn)發(fā)分組的路由器
• 熱土豆協(xié)議：路由器總是選擇一個(gè)可到目的地的AS內(nèi)代價(jià)最低的網(wǎng)關(guān)路由器

5.2路由器中的路由選擇

1. • AS內(nèi)路由選擇協(xié)議（內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議）：路由選擇信息協(xié)議RIP，開放最短路優(yōu)先OSPF
   • AS間路由選擇協(xié)議（外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議）：邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議BGP
2. RIP協(xié)議：
   • 通常設(shè)置于下層ISP和企業(yè)網(wǎng)中
   • 是一種距離向量協(xié)議，運(yùn)行方式類似于DV算法
   • 以經(jīng)過(guò)的子網(wǎng)數(shù)量（跳數(shù)）作為路徑費(fèi)用
   • 最大費(fèi)用限制為15，使得RIP的使用限制在網(wǎng)絡(luò)直徑不超過(guò)15跳的AS內(nèi)
   • 每臺(tái)路由器維護(hù)路由選擇表（距離向量+轉(zhuǎn)發(fā)表）
   • 路由選擇信息在鄰居間通過(guò)RIP響應(yīng)報(bào)文（RIP通告）來(lái)交互
   • RIP通告大約每30秒交互一次，超過(guò)180秒不交互，默認(rèn)不可達(dá)
   • RIP通告即路由選擇表，路由器每次收到RIP通告后合并進(jìn)自己的選擇表
   • RIP使用運(yùn)輸層協(xié)議UDP上的端口520來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的信息維護(hù)
3. OSPF協(xié)議：
   • 通常設(shè)置在上層ISP中
   • 是一種鏈路狀態(tài)協(xié)議，運(yùn)行方式類似于Dijkstra算法
   • 鏈路的費(fèi)用權(quán)值由網(wǎng)絡(luò)管理員配置
   • 路由器向系統(tǒng)內(nèi)的所有路由器廣播路由選擇信息
   • 鏈路狀態(tài)變化時(shí)，路由器廣播鏈路狀態(tài)信息，無(wú)變化也會(huì)周期性的進(jìn)行廣播
   • OSPF使用IP承載，需要自行實(shí)現(xiàn)可靠報(bào)文傳輸與鏈路狀態(tài)廣播等功能
   • AS內(nèi)部配置成多個(gè)區(qū)域，其中一個(gè)為主干區(qū)域，包含所有區(qū)域邊界路由器
   • 分組先路由到源區(qū)域邊界路由器，再通過(guò)主干路由到目的區(qū)域邊界路由器
   • 具有安全，可使用等費(fèi)用的多條路徑，支持單播與多播，支持層次結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)
4. BGP協(xié)議：
   • 建立了半永久BGP TCP連接（BGP會(huì)話）的路由器對(duì)成為BGP對(duì)等方
   • 跨越AS的BGP會(huì)話為外部eBGP會(huì)話，AS內(nèi)的BGP會(huì)話為內(nèi)部iBGP會(huì)話
   • 不作為流量中轉(zhuǎn)2的AS成為樁網(wǎng)絡(luò)，除樁網(wǎng)絡(luò)外的AS都具有自治系統(tǒng)號(hào)ASN
   • 路由器通過(guò)BGP會(huì)話交互的信息為前綴與屬性值所構(gòu)成的路由
   • 屬性值A(chǔ)S-PATH包含了該路由已通過(guò)的那些AS的ASN
   • 屬性棧NEXT-HOP為該路由中連接本AS的上一個(gè)AS的路由器的IP地址
   • BGP是面向策略的AS間路由選擇協(xié)議，除了跳計(jì)數(shù)外沒有費(fèi)用的概念
   • 路由選擇順序：偏好->最短AS-PATH->最靠近NEXT-HOP->BGP標(biāo)識(shí)符
5. 在AS間和AS內(nèi)選擇不同路由選擇協(xié)議的原因：
   • 策略：AS內(nèi)優(yōu)先考慮代價(jià)，AS間優(yōu)先考慮策略
   • 規(guī)模：AS路由選擇要考慮可擴(kuò)展性，AS內(nèi)路由選擇不需要
   • 性能：AS間路由選擇能依據(jù)策略選擇路徑，AS內(nèi)路由選擇要關(guān)注于性能

