最近在二刷《計算機網路——自頂向下》做點筆記，加深印象，書不在手邊時也能有個參考。之前的章節會陸續補充。
兩種鏈路層通道：
- 廣播通道：如有線區域網、衛星網、混合光纖同軸電纜（HFC）。需要媒體訪問協議來協調幀傳輸。
- 點對點通訊鏈路：如長距離鏈路連線的兩臺路由器、PC到乙太網交換機。
6.1 鏈路層概述
節點（node）：執行鏈路層協議的任何裝置。如主機、路由器、交換機、Wi-Fi接入點
鏈路（link）：連線相鄰節點的通訊通道
6.1.1 鏈路層提供的服務
- 成幀：封裝成鏈路層幀（如乙太網幀格式）
- 鏈路接入：主要用於廣播通道，媒體訪問控制（MAC）協議，用於協調多個節點的幀傳輸
- 可靠交付：通常通過確認和重傳實現。對於光線、同軸、雙絞線，很少出現位元差錯，可靠交付會產生不必要的開銷，因此乙太網沒有提供可靠交付
- 差錯檢測和糾正：運輸層有因特網校驗和（checksum）；鏈路層的差錯檢測更復雜，用硬體實現。乙太網採用CRC，能夠檢測差錯，但是不能糾正（直接丟棄）。
6.1.2 鏈路層在何處實現
鏈路層主體部分在網路介面卡（網路介面卡NIC），其核心是鏈路層控制器。
大部分鏈路層服務在硬體（鏈路層控制器）中實現：
- 成幀：從記憶體中接收IP資料包
- 鏈路接入
- 差錯檢測
部分鏈路層在軟體中實現：
- 組裝定址資訊、啟用控制器硬體
- 響應控制器中斷、向上傳遞給網路層等
鏈路層是軟硬體結合體， 是協議棧中軟體與硬體交接的地方。
6.2 差錯檢測和糾正技術
通常，要保護網路層資料包以及鏈路層幀首部。即使採用了差錯檢測位元，還是可能有未檢出位元出差。
三種技術：
- 奇偶校驗
- 檢驗和（checksum）：運輸層
- 迴圈冗餘檢測（CRC）：介面卡鏈路層
6.2.1 奇偶校驗
-
偶校驗：資料+校驗位元共偶數個1
-
奇校驗：資料+校驗位元共奇數個1
實際上差錯經常以“突發”的方式聚集在一起，一旦出錯通常會有多個位元一起出錯。單位元奇偶檢驗保護的一幀中未檢出差錯概率達50%。
二維奇偶檢驗
可以檢測並糾正單個位元差錯（包括校驗位元本身）
- 能夠檢測但不能糾正兩個位元差錯
6.2.2 檢驗和方法
d位元資料，按 k 位元劃分為一個個整數，把這些整數加起來。
因特網檢驗和將資料按16bit整數對待，求和，取反碼（每一位取反）。接收方對接收到的資料（包括檢驗和）求和取反，檢測是否全1。
TCP和UDP對所有欄位包括首部和資料欄位都計算因特網檢驗和。
- 運輸層軟體實現，簡單快速
- 鏈路層在介面卡中用專用硬體實現，能快速執行復雜的CRC
6.2.3 迴圈冗餘檢測 CRC
也稱為多項式編碼，將傳送位元串看成是係數是0和1的多項式。每個CRC標準都能檢測
- 任何小於r+1位元的突發差錯
- 任何奇數個位元差錯
- 長度大於 r+1 的位元突發差錯以概率 1-0.5^r 被檢測到
6.3 多路訪問鏈路和協議
點對點鏈路：
- PPP：Point-to-Point Protocol
- HDLC：High-level Data Link Control
廣播鏈路：
- 乙太網
- 無線區域網
多路訪問通道：
- 有線共享（如電纜接入網）
- 無線共享（如Wi-Fi）
- 衛星
多路訪問協議：規範共享廣播通道上的傳輸行為，協調活躍節點的傳輸
- 通道劃分協議
- 隨機接入協議
- 輪流協議
理想情況下，對於速率為 R bps的廣播通道：
- 單節點傳送，具有R bps吞吐量
- M個節點傳送，每個節點平均吞吐量 R/M bps
- 協議分散，無單點故障
- 協議簡單，實現成本低
6.3.1 通道劃分協議
- 時分多路複用 TDM
- 頻分多路複用 FDM
- 分碼多重進接 CDMA（Code Division Multiple Access）
TDM將時間劃分為時間幀，每個時間幀 time frame 分為N個時隙 slot。TDM 消除了碰撞、公平。但單節點只能利用 R/N 頻寬，即使只有一個傳送節點。且節點必須等待輪次。
FDM 優缺點同 TDM：消除碰撞，單節點最大 R/N 頻寬。
CDMA 對每個節點分配不同的編碼，同時傳輸，不在乎其他節點干擾。CDMA編碼類似於 TDM的時隙和FDM的頻率。軍用到民用蜂窩電話。
6.3.2 隨機接入協議
節點總是以全部速率 R 傳送。碰撞時，等待隨機時延，反覆重發，直到無碰撞通過。
乙太網是CSMA協議。
