第五章:連結層和區域網路 5.1 簡介與服務 5.2 錯誤偵測和更正技術 5.3 多重存取協定 5.4 連結層定址 5.5 乙太網路

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1 第五章:連結層和區域網路 5.1 簡介與服務 5.2 錯誤偵測和更正技術 5.3 多重存取協定 5.4 連結層定址 5.5 乙太網路
5.6 集線器和交換器 5.7 PPP 5.8 虛擬連結: ATM 與 MPLS 5: DataLink Layer

2 連結層: 簡介 一些術語: 主機和路由器皆稱為節點 沿著通訊路徑，連結相鄰節點的通訊通道，稱為連結 第二層的封包稱為訊框, 將資料段封裝
“連結” 一些術語: 主機和路由器皆稱為節點 沿著通訊路徑，連結相鄰節點的通訊通道，稱為連結 有線連結 無線連結 區域網路 第二層的封包稱為訊框, 將資料段封裝 資料連結層的責任為，經由連結，將 資料段從一個節點傳輸到相鄰的節點 5: DataLink Layer

3 連結層: 內容 運輸的比方 資料段在不同的連結上經由不同的連結協定傳輸: 旅客 = 資料段 每一種連結協定提供不同的服務
從普林斯頓到洛桑市的行程 小型巴士: Princeton 到 JFK 飛機: JFK 到日內瓦 火車: 日內瓦到洛桑 旅客 = 資料段 每段旅程 = 通訊連結 運輸模式 = 連結層協定 旅行社 = 路由演算法 資料段在不同的連結上經由不同的連結協定傳輸: 例如，第一個連結為乙太網路，中間連結為訊框傳送，最後一個連結為 每一種連結協定提供不同的服務 例如, 在連結上可能提供或不提供rdt 5: DataLink Layer

4 連結層服務 訊框化, 連結存取: 相鄰節點間的可靠傳輸 將資料段封裝成訊框，加入標頭及標尾 通道存取假如媒介共享
“MAC” 位址在訊框標頭中，用來識別來源端、目的端 與 IP 位址不同! 相鄰節點間的可靠傳輸 我們已經學習過了 (第三章)! 在位元錯誤率低的連結上很少使用 (光纖，某些雙絞線) 無線連結: 錯誤率高 問: 為什麼同時需要連結層和端點對端點的可靠性? 5: DataLink Layer

5 連結層服務 (更多) 流量控制: 錯誤偵測: 錯誤更正: 半雙工和全雙工 調整相鄰傳送端和接收端節點之間的步調 因訊號衰減或雜訊所產生的錯誤
接收端偵測到錯誤的存在: 通知傳送端重新傳送訊息或是將訊框丟掉 錯誤更正: 不憑藉重新傳送，接收端辨識並更正位元錯誤 半雙工和全雙工 在半雙工中，連結兩端的節點可以傳送，但無法同時 5: DataLink Layer

6 網路卡通訊 連結層協定以「網路卡」實作 (也稱為 NIC) 接收端 傳送端: 網路卡是半自主裝置 連結和實體層
資料段 連結層協定 接收端 節點 傳送端 節點 訊框 訊框 網路卡 網路卡 連結層協定以「網路卡」實作 (也稱為 NIC) 乙太網路卡, PCMCI 卡, 卡 傳送端: 將資料段封裝在訊框中 加入錯誤確認位元, rdt, 流量控制等等 接收端 尋找錯誤, rdt, 流量控制等等 取出資料段，將它傳送到接收端節點 網路卡是半自主裝置 連結和實體層 5: DataLink Layer

7 第五章:連結層和區域網路 5.1 簡介與服務 5.2 錯誤偵測和更正技術 5.3 多重存取協定 5.4 連結層定址 5.5 乙太網路
5.6 集線器和交換器 5.7 PPP 5.8 虛擬連結: ATM 與 MPLS 5: DataLink Layer

8 錯誤偵測 EDC= 錯誤偵測及更正位元 (冗餘) D = 被錯誤檢查所保護的資料，可能包含標頭欄位 錯誤偵測並不是 100% 可靠的!
協定可能會遺漏某些錯誤，不過這很少發生 更大的 EDC 欄位能夠得到更佳的偵測與更正 5: DataLink Layer

9 同位檢查 單一的同位元: 偵測單一位元錯誤 二維同位元: 偵測並更正單一位元錯誤 5: DataLink Layer

10 網際網路檢查和 傳送端: 目標: 偵測在傳送的資料分段中的 “錯誤” (例如，翻轉的位元) (注意: 只用在傳輸層) 接收端:
計算收到的資料分段的檢查和 確認計算出來的檢查和是否和檢查和欄位中的相等: NO – 偵測到錯誤 YES – 沒有偵測到錯誤。但是仍然可能有錯誤? 後面有更多介紹…. 傳送端: 將資料分段的內容視為一連串16位元的整數 檢查和: 資料分段內容相加 (1的補數和) 傳送端會將檢查和的值放入UDP檢查和欄位中 5: DataLink Layer