5.3廣播和多播路由選擇

1. 用單播實(shí)現(xiàn)廣播
   • 實(shí)現(xiàn)：源結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生分組的N份副本，并利用單播路由向N個(gè)目的地址傳輸
   • 缺點(diǎn)：效率不高；接收方地址不一定為發(fā)送方所知；廣播的目的是生成和更新單播路由，用目的取代手段不夠明智
2. 無(wú)控制洪泛廣播：
   • 實(shí)現(xiàn)：源節(jié)點(diǎn)向它的所有鄰居發(fā)送分組的副本；當(dāng)某結(jié)點(diǎn)收到一個(gè)分組時(shí)，保存并向鄰居轉(zhuǎn)發(fā)
   • 缺點(diǎn)：不能完全避免冗余分組的傳播
3. 序號(hào)控制洪泛（受控洪泛）廣播
   • 實(shí)現(xiàn)：廣播分組中加入源結(jié)點(diǎn)地址和廣播序號(hào)；每個(gè)結(jié)點(diǎn)維護(hù)接收到的每個(gè)廣播分組的序號(hào)列表；當(dāng)收到在列表中的廣播分組時(shí)，直接丟棄；當(dāng)收到不在列表中的分組時(shí)，保存并向鄰居轉(zhuǎn)發(fā)
   • 缺點(diǎn)：不能完全避免冗余分組的傳播
4. 反向路徑轉(zhuǎn)發(fā)RPF（受控洪泛）廣播：
   • 實(shí)現(xiàn)：廣播分組中加入源節(jié)點(diǎn)地址：每個(gè)結(jié)點(diǎn)維護(hù)它在發(fā)送方的單播路徑上的前驅(qū)結(jié)點(diǎn)；當(dāng)收到來(lái)自非前驅(qū)結(jié)點(diǎn)的分組時(shí)，直接丟棄；當(dāng)收到來(lái)自前驅(qū)結(jié)點(diǎn)的分組時(shí)，保存并向鄰居轉(zhuǎn)發(fā)
   • 缺點(diǎn)：不能完全避免冗余分組的傳播
5. 生成樹廣播:
   • 實(shí)現(xiàn)：基于中心結(jié)點(diǎn)（匯合點(diǎn)/核）建立一棵生成樹：每個(gè)結(jié)點(diǎn)維護(hù)它在生成樹中的鄰居；發(fā)送分組時(shí)只在生成樹鏈路中進(jìn)行
6. 多播服務(wù)：
   1. 多播分組僅被交付給網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的一個(gè)子集
   2. D類多播地址為表示一組接收方的單一標(biāo)識(shí)
   3. 多播組為一個(gè)與D類多播地址相關(guān)聯(lián)的接收方小組
   4. 使用因特網(wǎng)組管理協(xié)議IGMP與多播路由選擇協(xié)議
7. IGMP協(xié)議：
   • 運(yùn)行在一臺(tái)主機(jī)和與其直接相連的路由器之間
   • membership_query報(bào)文：路由器用于查詢接口上的主機(jī)已加入的多播組集合
   • membership_report 報(bào)文：主機(jī)通知路由器其加入的多播組集合
   • leave_group 報(bào)文：主機(jī)通知路由器其離開了某多播組（可以省略）
   • 當(dāng)無(wú)主機(jī)響應(yīng)一個(gè)具有給定組地址的查詢報(bào)文時(shí)，則斷定無(wú)主機(jī)還在該多播組
8. 軟狀態(tài)機(jī)制：
   • 狀態(tài)若未被顯式地更新，則通過(guò)超時(shí)事件被刪除
9. 多播路由選擇算法：
   • 目標(biāo)：發(fā)現(xiàn)一棵鏈路的樹連接了所以某多播組的路由器
   • 實(shí)現(xiàn)：使用組共享樹（即基于核心），維護(hù)代價(jià)小，發(fā)送代價(jià)可能不是最優(yōu)；使用基于源的樹，維護(hù)代價(jià)大，發(fā)送代價(jià)為最優(yōu)
10. 因特網(wǎng)中的多播路由選擇
    • 距離向量多播路由選擇協(xié)議DVMRP：反向路徑轉(zhuǎn)發(fā)+剪枝
    • 協(xié)議無(wú)關(guān)多播路由選擇協(xié)議PIM：稠密模式類似DVMRP；稀疏模式使用聚焦點(diǎn)來(lái)建立多播分發(fā)樹

