数据链路层

拓扑类型

1. 点对点网络
   • PPP
   • 两类帧
   • Link Control Protocol
     • 建立和配置连接
   • Network Control Protocol
     • 每个支持的网络层协议都有一个 eg:IP数据包在PPP协议的IPCP里发 - 星型拓扑
   • 一个switch在中间转发所有流量，每条路径上点对点不会冲突
   • 如果switch上出现拥塞，switch可能发假的冲突信号抑制过多流量

(TODO:两个设备还是会冲突吧)

1. 广播网络
   • Medium Access Control：解决碰撞，公平高效地分享介质
   • Aloha
   • Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD)
     • 用于Ethernet
     • 可以冲突，冲突了退避
     • 工作过程：信号在介质上传播的最长时间是a
       • 如果介质占用，等到介质空闲
       • 如果介质空闲，立即开始发送
       • 开始发送，开始发送后监听介质2a时间，看是否冲突
         • 最多a时间后发生冲突，最多a时间听到冲突
         • 假设A在介质一端，B在介质另一端，A发送信号后接近a时间B发送，A需要接近2a时间收到冲突信号
       • 如果检测到冲突，发送冲突信号，停止发送，进入指数退避
         • 等待时间槽为2a
         • 冲突第i次，从\(0～2^i - 1\)中随机一个数，等待这么多个2a长时间再尝试发送
           • i >= 10时随机数保持 0～2^10 - 1
         • 连续冲突16次放弃发送
           • Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA)
   • IEEE 802.11 Wlan：无线一些情况下无法检测冲突，因此要避免冲突
     • Hidden terminal：(a)中Host A无法知道Host C正在通信，导致冲突
     • Exposed terminal：(b)中Host C以为信道忙，等着不通信，其实这个时候可以和D通信
   • 两种模式
     • Infrastructure mode：固定AP，大家都和路由器通信。换ap有专门的hand off方法
     • ad-hoc mode：host可以组网，转发数据
   • 工作过程
     • Distributed Coordination Function (DCF) Inter-Frame Space (DIFS)
       • 发送之前随机等待一段时间，如果信道一直空闲开始发送
       • 如果要发送时信道占用
         • 等到发送完毕
         • 等DIFS
         • 之后等退避时间。退避过程中如果信道占用暂停计时，等到计时完毕尝试发送
     • Request to Send / Clear to Send：解决hidden terminal问题
       • 发送前发RTS，带上需要占用信道的时间
       • 目标空闲回CTS，所有能和目标通信的host都会收到CTS，这段时间就算介质空闲也是占用的
     • 传输完成后回复ack

MAC地址

不同的数据链路层协议不同。Ethernet地址48位，全球唯一

• 前24位：vendor component，每个生产商一个
  • 第八位标记multicast
• 后24位：group identifier，每个设备不同

ARP

Address Resulution Protocol

• 将网络层地址转成数据链路层地址
• 不同的网络/数据链路层用不同的地址，ARP有不同的组合
• L2协议，ARP帧永远不会过路由器
  • Proxy ARP是路由器在另一个冲突域代发的

ARP Table

每条记录通常20min过期。每当设备收到ARP帧，会首先将其中的IP<->MAC对应关系写到ARP Cache里。

内容

• IP
• MAC
• Flag
  • permanent：手动配置的记录不会过期
  • pub：host会回复找这条MAC的IP
  • incomplete：发了request没回复

帧格式

长度：28 Bytes（IP V4 <–> MAC，不同协议长度不同）。发的时候如果放在Ethernet帧中，最短要求46 Bytes，有18 Bytes的pad

• Hardware Type：数据链路层地址类型
• Protocol Type：网络层地址类型。比如IP 0x0800
• Hardware length：数据链路层地址长度
• Protocol length：网络层地址长度
• Operation：操作类型。1 ARP Request，2 ARP Reply，3 RARP Request，4 RARP Reply。
• Sender hardware address：发送者数据链路层地址
• Sender protocol address：发送者网络层地址
• Target hardware address：目标数据链路层地址
• Target protocol address：目标网络层地址

(TODO:跟着google doc更新)

过程

L3下来的数据包需要L2转发时

• 查ARP Table看有没有这个IP对应的MAC
• 如果没有广播一个ARP Request，SHA和SPA写自己的MAC和IP，TPA写目标IP，THA在Request中会被忽略
• 目标设备收到一个TPA == 自己IP的ARP Request，单播一个ARP Reply到发送的设备，把自己的MAC写到THA中，之后把Target和Souce对换

