術(shù)語

• Nodes：主機(jī)和路由器
• Links: 負(fù)責(zé)連接相鄰兩個節(jié)點的連接
  • 有線網(wǎng)
  • 無線網(wǎng)
  • 局域網(wǎng)
• Packets: frame（鏈路層對包的表述），它主要封裝了上一層 datagram

每層的 Packet 形式

Packet 就是網(wǎng)絡(luò)中傳遞的信息，但在不同層它會被封裝成不同形式。下面舉例了 3 層。

鏈路層是干什么用的

鏈路層是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的倒數(shù)第二層，最后一層是物理層，一般屬于硬件部分，所以就從鏈路層開始說起。鏈路層提供了很多的服務(wù)（干了很多事）。

Framing

很重要的一個功能就是將上一層的 datagram (packet的一種形式) 封裝成 frame。并在這個信息前后添加了 Header 和 Tailer。這里的 Header 一般包含了兩臺正在溝通設(shè)置的 Source 和 Destination 地址。

Link Access

既然是“鏈”路層了，肯定也要提供鏈接服務(wù)嘛。這一層主要提供兩個：

1. Point to Point，兩臺機(jī)器直接溝通
2. Shared Medium，也就是我們所說的廣播，一個人在微信群里喊

Flow Control

想像一下家里的水管，如果突然供水太多，那就爆水管了，網(wǎng)絡(luò)也是這樣。信息傳遞的時候需要用一些機(jī)制去控制傳輸速度。這個機(jī)制就叫 Flow Control，具體方法可以使用 Buffer 來做一個緩沖器。

Reliable Delivery

除了節(jié)流，這一層還負(fù)責(zé)保持信息的穩(wěn)定傳輸。傳個信怎么會出錯呢？因為現(xiàn)在是在底層，所以很多因素都會影響傳輸質(zhì)量，如信號干擾，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。想一想平時有沒有出現(xiàn)看視頻掉幀的情況，還有耳機(jī)出現(xiàn)的噪音，這都是對信息傳遞干擾。所以鏈路層提供一些服務(wù)來保證傳遞質(zhì)量，這些機(jī)制主要也是要使用于不同網(wǎng)絡(luò)的如有線或者無線。

鏈路層在哪

說了一堆鏈路層的作用，好像太過抽象，不如說說具體位置。其實鏈路層在每臺主機(jī)都有，它主要是在 Network Interface Card(NIC)，也就是我們的網(wǎng)卡。

鏈路層的信息溝通

發(fā)送方

1. 將 datagram 封裝成 frame
2. 添加 error bits, flow control, error recovery 等元信息

接收方

1. 先看元信息，一然后做準(zhǔn)備工作，如：如果發(fā)現(xiàn)錯誤就把這個包扔了，讓發(fā)送方再發(fā)一次（retransmission）
2. 然后將 frame 提取成 datagram，再向上傳遞

錯誤機(jī)制

就像剛剛說到的，傳遞信息過程中一定會出現(xiàn)錯誤的，鏈路層對此有兩種機(jī)制：

1. Error Detection
2. Error Recovery

Error Detection

接收方會去檢測錯誤率有多少，根據(jù)錯誤率去決定是否恢復(fù)數(shù)據(jù)還是讓發(fā)送方重傳。雖然說會檢測錯誤，但是不是所有錯誤都能檢測到的，有可能 miss 掉。其中EDC（Error Detection and Correction）越大，越容易檢測到。

Error Recovery

錯誤恢復(fù)機(jī)制一般是兩個

Correction

接收方會自己去改正對應(yīng)錯誤的 Bits，但是需要大量的 EDC bits，才能做到 Correction，畢竟更多的信息才能正確去改正嘛。一般用于那些不想等待 retransmit 的數(shù)據(jù)

Retransmission

接收方會丟掉一些包，發(fā)送方就會重傳。具體操作方法是直接超時，發(fā)送方得不到 ACK（就是一個接收完返回來的信號），發(fā)送方就得重傳?；蛘撸邮辗街苯影l(fā)一個 Netgative ACK，發(fā)送方也得重傳。