第六章 鏈路層（協(xié)議棧中軟硬件交流的地方）鏈路、接入網(wǎng)和局域網(wǎng)

6.1 鏈路層概述

1. 結(jié)點(diǎn)：運(yùn)行鏈路層協(xié)議的任何設(shè)備（主機(jī)、路由器、交換機(jī)、WIFI接入點(diǎn)）
   鏈路：沿著通信路徑連接相鄰結(jié)點(diǎn)的通信信道
2. 鏈路層提供的服務(wù)：
   1. 成幀
   2. 鏈路接入，使用媒體訪問控制協(xié)議MAC
   3. 可靠交付，通過(guò)確認(rèn)與重傳實(shí)現(xiàn)
   4. 差錯(cuò)檢測(cè)與糾正，用硬件實(shí)現(xiàn)
3. 網(wǎng)絡(luò)適配器（網(wǎng)卡）：類似于I/O設(shè)備，連接在PCI上，包含控制器和物理傳輸線路
4. 大部分鏈路層在硬件中實(shí)現(xiàn)，部分在軟件中實(shí)現(xiàn)，鏈路層是軟硬件結(jié)合的地方

6.2差錯(cuò)檢測(cè)和糾正技術(shù)

1. 使用差錯(cuò)檢測(cè)和糾正比特EDC來(lái)增強(qiáng)數(shù)據(jù)D，可以盡可能地檢測(cè)出比特差錯(cuò)
2. 一維奇偶校驗(yàn)：包含附加比特，使得1的總數(shù)是偶數(shù)；二維奇偶校驗(yàn)：劃分i行j列，對(duì)每行每列使用一維奇偶校驗(yàn)
3. 前向糾錯(cuò)：接收方檢測(cè)差錯(cuò)并糾正；后向糾錯(cuò)：接收方檢測(cè)差錯(cuò)并請(qǐng)求重傳來(lái)恢復(fù)
4. 檢驗(yàn)和方法：將數(shù)據(jù)劃分為k比特的序列，相加后取反
5. 循環(huán)冗余檢測(cè)CRC：
   • 所有加減采用異或方式進(jìn)行
   • 對(duì)r+1位的生成多項(xiàng)式（二進(jìn)制串）
   • 在數(shù)據(jù)后添加r個(gè)0，然后除以生成多項(xiàng)式
   • 用所得余數(shù)替換數(shù)據(jù)后添加的r個(gè)0，即得CRC編碼（多項(xiàng)式編碼）
   • 每個(gè)CRC標(biāo)準(zhǔn)都能保證檢測(cè)出最多r比特的差錯(cuò)和任何奇數(shù)個(gè)的比特差錯(cuò)

6.3 多路訪問鏈路和協(xié)議

1. 多路訪問協(xié)議：用于協(xié)調(diào)多個(gè)發(fā)送和接收結(jié)點(diǎn)對(duì)一個(gè)共享廣播信道的訪問
2. 理想多路訪問協(xié)議的特性：
   • 僅有一個(gè)結(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，應(yīng)能讓他使用到全部的帶寬
   • 多個(gè)結(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，平均吞吐量應(yīng)大致相等
   • 協(xié)議是分散的，不會(huì)因某主結(jié)點(diǎn)故障而使整個(gè)系統(tǒng)崩潰
   • 協(xié)議簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)不昂貴
3. 信道劃分協(xié)議：
   1. 時(shí)分多路復(fù)用TDM：時(shí)間劃分為時(shí)間幀，幀劃分為時(shí)隙
   2. 頻分多路復(fù)用FDM：信道劃分為不同頻段
   3. 碼分多址CDMA：每個(gè)結(jié)點(diǎn)用其唯一編碼來(lái)編碼數(shù)據(jù)，可同時(shí)傳輸消除碰撞
4. 隨機(jī)接入?yún)f(xié)議：
   1. 時(shí)隙ALOHA：有新幀要發(fā)送時(shí)，在下一個(gè)時(shí)隙開始時(shí)傳輸整個(gè)幀；若出現(xiàn)碰撞，則之后的每次重傳以概率p進(jìn)行；效率定義為長(zhǎng)期運(yùn)行中成功時(shí)隙的份額，約為0.37
   2. 純ALOHA： 有新幀要發(fā)送時(shí)，立即傳輸整個(gè)幀；若出現(xiàn)碰撞，則之后的每次傳輸以概率p進(jìn)行；效率為時(shí)隙ALOHA的一半，約為0.185
   3. 載波偵聽多路訪問CSMA：
      • 結(jié)點(diǎn)傳輸前先偵聽信道，檢測(cè)到一小段時(shí)間沒有傳輸時(shí)才開始傳輸
      • 信道傳播時(shí)延越大，結(jié)點(diǎn)不能及時(shí)偵聽到傳輸?shù)臋C(jī)會(huì)越大
   4. 具有碰撞檢測(cè)的載波偵聽多路訪問CSMA/CD
      • 檢測(cè)到碰撞立即停止傳輸
      • 效率為$1/(1+5?d_{prop}/d_{trans})$
   5. 二進(jìn)制指數(shù)后退算法：
      • 經(jīng)歷n次碰撞后，隨機(jī)從{0,1,2...,2n?1}\{0,1,2...,2^n-1\}{0,1,2...,2n?1}中選取k值，然后等待發(fā)送512比特所需時(shí)間的k倍
5. 輪流協(xié)議：
   1. 輪詢：
      1. 主結(jié)點(diǎn)輪詢到的結(jié)點(diǎn)才可以傳輸
      2. 能傳輸?shù)膸淖畲髷?shù)量由主結(jié)點(diǎn)通知
   2. 令牌傳遞：
      1. 持有令牌的結(jié)點(diǎn)才可以傳輸
      2. 無(wú)幀可發(fā)或發(fā)送完一個(gè)幀，將令牌傳遞給下一個(gè)結(jié)點(diǎn)