11 檢查和: 循環冗餘檢查 將資料位元 D 視為二進位數字 選擇 r+1 個位元的樣本 (產生器), G
目標: 選擇 r 個 CRC 位元， R， 使得 <D,R> 正好能被 G 整除 (模數 2) 接收端知道 G，將 <D,R> 除以 G，假如餘數不為0：偵測到錯誤! 可以偵測出任何少於r+1個位元的叢發錯誤 實務上經常使用 (ATM, HDCL) 5: DataLink Layer

12 CRC 範例 想要: D.2r XOR R = nG 同樣地: D.2r = nG XOR R
假如我們將 D.2r 除以 G，應得到餘數 R D.2r G R = 餘數[ ] 5: DataLink Layer

13 第五章:連結層和區域網路 5.1 簡介與服務 5.2 錯誤偵測和更正技術 5.3 多重存取協定 5.4 連結層定址 5.5 乙太網路
5.6 集線器和交換器 5.7 PPP 5.8 虛擬連結: ATM 與 MPLS 5: DataLink Layer

14 多重存取連結與協定 兩種型態的“連結”: 點對點 廣播 (分享的線路或媒介) 撥號存取的PPP 乙太網路交換器和集線器之間的點對點連結
傳統的乙太網路 上傳 HFC 無線區網 5: DataLink Layer

15 多重存取協定 單一的分享廣播通道 同時兩個或更多節點的傳送: 干擾 多重存取協定
碰撞 假如節點在同一個時間收到兩個或更多個信號 多重存取協定 決定節點如何分享通道的分散式演算法。例如，決定節點何時能夠傳送 必須使用通道本身來傳送有關通道分享的通訊! 沒有不同頻帶的通道做為協調的功能 5: DataLink Layer

16 理想的多重存取協定 速率為 R bps 的廣播通道 1. 當一個節點要傳送資料時，它可以擁有R bps流通率
2. 當 M 個節點要傳送資料時，每一個節點以平均速率R/M來傳送資料 3. 完全的非集中式: 沒有用來協調傳輸的特殊節點 沒有時脈和時槽的同步 4. 簡單 5: DataLink Layer

17 MAC 協定: 分類 三種常用的類別: 通道分割 隨機存取 “輪流存取” 將通道分割成「小塊 」 (時槽、頻率、碼)
將這些「小塊」分配為每個節點專用的 隨機存取 不分割通道，允許碰撞 從碰撞「復原」 “輪流存取” 節點可以輪流，但是要傳送較多資料的節點可以傳送較長的時間 5: DataLink Layer

18 通道分割 MAC 協定: TDMA TDMA: 時間分割多重存取
每一個「回合」中，存取通道 每一站在每一回合中，得到固定長度的時槽 (長度 = 封包傳送時間) 沒有使用的時槽會變成閒置的 範例: 6個站的 LAN, 1,3,4 有封包, 時槽 2,5,6 為閒置的 TDM (Time Division Multiplexing): channel divided into N time slots, one per user; inefficient with low duty cycle users and at light load. FDM (Frequency Division Multiplexing): frequency subdivided. 5: DataLink Layer

19 通道分割 MAC 協定: FDMA FDMA: 頻率分割多重存取
通道頻譜被分割成頻帶 每一站分配到固定的頻帶 沒有用到的傳輸頻帶會閒置 範例: 6個站的 LAN, 1,3,4 有封包, 頻帶 2,5,6 為閒置的 TDM (Time Division Multiplexing): channel divided into N time slots, one per user; inefficient with low duty cycle users and at light load. FDM (Frequency Division Multiplexing): frequency subdivided. 時序 頻帶 5: DataLink Layer

20 隨機存取協定 當節點有封包要傳送時 兩個以上的節點傳送資料 ➜ “碰撞” 隨機存取 MAC 協定說明: 隨機存取 MAC 協定的範例:
以全部的通道資料速率 R 傳送 節點間沒有做前置的協調 兩個以上的節點傳送資料 ➜ “碰撞” 隨機存取 MAC 協定說明: 要如何偵測碰撞 要如何從碰撞中復原 (例如，經由延遲重傳) 隨機存取 MAC 協定的範例: 時槽式 ALOHA ALOHA CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA 5: DataLink Layer

21 時槽式 ALOHA 假設 所有的訊框都是同樣大小 時間被切分為同樣大小的時槽，長度可傳送1個訊框 節點只有在時槽開始時，才會傳送訊框
節點為同步的 如果兩個以上的節點在時槽內傳送，所有的節點都會偵測到碰撞 運作 當節點要傳送新的訊框時，它會在下一個時槽傳送 如果沒有碰撞，節點會在下一個時槽傳送新的訊框 假如產生碰撞，節點會依照機率 p 在接下來的每個時槽中重新傳送訊框，直到成功為止 5: DataLink Layer

22 時槽式 ALOHA 優點 單一的活動節點能以通道的全部速率連續傳送 高度的非集中式: 只有節點中的時槽需要同步 簡單 缺點 碰撞, 浪費時槽
閒置的時槽 節點需要在比傳輸封包少的時間內偵測碰撞 時脈同步 5: DataLink Layer