多路傳輸協(xié)議

不知道這讓翻譯對不對，英文是叫 Multiple access links protocol。在說這個協(xié)議有什么用之前，先說說以前的傳輸方式。

傳輸方式

1. Point to Point，就是 發(fā)送方 <-> 接收方，這和微信找好友聊天是一樣的。一般是有線網(wǎng)絡(luò)或者無線網(wǎng)絡(luò)。
2. Broadcast，就是 發(fā)送方 <-> 多個接收方，這和群聊是一樣的。一般是WIFI或者老的以太網(wǎng)使用。

這個協(xié)議有什么用

上面說的兩個傳輸方法都是在一個總線去完成消息傳遞的。所以總會出現(xiàn)同一個 Channel 中你在傳數(shù)據(jù)的同時，別人也在傳數(shù)據(jù)。不要想著什么多線程，這里只能一個一個來，所以就有了多路傳輸協(xié)議，主要是用于多人傳的時候決定誰先傳誰后傳的問題，最后做出一個任務(wù)表出來。

有人一聽到協(xié)議就不想看了，又要寫 C，C++搞協(xié)議，好難啊。嘿嘿，其實這個協(xié)議主要理念特別智障，細(xì)節(jié)很難（也就是寫C，C++那塊，好在我們了解一下就行了）。常用的有：

1. Channel Partitioning
   1. 將 Channel 分成更小塊 (time slots, frequency, code)
   2. 分配某一塊給那個節(jié)點使用
2. Random Access
   1. 不分配，允許沖突
   2. 但是會在沖突以后進(jìn)行恢復(fù)操作
3. Taking Turns
   1. 節(jié)點會輪流發(fā)送信息，但是如果某個要發(fā)很多信息，就會占很長時間

CSMA

這里主要說說 Random Access 里的 CSMA 做法，為什么只拿這個來說呢，因為我們老師就講了這個啊。

主要理念很簡單：如果這個 Channel 空閑，我就傳輸，否則等到空閑再傳。是不是很智障？聽起來是的，細(xì)節(jié)反正不管了。

但是這個方法也有問題，如果兩個節(jié)點特別遠(yuǎn)，自己想傳數(shù)據(jù)的時候別人已經(jīng)開始傳了，但是因為太遠(yuǎn)了我沒聽見別人說“我開始傳了，別人都不許動”，還以為這個 Channel 還是空閑的，所以我傳了數(shù)據(jù)，這就造成沖突。當(dāng)沖突發(fā)生后，又要重傳?？梢晕叶及岩粋€包的信息都發(fā)過去了呀，這整塊時間就白白浪費掉了。

上面的交集部分就是沖突后浪費掉的時間。

CSMA/CD (Collision Detection)

這個算是增強(qiáng)版的 CSMA。以前的 CSMA 是兩個人發(fā)完了再去重傳，現(xiàn)在這個不一樣了。在發(fā)送數(shù)據(jù)過程上，會去檢測是否有沖突，如果有就放棄傳輸，等待下一次。畢竟還是要等一段時間才能檢測出是否有沖突，所以依然有時間被浪費，但是會少一些。

關(guān)于怎么檢測是否有沖突，可以檢測信號的長度，對比傳輸和接收的信號（但是局限于距離和更小的 frame），可以在無線局域網(wǎng)比較難，接收信號距離太長。

下面再給出算法（算法？？？）的偽代碼：

NIC 接收從網(wǎng)絡(luò)層 datagram，并創(chuàng)建 frame

label: step2
if (channel Idle):
    開始傳輸 frame
else if (channel busy):
    等待直到 Idle

if (檢測是否有別的 transmission):
    abort
    wait K * 512 bit 的時間(K 是一個隨機(jī)數(shù))
    goto step2
else
    transmit

以太網(wǎng)