1. 時隙 ALOHA
- 所有幀長L位元
- 時隙：傳一幀所用的時間
- 節點只在時隙起點開始傳輸幀
- 節點是同步的，每個節點知道時隙何時開始
- 如果碰撞，所有節點在時隙結束前檢測到碰撞
- 傳送節點等待時隙開始，傳輸幀
- 如果沒碰撞，成功傳輸，無需重傳
- 如果碰撞，以概率p在後續時隙中重傳
最大效率： 一個節點成功傳輸的概率 p*(1-p)^(N-1)
N個節點活躍節點，時隙 ALOHA的效率是 Np*(1-p)^(N-1)
當 N趨向於∞，最大效率 37%。另外37%空閒，另外26%碰撞。
2. ALOHA
非時隙、完全分散。收到網路層資料包，立即傳送，如果碰撞，發完之後立即以概率p重傳。
ALOHA 最大效率是時隙ALOHA的一半。
3. 載波偵聽多路訪問 CSMA
-
載波偵聽：節點傳送前先聽通道，如果有其他節點正在傳送，則等待一段時間沒有傳輸後再開始傳送。
-
碰撞檢測：檢測到碰撞，立即停止傳輸。
這兩個規則包含在CSMA和CSMA/CD中。
為什麼有載波偵聽還會碰撞？因為傳播時延。A節點傳送資料，但傳播到B節點需要一段時間，這時B節點也開始傳送。傳播時延越長，碰撞機會越大。
4. 具有碰撞檢測的載波偵聽多路訪問 CSMA/CD
CSMA沒有碰撞檢測，即使碰撞也會繼續傳送完。
CSMA/CD 檢測到碰撞立即停止傳輸。
- 介面卡從網路層獲取資料包，準備鏈路層幀，放入幀介面卡快取中
- 如果介面卡偵測到通道空閒，開始傳輸；如果通道正忙，等待
- 傳輸過程中監聽通道其他介面卡的訊號能量
- 如果傳完整幀每檢測到其他介面卡訊號能量，傳輸完成；如果檢測到碰撞，終止傳輸
- 終止傳輸後，等待隨機時間量，返回步驟 2
隨機時間量的選取：乙太網和DOCSIS使用二進位制指數後退演算法。一個幀經歷n次碰撞後，隨機從 {0...2^n - 1} 中選擇K。對於乙太網，等待的時間是傳送512位元所需時間的K倍。
5. CSMA/CD 效率
定義：大量活躍節點，大量幀要傳送
傳輸時間指傳是一個最大長度乙太網幀的時間，對於10M乙太網，約為1.2ms。
效率=1/(1+5*傳播時延/傳輸時間)
- 傳播時延接近0時，效率趨近1
- 傳輸時間變大時，效率也趨近1（佔用通道時間長）
6.3.3 輪流協議
6.3 節中對於速率為 R bps的廣播通道的理想特性：
- 單節點傳送，具有R bps吞吐量
- M個節點傳送，每個節點平均吞吐量 R/M bps
隨機接入的 ALOHA 和 CSMA 具備第1個特性，但不具備第2個特性。輪流協議可以滿足第2個特性。
兩種重要的輪流協議：
- 輪詢協議：有一個主節點，依次告知每個節點能夠傳輸幀的最多數量，通過觀察通道是否空閒判斷節點是否傳送完成。消除了碰撞和空時隙，但引入了輪詢時延——依次詢問每個非活躍節點。如果主節點故障，整個通道不可用！例子：802.15和藍芽協議。
- 令牌傳遞協議（token）：沒有主節點。小的令牌幀，以固定次序在節點之間交換。節點收到令牌，若有幀傳輸，則傳送最大數目的幀數，然後把令牌發給下個節點；否則直接把令牌轉發給下個節點。如果節點故障（如忘記釋放令牌），可能使整個通道崩潰。
6.3.4 DOCSIS：用於電纜因特網的鏈路層協議
電纜接入網用到了通道劃分協議、隨機接入協議和輪流協議。
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CMTS：Cable Modem Termination System，電纜調變解調器端接系統
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DOCSIS：Data Over Cable Service Interface，CMTS：資料經電纜服務介面
DOCSIS 使用 FDM 將下行（CMTS到Modem）和上行（Modem到CMTS）劃分為多個頻率通道。每個上下行均為廣播通道。下行只有CMTS傳送，沒有多路訪問問題；上行可能出現碰撞。每個上行通道劃分為時間間隔（類TDM），CMTS在下行通道通過MAP控制報文顯式准許各個Modem在特定微時隙進行傳輸。
為了通知CMTS有資料傳送，Modem在微時隙的特定間隔內向CMTS傳送請求幀。請求幀以隨機接入方式傳輸，不能幀聽通道是否空閒，也沒有碰撞檢測，如果沒有在下一個下行控制報文收到響應，則以二進位制指數回退延緩重發。