23 時槽式 Aloha 的效率 為了得到 N 個節點的最大效率，我們必須找出 p* 使得 Np(1-p)N-1 具有最大值
效率 為當有大量節點，每個節點有大量的訊框要傳送時，長時間下成功時槽所佔的比例 為了得到 N 個節點的最大效率，我們必須找出 p* 使得 Np(1-p)N-1 具有最大值 當有許多節點時，N趨近於無線大，我們得到Np*(1-p*)N-1 的極限值, 1/e = .37 假設有 N 個節點有很多訊框要傳送，每個時槽傳送的機率為 p 節點 1 在一個時槽中成功的機率為 = p(1-p)N-1 任意節點傳送成功的機率為 = Np(1-p)N-1 最佳狀況: 通道成功用來 傳輸的時間只有37%! 5: DataLink Layer

24 純粹 (非時槽式的) ALOHA 非時槽式的 Aloha: 較簡單, 非同步的 當訊框一抵達時 會增加碰撞的機率: 會立即傳送
在 t0 傳送的訊框會與在[t0-1,t0+1]傳送的其他訊框碰撞 5: DataLink Layer

25 純粹 Aloha 的效率 … 選擇最佳的 p 並讓 n -> 無限大 ... = 1/(2e) = .18 更糟 !
P(節點成功傳送的機率) = P(節點傳送) . P(沒有其他節點在 [p0-1,p0]傳送 . P(沒有其他節點在 [p0-1,p0]傳送 = p . (1-p)N-1 . (1-p)N-1 = p . (1-p)2(N-1) … 選擇最佳的 p 並讓 n -> 無限大 ... = 1/(2e) = .18 更糟 ! 5: DataLink Layer

26 CSMA (載波感測多重存取) CSMA: 傳送之前先聆聽: 假如通道感測到閒置: 傳送整個訊框 假如通道感測到忙碌，延後傳送
人類的比方: 不要打斷別人的談話! 5: DataLink Layer

27 CSMA 碰撞 碰撞還是會發生: 碰撞: 注意: 傳遞延遲使得兩個節點可能無法聽到其他人的傳送 傳送整個封包 時間的浪費
節點的空間配置 碰撞還是會發生: 傳遞延遲使得兩個節點可能無法聽到其他人的傳送 碰撞: 傳送整個封包 時間的浪費 注意: 距離和傳遞延遲決定了碰撞的機率 5: DataLink Layer

28 CSMA/CD (碰撞偵測) CSMA/CD:載波感測(carrier sensing), 如CSMA一般會延遲傳送 碰撞偵測:
取消碰撞的傳送，減少通道的浪費 碰撞偵測: 在區域網路中是簡單的: 測量訊號強度，比較傳送和接收訊號 在無線區域網路中是困難的: 當傳送時，接收端關閉 人類的比方: 有禮貌的交談者 5: DataLink Layer

29 CSMA/CD 碰撞偵測 5: DataLink Layer

30 “輪流” MAC 協定 通道分割 MAC 協定: 在高承載狀況下，有效且公平地分享通道
在低承載狀況下，效率差: 通道存取的延遲，在只有一個活動節點的狀況下，也只能分配到1/N的頻寬 ! 隨機存取 MAC 協定 在低承載的狀況下有效率: 單一節點可以完全利用通道 高承載: 碰撞的負擔 “輪流” 協定 尋找兩邊的優點 ! 5: DataLink Layer

31 “輪流” MAC 協定 記號傳遞(Token passing): 輪詢(Polling): 控制記號依序從一個節點傳到下一個節點
記號訊息 問題點: 記號的額外負擔 延遲 單點故障 (記號) 輪詢(Polling): 主節點輪流邀請從屬節點傳送資料 問題點: 輪詢的額外負擔 延遲 單點故障 (主節點) 5: DataLink Layer

32 MAC 協定總結 使用分享媒體做些什麼? 通道分割, 以時間, 頻率或碼 存機切分 (動態的), 輪流 時間分割, 頻率分割
ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD 載波感測: 在某些技術中是簡單的 (有線), 其他的有困難 (無線) CSMA/CD 使用在乙太網路 CSMA/CA 使用在 輪流 從中心點輪詢，傳遞記號 5: DataLink Layer

33 區域網路的技術 到目前介紹的連結層: 接下來: 區域網路的技術 服務, 錯誤偵測/更正, 多重存取 定址 乙太網路 集線器, 交換器 PPP
5: DataLink Layer

34 第五章:連結層和區域網路 5.1 簡介與服務 5.2 錯誤偵測和更正技術 5.3 多重存取協定 5.4 連結層定址 5.5 乙太網路
5.6 集線器和交換器 5.7 PPP 5.8 虛擬連結: ATM 與 MPLS 5: DataLink Layer

35 MAC 位址與 ARP 32位元的 IP 位址: MAC (或是區域網路、實體、乙太網路) 位址: 網路層位址
用來接收訊框，從一個介面到另一個實體連結介面 (同一個網路) 48 位元 MAC 位址 (大多數的 LAN) ，燒在網路卡ROM中 5: DataLink Layer

36 LAN 位址與 ARP 每一張網路卡都具有唯一的LAN位址 廣播位址 = FF-FF-FF-FF-FF-FF LAN (有線或無線的)
1A-2F-BB AD 58-23-D7-FA-20-B0 0C-C4-11-6F-E3-98 71-65-F7-2B-08-53 LAN (有線或無線的) 廣播位址 = FF-FF-FF-FF-FF-FF = 網路卡 5: DataLink Layer