5.4 交換局域網(wǎng)

1. MAC地址：（LAN地址、物理地址）
   • 格式：6字節(jié)，以十六進(jìn)制數(shù)表示為xx-xx-xx-xx-xx-xx
   • 性質(zhì)：沒有兩塊適配器具有相同的地址；FF-FF-FF-FF-FF-FF為廣播地址
   • 必要性：可以支持各種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（不只是IP協(xié)議）
2. 地址解析協(xié)議ARP：
   1. ARP為同一子網(wǎng)上的主機(jī)和路由器將IP地址解析為MAC地址
   2. 主機(jī)和路由器的每一個(gè)接口都有其ARP表，存儲(chǔ)IP地址到MAC地址的映射
   3. ARP表中的項(xiàng)目通過(guò)ARP查詢、響應(yīng)報(bào)文來(lái)更新，且具有壽命值TTL
   4. ARP查詢、響應(yīng)報(bào)文包括：發(fā)送方IP、接收方IP、發(fā)送方MAC、接收方MAC
   5. ARP查詢報(bào)文在廣播幀中發(fā)送，ARP響應(yīng)報(bào)文在標(biāo)準(zhǔn)幀中發(fā)送
   6. ARP是跨越鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議
3. 發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)的過(guò)程：
   1. 主機(jī)查詢ARP表，是否具有對(duì)應(yīng)IP地址的MAC地址
   2. 若未在ARP表中查到相應(yīng)表項(xiàng)，使用ARP查詢報(bào)文在子網(wǎng)中進(jìn)行廣播
   3. ARP查詢報(bào)文中包含目的IP地址和目的MAC地址FF-FF-FF-FF-FF-FF
   4. 子網(wǎng)中所有適配器拆封ARP查詢報(bào)文的幀，將其上交給自身的ARP模塊
   5. 主機(jī)檢查自身IP地址是否與目的IP地址相匹配，匹配則回應(yīng)ARP響應(yīng)報(bào)文
   6. 路由器檢查目的IP地址是否應(yīng)由自己轉(zhuǎn)發(fā)，是則回應(yīng)ARP響應(yīng)報(bào)文
   7. 源主機(jī)收到ARP響應(yīng)報(bào)文后，把IP地址到MAC地址的映射插入ARP表
   8. 主機(jī)向目的MAC地址發(fā)送鏈路層幀
   9. 所有適配器都會(huì)處理到達(dá)自身的幀，但只將MAC地址符合要求的幀上交
4. 以太網(wǎng)的變革：
   1. 同軸電纜+轉(zhuǎn)發(fā)器->集線器星型拓?fù)?>交換機(jī)星型拓?fù)?/li>
   2. 轉(zhuǎn)發(fā)器：物理層設(shè)備，在輸入端接收信號(hào)并在輸出端再生信號(hào)，使得傳輸更長(zhǎng)距離
   3. 集線器：物理層設(shè)備，作用于比特，放大傳輸其受到的信號(hào)
   4. 交換機(jī)：鏈路層設(shè)備，作用于幀，不會(huì)出現(xiàn)碰撞
5. 以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)：
   1. 數(shù)據(jù)字段：46-1500字節(jié)，超過(guò)需要分片，少于則需要填充
   2. 目的地址：目的適配器的MAC地址6字節(jié)
   3. 源地址：源適配器的MAC地址6字節(jié)
   4. 類型字段：上層協(xié)議號(hào)2字節(jié)（類比TCP端口號(hào)、IP協(xié)議字段）