局域網(wǎng)里最出名也就是以太網(wǎng)了。電腦之間的聯(lián)系基本為下面兩種：

使用一條或幾條總線。

或者一個主機(jī)，路由，現(xiàn)在一般是這種方式。

這里說一下 Switch 和 Hub 的區(qū)別。

1. Switch: 節(jié)點傳輸不會有沖突，使用 Buffer 去做傳輸隊列
2. Hub: 每個節(jié)點會 Broadcast 信息，不使用 Buffer，有可能出現(xiàn)沖突

以太網(wǎng)的信息結(jié)構(gòu)

我們知道在 HTTP 請求的時候總會有請求頭，以太網(wǎng)的傳輸也是一樣，也有頭部信息。

preamble: 用來同步接收方和發(fā)送方的 Clock Rates
addresses: Source 和 Destination 地址
type: 表示這個 frame 里最高層次是哪一層
CRC: 用于檢測錯誤

以太網(wǎng)的特性

兩個詞：unreliable, connectionless

• connectionless: 發(fā)送方和接收方?jīng)]有握手流程
• unreliable: 接收方的 NIC 不會發(fā)送 ACK 和 NACK
  • 如果數(shù)據(jù)被丟了就不會做恢復(fù)
  • 自己偷懶，更依賴于高層的數(shù)據(jù)傳輸

設(shè)備接口地址

啊，這是什么鬼東西，Device Interface Address 就是 IP 地址。

MAC 地址

我們可以會在家里的路由器看到這個詞，MAC 地址就是該設(shè)備唯一的編號，IP 只是網(wǎng)絡(luò)里的唯一編號。

這么說吧，IP 就像你的住址，你可以今天在北京買套房，你的IP就是北京了，明天去上海買套房搬去那邊住，IP 就變成了上海。雖然說能變，但是你沒有美國綠卡，再怎么變也不能逃不去中國，所以中國就是你所在的網(wǎng)絡(luò)。說不定日本也有叫北京的地方，但是你們處于兩個國家（兩個網(wǎng)絡(luò)），不會造成影響。

但是 MAC 就不一樣了，就你的身份證一樣，一直跟隨著你。

ARP

那這個 MAC 有什么用呢？可以用來標(biāo)記你在哪呀，別人發(fā)數(shù)據(jù)給你的時候是一定要不僅知道你的 IP，也要知道你的 MAC 的。你可能會問了，大哥我的 MAC 是寫在路由器上的，難道你來我家看嗎？電腦可不這么傻。

他會先廣播一個叫 ARP 的請求，大概意思是：“那個XXX，給我出來！”。XXX 聽到后就說：“我在YYY這呢，你有種過來干我?！?。

再給個具體的鴿子：

比如 A 想發(fā)信息給 B，下面是前提條件

1. B 一定要在同一個局域網(wǎng)里，而且 A 知道 B 的 IP
2. A 不知道 B 的 MAC 地址

具體操作：

1. 首先 A 在本地網(wǎng)絡(luò)里去 Broadcast 一下，這個請求就是 ARP 請求包，其中包含了 B 的 IP
2. 本地的全部節(jié)點都會接收到這個 ARP 請求，并處理
3. 如果 B 此時也接收到這個請求，就會發(fā) ARP replay 給 A，同時會帶上 B’ 的 MAC 地址。
4. 這個過程都是在 Link Layer 完成的

每一次都要發(fā)太麻煩了，所以設(shè)備自己會做一張 ARP 表示，里面 IP 對應(yīng)著已經(jīng)知道的設(shè)備的 MAC 地址。ARP 表結(jié)構(gòu)如下：

還有一些問題

問：如果給自己發(fā) ARP 會怎么樣？
答：不會怎么樣，一般是沒有響應(yīng)罷了。不過這樣可以檢測同一個網(wǎng)絡(luò)中是否存在別的主機(jī)的IP是否和自己一樣。

問：如果給不存在的主機(jī)發(fā) ARP 會怎么樣？
答：也不會怎么樣，最后就失敗唄