37 LAN 位址 (更多) MAC位址的分配由IEEE管理 製造商購買部分的MAC位址(保證唯一性) 比方:
(a) MAC 位址: 如同社會安全號碼 (b) IP 位址: 如同郵寄地址 MAC位址是平面的➜ 可攜性 可以將區域網路卡從一個LAN帶到另一個LAN IP 階層是位址 不具可攜性 與節點連接到得IP子網路相關 5: DataLink Layer

38 ARP: 位址解析協定 區域網路上的每一個 IP 節點 (主機,路由器)都有 ARP 表
問題: 當我知道 B 的 IP 位址 時，要怎麼決定 B 的 MAC位 址？ 區域網路上的每一個 IP 節點 (主機,路由器)都有 ARP 表 ARP 表: 某些區域網路節點的 IP/MAC 位址對應 < IP 位址; MAC 位址; TTL> TTL (存活期): 位址對應會被遺忘的時間 (通常 20 分鐘) 1A-2F-BB AD LAN 71-65-F7-2B-08-53 58-23-D7-FA-20-B0 0C-C4-11-6F-E3-98 5: DataLink Layer

39 ARP 協定: 同一個 LAN (網路) ARP 為 “隨插即用”的:
A 想要傳送封包給 B，B 的 MAC 位址不在 A 的 ARP 表中。 A 廣播 ARP 查詢封包，內含 B 的 IP 位址 目的端 MAC 位址 = FF-FF-FF-FF-FF-FF LAN 上的所有機器都會收到 ARP 查詢 B 收到 ARP 封包, 將它(B)的 MAC 位址回應給 A 訊框傳送給 A 的 MAC 位址(單點傳播) A 在它的 ARP 表中儲存 IP-到-MAC 的位址對，直到資訊變舊 (逾時)。 軟式狀態: 資訊會逾時 (離開) 除非被更新 ARP 為 “隨插即用”的: 節點在沒有網路管理者介入的狀況下建立它們的ARP表 5: DataLink Layer

40 傳送到另外一個 LAN 走過: 經由 R 從 A 到 B 傳送資料段 假設 A 知道 B 的 IP 位址 路由器 R 中有兩個 ARP 表，一個 IP 網路 (LAN) 一個 In routing table at source Host, find router In ARP table at source, find MAC address E6-E BB-4B, etc A R B 5: DataLink Layer

41 A R B A 建立來源端為 A，目的端為 B 的資料段 A 使用 ARP ，為 111.111.111.110 取得 R 的 MAC 位址
A 使用 R 的 MAC 位址做為目的端，建立連結層訊框，訊框內包含了 A 到 B 的 IP 資料段 A 的網路卡傳送訊框 R 的網路卡接收訊框 R 從乙太網路訊框移除 IP 資料段，看到它的目的端是到 B R 使用 ARP 取得 B 的 MAC 位址 R 建立包含 A 到 B 的 IP 資料段的訊框，傳送給 B A R B 5: DataLink Layer

42 第五章:連結層和區域網路 5.1 簡介與服務 5.2 錯誤偵測和更正技術 5.3 多重存取協定 5.4 連結層定址 5.5 乙太網路
5.6 集線器和交換器 5.7 PPP 5.8 虛擬連結: ATM 與 MPLS 5: DataLink Layer

43 乙太網路 “主要的” 有線區域網路技術: 便宜， 100Mbs 只要 $20 ! 第一個廣泛使用的區域網路技術
比記號環區域網路以及ATM 簡單，便宜 速度不斷地提升: 10 Mbps – 10 Gbps Metcalfe’s 的乙太網路設計圖 5: DataLink Layer

44 星狀拓樸 在1990年代中期，匯流排拓樸是非常普及的 目前流行的是星狀拓樸 選擇連接方式: 集線器或交換器 (後面再介紹) 集線器 或交換器
5: DataLink Layer

45 乙太網路訊框結構 傳送端網路卡將 IP 資料段 (或是其他的網路層協定封包) 封裝在乙太網路訊框中 前置:
一個位元的 之後有7個位元組的 用來同步傳送端和接收端的時脈速率 5: DataLink Layer

46 乙太網路訊框結構 (更多) 位址: 6 個位元組 假如網路卡收到與目的端位址相符的訊框或是廣播位址訊框(例如 ARP封包)，它會將訊框中的資料傳送到網路層協定 否則，網路卡會刪除訊框 類型:表示上一層的協定 (通常是 IP 或是其他可能支援的協定，如 Novell IPX 和 AppleTalk) CRC:接收端會檢查此一欄位, 如果錯誤就會丟棄此一訊框 5: DataLink Layer

47 不可靠的非預接式服務 非預接式: 傳送端和接收端網路卡之間沒有交握程序
不可靠的: 接收端網路卡不會傳送 ack 或是 nack 到傳送端網路卡 傳送到網路層的資料段串流可能會出現間斷 假如應用程式使用 TCP，間斷會被填滿 否則，應用程式會看到間斷 5: DataLink Layer