   5. CRC：循環(huán)冗余檢測(cè)碼4字節(jié)
   6. 前同步碼：前7字節(jié)為10101010用喚醒和同步，最后一字節(jié)10101011
6. 以太網(wǎng)的差錯(cuò)檢驗(yàn)：
   • 使用CRC校驗(yàn)收到的幀，通過(guò)則保留，不通過(guò)則丟棄
   • 不管校驗(yàn)結(jié)構(gòu)如何，都不會(huì)反饋校驗(yàn)信息
7. 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)：例 100BASE-T 代表 100Mbps 傳輸速率的基帶以太網(wǎng)，媒介為雙絞銅線
8. 鏈路層交換機(jī)：
   1. 本身不具有MAC地址，對(duì)于子網(wǎng)中的主機(jī)和路由器是透明的
   2. 全雙工，交換機(jī)和結(jié)點(diǎn)可以同時(shí)向?qū)Ψ桨l(fā)送幀而不產(chǎn)生碰撞
   3. 把接收的所有幀的源MAC地址到接口的映射加入交換機(jī)表，并加注當(dāng)前時(shí)間
   4. 接收的幀的目的MAC地址在交換機(jī)表中時(shí)，按照映射轉(zhuǎn)發(fā)到特定接口
   5. 接收的幀的目的MAC地址不在交換機(jī)表中時(shí)，廣播該幀
   6. 及時(shí)刪除交換機(jī)表中已經(jīng)老化的映射
9. 鏈路層交換機(jī)的性質(zhì)：
   • 消除碰撞，使得最大聚合帶寬為交換機(jī)所有接口速率之和
   • 隔離異質(zhì)鏈路，使得不同鏈路能以不同速率在不同媒體上運(yùn)行
   • 強(qiáng)化安全，檢測(cè)異常適配器并斷開連接
   • 方便管理，收集帶寬使用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、碰撞率和流量類型等，提供管理員使用
10. 交換機(jī)毒化：
    • 向交換機(jī)發(fā)送大量具有不同偽造源MAC地址的分組
    • 交換機(jī)表被偽造表項(xiàng)填充滿，導(dǎo)致大部分合法分組被廣播
    • 嗅探器從而俘獲到合法分組
11. 交換機(jī)VS路由器
    • 交換機(jī)：
      • 優(yōu)點(diǎn)：即插即用、更高的分組過(guò)濾和轉(zhuǎn)發(fā)速率
      • 缺點(diǎn)：拓?fù)溆猩蓸湎拗?、無(wú)法抵抗廣播風(fēng)暴
    • 路由器：
      • 優(yōu)點(diǎn)：拓?fù)錈o(wú)生成樹限制、防火墻保護(hù)可以抵抗廣播風(fēng)暴
      • 缺點(diǎn)：不是即插即用、對(duì)分組的處理時(shí)間更長(zhǎng)
12. 虛擬局域網(wǎng)：
    • 通過(guò)單一的物理局域網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)定義多個(gè)虛擬局域網(wǎng)
    • 交換機(jī)維護(hù)一張端口到VLAN的映射表
    • 交換機(jī)軟件僅在屬于相同VLAN的端口之間交付幀
    • 不用VLAN之間需要通過(guò)路由器聯(lián)系
    • 合并不同交換機(jī)上的相同VLAN可以使用端口互連或干線連接
    • 擴(kuò)展以太網(wǎng)幀格式802.1Q添加4字節(jié)VLAN標(biāo)簽用于跨越VLAN干線
    • VLAN標(biāo)簽：2字節(jié)標(biāo)簽協(xié)議標(biāo)識(shí)符、12比特VLAN標(biāo)識(shí)符、3比特優(yōu)先權(quán)