Proxy ARP

• 两个host实际是在不同的冲突域，但是IP/子网掩码配置让他们觉得自己是一个网段，会发ARP。
• Proxy ARP是路由器代替主机回ARP请求，THA是目标host IP，TPA是路由器端口IP。
• 可以向外部屏蔽局域网细节，可以用于NAT
• 路由器在收到包之后会用L3的信息转发，一个端口可以代理多个host

Gratuitous ARP

Sender和Target信息都是Sender信息的广播ARP帧

可以用于

• 向局域网广播自己MAC地址的变化
• 新加入网络时检查自己的IP是否已经被占用

MTU

数据链路层中每个帧中最大的Payload长度，不算自己的协议头和尾

• Ethernet，PPP：1500 Bytes
• FDDI：4352 Bytes
• PPP（低延迟）：296 BYtes
• Ethernet Jumbo Frame：9000 Bytes

Path MTU Discovery：找到路径上所有二层连接里最小的的MTU

• 设置IP Flag中的Don’t Fragment
• 发一个大数据包，等ICMP Unrechable
• Payload里有MTU of next-hop

Destination Unreachable - Fragmentation required, and DF flag set

Bridge

IEEE 802.1d 网桥

• 从一个冲突域向另一个冲突域转发数据包。进出协议相同时帧完全不会被修改
• 如果两个冲突域协议不同，网桥可以做翻译

优点

• 大规模局域网可以在bridge之间拉p2p骨干，之后bridge连多个设备，增加局域网距离
• 扩大局域网规模
• 分割冲突域，减少冲突
• 更安全，设备只能看到自己冲突域的信息

数据转发

Filtering table：记MAC所在的端口

• 目标MAC
• 设备所在端口
• TTL：默认300s

地址学习：收到一个数据包就记录下发送者MAC和收到的端口

转发：查Filtering table

• 找到了MAC：转发到所在端口
• 找不到：转发到收数据包端口外的所有端口

生成树协议

环的危害

• 广播风暴：一个环中所有网桥都不知道往哪转的数据包会被一直转发，占用大量带宽
  • 不一定是广播，只要所有网桥都不知道往哪发就会flood，造成风暴
• Filtering table震荡：对于Bridge 1和Bridge 2，Host 1一直是一会在LAN A一会在LAN B，正常的数据包可能也会转到错误的地方并丢失

解决：去除拓扑中的环 -> 生成树协议

关键概念

• Port ID：2 Bytes，1 Byte 优先级 + 1 Byte 端口号
• Bridge ID：8 Bytes，2 Bytes 优先级 + 6 Bytes MAC -> 网桥中端口号最小的端口MAC
• Root Bridge：拓扑中Bridge ID最小的网桥
• Root Port：每个非根网桥到根网桥代价最小的端口，代价相同选Port ID小的
  • 代价可以是跳数，带宽。。。
• Root Path Cost：根端口到根网桥的代价
• Designated Port：一个LAN上到根网桥代价最小的端口
  • 两个网桥有代价相同的端口，选BID小的
  • 一个网桥两个端口代价相同，选PID小的
• Designated Bridge：一个LAN Designated Port所在的网桥

建树

• 找BID最小的网桥
• 找每个网桥到根网桥代价最低的端口
  • 代价相同选PID小的
• 找每个LAN所有端口里到根网桥代价最小的
  • 两个网桥代价相同选BID小的
  • 两个端口代价相同选PID小的
• 所有的根端口和指定端口转发数据，其他所有端口block，只发BPDU这种控制信息

收敛

• 所有网桥往出发BPDU，当自己是根网桥
• 比较收到的所有BPDU，如果有更小的把人家当根网桥，继续发BPDU，每个端口发出的BPDU是不完全一样的
  • 发BPDU
    • 收到更小的根网桥
    • 拓扑发生改变
• 一个端口可以听一个LAN里所有端口的BPDU，自己是不是指定端口就有B数了
• 一个网桥综合所有端口收到的BPDU选自己的根端口
• 除了根端口和指定端口，block所有其他的

注意

• 根网桥不一定全是指定端口，可能一个LAN上有两个端口，要block一个