48 乙太網路使用 CSMA/CD 沒有時槽 假如網路卡感測到其他網路卡正在傳送，則它不會傳送，也就是載波感測
假如傳送端網路卡感測到其他網路可也在傳送，它會停止停止，也就是碰撞偵測 在嘗試重新傳送之前，網路卡會等待一段隨機時間，也就是隨機存取 5: DataLink Layer

49 乙太網路 CSMA/CD 演算法 1. 網路卡從網路層接收資料段並建立訊框
2. 假如網路卡感測通道是閒置的，它會開始傳送訊框。假如它感測到通道是忙碌的，它會等待通道閒置，接著開始傳送 3. 假如網路卡將整個訊框傳送出去而沒有偵測到其它傳送，則網路卡完成這個訊框的傳送 ! 4. 假如網路卡在傳送的同時，偵測到其他傳送，它會停止並且傳送一個擁擠訊號 5. 在停止之後，網路卡會進入指數退回: 在第 m 次碰撞之後，網路卡會從{0,1,2,…,2m-1}中隨機選擇 K。網路卡會等待 K·512 個位元時間後，再回到步驟 2 5: DataLink Layer

50 乙太網路的 CSMA/CD (更多) 擁擠訊號:用來保證所有的節點都知道發生碰撞, 48 bits
位元時間: 對10 Mbps的乙太網路而言，是0.1 毫秒 ; 當 K=1023, 等待時間約為 50 毫秒 指數退回: 目標: 網路卡重送機制嘗試著估計目前的負載 負載較重: 隨機等候會較久 第一次發生碰撞: 從{0,1}中選出K; 延遲時間等於 K x 512位元的傳輸時間 第二次發生碰撞: 從{0,1,2,3}選出K 在第十次碰撞以後，從{0,1,2,3,4,…,1023}選出K 請參考AWL網站上的Java applet:大力推薦 ! 5: DataLink Layer

51 CSMA/CD 效能 Tprop = LAN上兩個節點之間的最大傳播時間 ttrans = 傳送最大訊框所需要的時間
比 ALOHA 好很多，但仍為非集中式的，簡單且便宜 5: DataLink Layer

52 10BaseT 以及 100BaseT 10/100 Mbps 的速率; 接下來稱為 “高速乙太網路” T 代表雙絞線
連接到集線器的節點: “星狀拓樸”; 節點和集線器之間的距離最長100 公尺 雙絞線 集線器 5: DataLink Layer

53 集線器 集線器主要是實體層的中繼器 : 從一個連結進入的位元會被送出到所有其他的連結 以同樣的速率 沒有訊框緩衝區
集線器沒有 CSMA/CD : 網路卡偵測碰撞 提供網路管理的功能 雙絞線 集線器 5: DataLink Layer

54 曼徹斯特編碼 使用在 10BaseT 中 每個位元都包含一個電位轉換 允許傳送端和接收端節點的時脈同步 嘿，這是實體層的東西！
節點間不需要中央的，整體的時脈! 嘿，這是實體層的東西！ 5: DataLink Layer

55 Gbit 乙太網路 使用標準的乙太網路訊框格式 允許點對點連線和共享廣播頻道 在共享模式中，使用CSMA/CD，需要較短的節點距離以達到效能
使用集線器，這裡稱為「緩衝分配器」 允許在點對點連結中，以 1 Gbps 速率進行全雙工運作 目前10 Gbps ! 5: DataLink Layer

56 第五章:連結層和區域網路 5.1 簡介與服務 5.2 錯誤偵測和更正技術 5.3 多重存取協定 5.4 連結層定址 5.5 乙太網路
5.6 集線器和交換器 5.7 PPP 5.8 虛擬連結: ATM 與 MPLS 5: DataLink Layer

57 以集線器互相連結 主幹集線器連接區域網路的區段 延伸節點間的最大距離 但是個別的碰撞區域會變成一個大的碰撞區域
10BaseT 和 100BaseT 無法互相連結 集線器 集線器 集線器 集線器 5: DataLink Layer

58 交換器 連結層裝置 儲存及轉送乙太網路訊框 檢驗訊框以及選擇性地以MAC目的端位址轉送訊框
當訊框被轉送到區段時，使用 CSMA/CD 存取區段 透明的 主機感覺不到交換器的存在 隨插即用，自我學習 交換器不需要設定 5: DataLink Layer

59 轉送 集線器 交換器 1 3 2 如何決定將訊框轉送到哪一個LAN區段? 看起來像是路由問題... 5: DataLink Layer

60 自我學習 交換器有一個交換表 交換表中的紀錄: (MAC 位址, 介面, 時間標記) 失去時效的紀錄會被丟棄 (TTL 為 60 分鐘)
交換器會學習哪一個主機經由哪一個介面可以到達 當訊框抵達時，交換器會 “學習” 傳送端的位置: 進入的LAN 區段 在交換表中紀錄傳送端/位置對 5: DataLink Layer

61 過濾/轉送 當交換器收到一個訊框時: 索引的交換表使用 MAC 目的端位址 if 在紀錄裡找到目的端 then{
else 將訊框轉送到指定的介面 } else 使用洪流法 除了訊框抵達的介面以外， 轉送到所有的介面 5: DataLink Layer

