Network Stack 学习笔记(1)

最近一直在看计算机网络方面的知识，一方面下周需要考试不得不看，一方面算是我对网络基础知识的扫盲吧。先从OSI定义的七层协议说起。

物理层

物理层包括对传输介质的描述、信号的调制模式和调制方法、传输物理参数。 包括了数据传输的物理链路的创建、维护和拆除。简单地说就是 信号+介质。 物理层的协议包括RS232、FDDI、802.2，3，5等

主要功能

1. 采用不同的物理传输技术，但是对上层来说是透明的、屏蔽对上层的影响。一般来说解决包括：铜线、双绞线、光纤、无线等。
2. 传输数据，单工、半双工、全双工；串行，并行等，但总的来说为上层提供输出传输的链路。同步、异步传输(ATM)
3. RS-232、RJ4、EIA etc.

链路层

主要功能

• 数据封装
  在分组网络上，数据应该具有封装、分组的特性，因此数据应封装成一个个独立的数据包发送。每个数据包应该携带有明显的帧头，帧尾（帧定界符）。通过帧定界符来区分多个传输的数据包
• 传输透明性
  链路层的传输对上层来说应该是透明的，这意味着上层无论传送何种数据都是不会产生差错，遇到一些特殊的字符(如帧定界符、转义符)应该进行转义，从而不影响底层的分组传输。
• 差错控制
  差错控制要是判断数据包在发送过程中是否出现错误、bit反转等情况，当链路层在收到数据包后判断是否产生了传输错误，一旦产生传输错误则直接丢弃包裹。（注意链路层一般不会采用拥塞控制、可靠传输等机制，原因在于上层已经处理了类似的问题，在链路层实际无需再多此一举，在现实的网络中，链路层传输的可靠率很高，误码率低于$10^{-4}$）差错控制一般采用CRC之类的算法实现数据包错误检查。
• 数据逻辑链路与物理链路

以太网链路层

以太网的链路层一般分为两个子层：逻辑链路控制层(LLC)，媒体介质控制层(MAC). MAC主要工作任务是CSMA/CD、差错控制、封装成帧。

• PPP协议， PPP协议是一个典型的链路数据传输协议。它的功能包括了： 封装成帧、帧定界、透明传输、差错控制、网络控制、支持多种协议。其中网络控制方面，PPP具有LCP、NCP等在链路和网络层上的配置协议。PPP的工作流程:

• CSMA/CD， 单帧或者单个bit在传输时，难免会发生碰撞。CSMA/CD的主要作用是判断是否网络处于碰撞状态，保证带宽的利用率提高。MAC层在发送每一个数据帧的时候，边发边检测，检测是否发生碰撞，一旦碰撞则停止传送。为了检测到碰撞，帧长最小为64个字节（100m)。发生碰撞后采用指数退避。
  流程图:

• 以太网扩展
  
  • 集线器
    纯粹物理层上的连接器，实际上是一种总线结构的设备，集线器不存在转发数据，数据包在发送时直接从各个端口中同步发出。集线器不具备存储转发的任何功能，必须设备自己做CSMA/CD的能力，集线器将使得机器的平均带宽降低。
  • 网桥
    网络的能力比集线器上升一步，带有存储转发的能力，并且可以隔离几个总线之间的碰撞，同一个总线内的机器共享带宽，网桥接入的两个总线间的带宽互不影响。网桥拥有自学习的转发表。
  • 交换机
    交换机比网桥能力进一步，点对点得传输，各个机器的链路速度各不影响。交换机可实现存储转发，VLAN功能。
    最后，VPN也是在链路层的一个协议，VPN分为接入VPN，内网VPN，extranet VPN三种。