62 交換器範例 假設 C 傳送訊框到 D 交換器從 C 接收到訊框 D 收到訊框 注意在轉接表中 C 位在介面 1
位址 介面 交換器 1 A B E G 1 2 3 2 3 集線器 集線器 集線器 A I D F B G C H E 交換器從 C 接收到訊框 注意在轉接表中 C 位在介面 1 因為 D 不在表中，交換器會將訊框轉送到介面 2 和 3 D 收到訊框 5: DataLink Layer

63 交換器範例 假設 D 將訊框回應給 C 交換器從 D 收到訊框 C 收到訊框 注意在轉接表中 D 位在介面 2
位址 介面 交換器 A B E G C 1 2 3 集線器 集線器 集線器 A I D F B G C H E 交換器從 D 收到訊框 注意在轉接表中 D 位在介面 2 因為 C 在表中，交換器只會將訊框轉送到介面 1 C 收到訊框 5: DataLink Layer

64 交換器: 流量隔離 安裝交換器會將子網路分成區域網路區段 交換器過濾封包: 同一個 LAN 區段中的訊框不會時常被轉送到其他的LAN區段中
區段變成分離的碰撞區域 集線器 交換器 碰撞區域 碰撞區域 碰撞區域 5: DataLink Layer

65 交換器: 專線 有許多介面的交換器 主機直接連接到交換器 沒有碰撞; 全雙工 交換: A-到-A’ 以及 B-到-B’ 同時，沒有碰撞 A
C’ B switch C B’ A’ 5: DataLink Layer

66 更多關於交換器 直接傳送交換法: 訊框從輸入端到輸出端轉送出去，不會先收集整個訊框 稍微減少延遲
分享/專線的混合, 10/100/1000 Mbps 介面 5: DataLink Layer

67 機構網路 IP 子網路 電子郵件伺服器 到外部網路 web 伺服器 路由器 交換器 集線器 集線器 集線器
5: DataLink Layer

68 交換器 vs. 路由器 都是儲存並轉送的裝置 路由器維護路由表，實作路由演算法 交換器維護交換表，實作過濾，學習演算法
路由器: 網路層裝置 (檢驗網路層標頭) 交換器是連結層裝置 路由器維護路由表，實作路由演算法 交換器維護交換表，實作過濾，學習演算法 5: DataLink Layer

69 總結比較 5: DataLink Layer

70 第五章:連結層和區域網路 5.1 簡介與服務 5.2 錯誤偵測和更正技術 5.3 多重存取協定 5.4 連結層定址 5.5 乙太網路
5.6 集線器和交換器 5.7 PPP 5.8 虛擬連結: ATM 與 MPLS 5: DataLink Layer

71 點對點資料連結層協定 一個傳送端，一個接收端，一個連結：比廣播連結簡單: 不需要媒體存取控制 不需要明確的MAC定址
例如，撥接連結, ISDN 線路 流行的點對點 DLC 協定: PPP (點對點協定) HDLC: 高階資料連結控制 (使用的資料連結被認為是協定層中的「高階」! 5: DataLink Layer

72 PPP 設計需求 [RFC 1557] 封包訊框化: 將網路層的資料段封裝在資料連結訊框中
同時載送任何網路層協定(不僅是 IP) 的網路層資料 朝上解多工的能力 位元通透性: 必須載送資料欄位中的任何位元樣本 錯誤偵測 (沒有更正) 連線狀況: 連結層故障的偵測，並通知網路層 網路層位址協商: 端點可以學習/設定彼此的網路位址 5: DataLink Layer

73 錯誤復原，流量控制，資料重新排序都歸類到更高層!
PPP 不需要的 不需要錯誤更正/復原 不需要流量控制 傳送順序不正確 － OK 不需要支援多點連結 (例如,輪詢) 錯誤復原，流量控制，資料重新排序都歸類到更高層! 5: DataLink Layer

74 PPP 資料訊框 旗標: 定介符 (訊框) 位址: 沒做什麼 (只有一個選擇) 控制: 沒做什麼; 未來可能是多控制欄位
位址: 沒做什麼 (只有一個選擇) 控制: 沒做什麼; 未來可能是多控制欄位 協定: 訊框要傳送的上層協定 (例如, PPP-LCP, IP, IPCP, etc) 5: DataLink Layer

75 PPP 資料訊框 資料: 載送的上層資料 檢查和: 錯誤偵測的循環冗餘檢查 5: DataLink Layer

76 位元組填充 “資料通透性” 要求: 資料欄位必須也允許旗標樣式<01111110> 的存在
問: 收到的 < > 是資料還是旗標? 傳送端: 在每一個< > 資料位元組後面加入 (“填充”) 額外的 < > 位元組 接收端: 連續收到兩個< >, 就丟棄一個, 另一個當作是資料 收到單一< >, 視為旗標位元組 5: DataLink Layer

77 位元組填充 旗標位元組 樣式在要傳 送的資料中 在要傳送的資料中將旗標位元組樣式再加上填充的位元組 5: DataLink Layer

78 PPP 資料控制協定 在傳輸網路層資料之前, 鏈結層必須先做以下的工作 設定PPP連線 (最大訊框長度, 認證資料) 學習/設定 網路層資訊
以IP來講, 載送IP控制協定訊息(IPCP)設定/學習IP位址 5: DataLink Layer

79 連結層 5.1 簡介與服務 5.2 錯誤偵測和更正技術 5.3 多重存取協定 5.4 連結層定址 5.5 乙太網路 5.6 集線器和交換器
5.7 PPP 5.8 虛擬連結: ATM 與 MPLS 5: DataLink Layer

80 虛擬網路 虛擬資源: 系統工程中功能強大的抽象化概念: 計算機的範例: 虛擬記憶體，虛擬裝置 虛擬機器: 例如， java
1960/70 年代的 IBM VM os 抽象的階層: 不需要煩惱較低層的細節，只需要抽象地處理低層 5: DataLink Layer

81 網際網路: 虛擬網路 1974: 多個未連結的網路 … 相異處: ARPAnet 經由電纜傳輸的資料網路 封包衛星網路 (Aloha)
封包無線網路 … 相異處: 位址原則 封包格式 錯誤復原 路由 ARPAnet 衛星網路 "A Protocol for Packet Network Intercommunication", V. Cerf, R. Kahn, IEEE Transactions on Communications, May, 1974, pp 5: DataLink Layer

82 網際網路: 虛擬網路 閘道器: 「將互連網路的封包嵌入區域封包格式中或是將它們解開」 路由 (在互連網路層) 到下一個閘道器 閘道器
互連網路層 (IP): 位址: 互連網路看起來好像一個單一的、統一的實體，無論下方的區域網路異質性 網路組成的網路 閘道器: 「將互連網路的封包嵌入區域封包格式中或是將它們解開」 路由 (在互連網路層) 到下一個閘道器 閘道器 ARPAnet 衛星網路 5: DataLink Layer

83 Cerf & Kahn 的互連網路架構 什麼是虛擬的? 兩層位址: 互連網路與區域網路 新的階層 (IP) 使的互連網路層上的一切具同質性
下層的區域網路技術 電纜 衛星 56K 電話數據機 今日: ATM, MPLS … 互連網路層的“隱形” 。如同連結層技術到IP! 5: DataLink Layer

84 ATM 以及 MPLS ATM, MPLS 以它們自己的專利來分離網路 網際網路將它們視為以 IP 路由器連接的邏輯連結
不同的服務模型, 定址, 來自網際網路的路由 網際網路將它們視為以 IP 路由器連接的邏輯連結 如同撥接連結實際上是分離網路的一部分 (電話網路) ATM, MPSL: 它們自己的專利技術 5: DataLink Layer

85 非同步傳輸模式網路: ATM 1990/2000年代的高速標準 (155Mbps 到 622 Mbps 或更高) 寬頻整合服務數位網路 架構
目標: 整合的，端點對端點的傳輸，可載送音訊、視訊、資料 符合音訊及視訊的時序/QoS需求 (v.s. 網際網路的盡全力傳送模型) “下一代” 電話: 根源於電話世界的技術 封包交換 (固定長度的封包，稱為「細胞」) ，使用虛擬線路 5: DataLink Layer

86 ATM 架構 轉接層: 在ATM網路的邊緣 資料分段/重組 大約類比於網際網路傳輸層 ATM 層: “網路”層 細胞交換, 路由 實體層
5: DataLink Layer

87 ATM: 網路或連結層 ? 可見的: 端點對端點的傳輸: “ATM 從桌上型電腦到桌上型電腦” ATM 為網路層技術
實際的: 用來連接 IP 主幹路由器 “ATM 上的 IP” ATM 如同交換的連結層，連接 IP 路由器 IP 網路 ATM 網路 5: DataLink Layer

88 ATM 轉接層 (AAL) ATM 轉接層 (AAL): “轉接” 上層 (IP 或本地 ATM 應用程式) 到下層的 ATM 層
比方: TCP 資料分段在許多 IP 封包中 5: DataLink Layer

89 ATM 轉接層 (AAL) [更多] 不同版本的 AAL 層，視 ATM 服務等級而定:
AAL1: 用在 CBR (固定位元速率) 服務，例如，線路模擬 AAL2: 用在 VBR (變動位元速率) 服務，例如，MPEG 視訊 AAL5: 用在資料 (例如 IP 資料段) 使用者資料 AAL PDU ATM 細胞 5: DataLink Layer

90 ATM 層 服務: 傳輸細胞橫越 ATM 網路 類比於 IP 網路層 與 IP 網路層非常不同的服務 保證 ? 網路 架構 網際網路 ATM
模型 盡全力 CBR VBR ABR UBR 壅塞 指示 無 (藉由遺失 來推論) 不發生壅塞 有 無 頻寬 無 常數速率 保證速率 保證最小 速率 遺失 無 有 排序 無 有 時序 無 有 5: DataLink Layer

91 ATM 層: 虛擬線路 VC 傳輸: 從來源端到目的端的細胞在 VC 中被載送 永久性 VC (PVC) 長期持續的連結
在傳送資料流之前，會先建立連線，拆除連線 每個封包都載送 VC 識別碼 (非目的ID) 在來源對目的的路徑上，每個路由器都必須維護每個經過的連線的「狀態」 連結和路由器的資源 (頻寬、緩衝區) 可能會配置給VC: 得到類似線路的效果 永久性 VC (PVC) 長期持續的連結 通常是: IP路由器間的「永久」路由 交換式 VC (SVC): 每次連線都需要動態建立 5: DataLink Layer

92 ATM VC ATM VC 方法的優點: 對應到VC的連線具有 QoS 的效能保證 (頻寬，延遲，延遲時基誤差) ATM VC 方法的缺點:
資料段的資料流支援不足 每個來源端/目的端之間，一個 PVC無法擴充 (需要N*2 連結) SVC 產生連線建立的延遲，處理短期連線的額外負擔 5: DataLink Layer

93 ATM 層: ATM 細胞 5 位元組的 ATM 細胞標頭 48 位元組的資料
為什麼?: 較小的資料 -> 數位音訊的較短細胞建立延遲 32 與 64 的一半 (折衷!) 細胞標頭 細胞格式 5: DataLink Layer

94 ATM 細胞標頭 VCI: 虛擬通道 ID 經過網路時，會隨著連結到連結改變 PT: 承載資料型態 (例如 RM 細胞 v.s. 資料細胞)
CLP: 細胞遺失優先權位元 CLP = 1 為低優先權細胞，可以在壅塞時被刪除 HEC: 標頭錯誤檢查和Header Error Checksum 循環冗餘檢查 5: DataLink Layer

95 ATM 實體層 (更多) 實體層的兩塊 (子層) :
傳輸收斂子層 (Transmission Convergence Sublayer ,TCS) : 調節 ATM 層和下方的 PMD 子層 實體媒體相關子層 (Physical Medium Dependent) :和所使用的實際媒介有關 TCS 功能: 標頭檢查和產生 8 位元的 CRC 細胞區隔 在“無結構的” PMD 子層中，當沒有資料細胞要傳送時，會傳送閒置細胞 5: DataLink Layer

96 ATM 實體層 實體媒體相關子層 (PMD) SONET/SDH:傳輸訊框的結構 (如同載送位元的容器); 位元同步;
頻寬的分割 (TDM); 有不同速度: OC3 = Mbps; OC12 = Mbps; OC48 = 2.45 Gbps, OC192 = 9.6 Gbps TI/T3: 訊框結構傳輸 (舊的電化階層): 1.5 Mbps/ 45 Mbps 無結構的: 只有細胞 (忙碌/閒置) 5: DataLink Layer

97 ATM 上的 IP ATM 上的 IP 以ATM網路更換 “網路” (例如, LAN 區段) ATM 位址, IP 位址 只有傳統 IP
MAC (802.3) 和 IP 位址 ATM 網路 乙太 區域網路 乙太 區域網路 5: DataLink Layer

98 ATM 上的 IP AAL ATM 實體 乙太 IP 實體層 應用層 傳輸層 乙太網路 5: DataLink Layer

99 ATM 上的 IP 網路中資料段的旅行 在來源端主機: ATM 網路: 沿著 VC 移動細胞到目的端 在接收端主機:
IP 層在 IP，ATM目的位址之間對應 (使用ARP) 將資料段傳道 AAL5 AAL5 封裝資料，資料段細胞，傳送給ATM層 ATM 網路: 沿著 VC 移動細胞到目的端 在接收端主機: AAL5 將細胞重組成資料段 假如 CRC OK，資料段會傳送給 IP 5: DataLink Layer

100 ATM 上的 IP 問題: IP 資料段進入 ATM AAL5 PDU 從 IP 位址到 ATM 位址
如同 IP 位址到 MAC 位址! ATM 網路 乙太 區域網路 5: DataLink Layer

101 多重協定標籤交換 (MPLS) 初始目標: 使用固定長度的標籤加快 IP 的轉送 (替代 IP 位址) 從虛擬線路 (VC) 得來的方法
PPP 或 乙太網路標頭 MPLS 標頭 IP 標頭 連結層訊框的其他部分 存活 期 標籤 實驗用 S 20 3 1 5 5: DataLink Layer

102 可執行MPLS的路由器 也稱為標籤交換路由器 只使用標籤值(不檢查IP位址)，將封包轉送到輸出介面 訊號協定需要設定轉送
RSVP-TE 轉送可能會沿著只有 IP 時不允許的路徑 (例如, 來源指定的路由) !! 使用 MPLS 做流量工程 需要與只執行 IP 的路由器共存 5: DataLink Layer

103 MPLS 轉送表 10 A 0 12 D 0 10 6 A 1 8 A 1 12 9 D 0 R6 D R4 R3 R5 A R2 R1
輸入 輸出 輸出 標籤 標籤 目的 介面 A 輸入 輸出 輸出 標籤 標籤 目的 介面 A D D A R6 D 1 1 R4 R3 R5 A R2 輸入 輸出 輸出 標籤 標籤 目的 介面 A R1 輸入 輸出 輸出 標籤 標籤 目的 介面 A 5: DataLink Layer

104 第五章: 總結 資料連結層服務的原則: 各種連結層技術的例證和實作 乙太網路 交換區域網路 PPP 連結層的虛擬網路: ATM, MPLS
錯誤偵測, 更正 分享寬頻通道: 多種存取 連結層位址 各種連結層技術的例證和實作 乙太網路 交換區域網路 PPP 連結層的虛擬網路: ATM, MPLS 5: DataLink Layer