CNATDA 第六章学习笔记

2023-07-112023-07-1592cnatda学习笔记

《Computer Networking: A Top-Down Approach (8th Edition)》第六章 “The Link Layer and LANs” 的学习笔记。

Introduction to the Link Layer

link layer 的主要功能是将 datagram 从一个 node 传输到另一个 node，还可以提供下列 service：

framing: 将 network-layer datagram 封装在 link-layer frame 中进行传输。
link access: 通过 medium access control (MAC) protocol 控制 frame 在 link 上如何传输。这对于 point-to-point link 来说是简单的，但在 broadcast link 中会遇到 multiple access problem，需要 MAC protocol 来进行协调。
reliable delivery: 通过与 TCP 类似的方式（acknowledgement、retransmission）来保证单个 link 上的 reliable delivery。这在出错率较高时可以避免单个 link 的传输错误导致 end-to-end retransmission，而在出错率较低时会造成不必要的 overhead，所以一般是出错率较高的 wireless link 才会提供 reliable delivery。
error detection and correction

在 host 中，link layer 一般实现于外接的 network adapter (network interface controller, NIC) 中，由硬件实现。host 中还会有软件用来连接 link layer 和 network layer。

Error-Detection and -Correction Techniques

参见 DDPP 第二章的相关内容。

Multiple Access Links and Protocols

在 broadcast link 中，同时只能有一方发送信息。如果多方同时发送，则会产生 collision，每一方发送的信息都会丢失。为了解决 multiple access problem，需要使用 multiple access protocol 来进行协调。

一个理想的 multiple access protocol 能做到：

只有一方发送时，完全利用带宽
多方同时发送时，均分全部的带宽
decentralized，没有 single point of failure
simple, inexpensive to implement

multiple access protocol 有非常多，总体可以分为三大类：channel partitioning protocols、ramdom access protocols、taking-turns protocols。

Channel Partitioning Protocols

将单个 channel 分成多个 channel。

TDM (time-division multiplexing) 将时间分成 time frames，将每个 time frame 分成 time slots，将每个 time frame 内的各个 time slot 分配给各个 node。

FDM (frequency-division multiplexing) 利用不同的频率作为不同的 channel。

TDM 和 FDM 都能完全避免 collision，但在只有一方发送时效率非常低：唯一的 active sender 不能使用分配给其他 node 的 channel。

CDMA (code-division multiple access) 通过给每个 node 分配一个 code 来允许各方同时发送，在 wireless channel 中较为常用。

Random Access Protocols

通过随机的等待时间来在 collision 发生后错开发送时机。

ALOHA

假设传输每个 frame 的用时相同，将时间划分为长度为这一用时的 slots，所有 node 是同步的，只在 slot 的开头发送信息，发生 collision 后能在这一 slot 内检测到。

slotted ALOHA 在没有 collision 时在每个 slot 开头发送 frame，在发生了 collision 后在每个 slot 开头以 $p$ 的概率进行 retransmission 直到发送成功为止。

如果一个 slot 中没有任何一方发送信息或者有多方同时发送信息则这个 slot 就浪费掉了，只有恰好有一方发送信息的 slot 才是 successful slot。

其 efficiency 就是 successful slot 的占比，有 $n$ 个 active slot 时，efficiency 为 $np(1-p)^{n-1}$ ，在 $n$ 很大时，其最大值是 $1/e \approx 0.37$ 。

pure ALOHA 不进行 time slot 的划分，或者说是每一方的 time slot 不是同步的，这样更加去中心化，但 efficiency 只有 slotted ALOHA 的一半。

CSMA(/CD)

CSMA (carrier sense multiple access) 基于 “listen before speaking” 的原则，进行 carrier sensing。

如果再加上 “If someone else begins talking at the same time, stop talking” 的原则，即 collision detection，则是 CSMA/CD。

在理想状态下，carrier sensing 可以完全消除 collision。但实际上，由于 propagation delay，一方开始发送到另一方收到需要时间，在这段时间内可能另一方也发送了信息。

在 CSMA/CD 中，遇到 collision 需要等待一段时间再 retransmit，等待时间通常由 binary exponential backoff 得到：在一个范围内随机选择等待时间，每多 retransmit 一次这个范围就加倍。在 Ethernet 中，第 $n$ 次 retransmission 会在 $0, 1, \ldots, 2^{n-1}$ 中随机选择一个数 $k$ ，然后等待传输 $512 \cdot k$ bits 的用时，而 $n$ 超过 $10$ 时也取 $10$ 。这里 retransmission 次数是每个 frame 分别计算的，新的 frame 会从 $0$ 开始。

CSMA/CD 的 efficiency 约为 $\dfrac{1}{1 + 5 d_{\mathrm{prop}} / d_{\mathrm{trans}}}$ ，其中 $d_{\mathrm{prop}}$ 表示 propagation delay， $d_{\mathrm{trans}}$ 表示一个 maximum-size frame 的传输用时。

Taking-Turns Protocols

轮流让各方发送信息，如果一方不想发送则交给下一位。

在 polling protocol 中，设有一个 master node，它轮流 poll 每个 node 来让它发送至多若干个 frame，发完再 poll 下一个。polling protocol 是 centralized 的，有 single point of failure；并且，对 inactive node 的 poll 会造成浪费。

token-passing protocol 是 decentralized 的，有一个 token 在各个 node 之间环状地传递，拿着 token 就可以发送至多若干个 frame，发送完（或者不想发送）就把 token 交给下一个。token-passing protocol 在有任何一个 node 出错时就会卡住，需要采取一些 recovery procedure。

DOCSIS: The Link-Layer Protocol for Cable Internet Access

DOCSIS 用于 cable access network，将 residential cable modems 连接到 cable modem termination system (CMTS)。它同时用到了多种 multiple access protocol，是一个很好的例子。

使用 FDM 分为 downstream 和 upstream 两个 channel，其中 downstream channel 由 CMTS 向 cable modem 发送，sender 唯一，比较简单。

upstream channel 被分成了若干 mini-slots（与 TDM 类似），而这些 mini-slots 是由 CMTS 动态分配的，需要由 cable modem 发送 mini-slot-request frame，这些 request 在一些特殊的 mini-slots 以 random access 的方式发送，通过是否收到来自 CMTS 的 mini-slot 分配来判断 request 是否成功发送，使用 binary exponential backoff。

Switched Local Area Networks

Link-Layer Addressing

host 和 router 的每个 interface (adapter) 都有一个 link-layer address：MAC address (physical address / LAN address)。

MAC address 的长度为 6 bytes，与 IP address 不同，物理上的每个 interface 的 MAC address 是固定的，不会因移动而变化。MAC address 由 IEEE 管理，在全球范围内是唯一的。

如果使用 broadcast link，多个 interface 都会收到同样的 frame。只有 MAC address 符合时才会接收，否则会丢弃（不会传递给 network layer）。

MAC broadcast address 是 ff:ff:ff:ff:ff:ff。

Address Resolution Protocol

ARP 用来将 subnet 内部的 IP address 翻译为 MAC address。

每个 host / router 会维护一张 ARP table，用来记录 IP address 和 MAC address 的对应关系。表项有过期时间，到期自动删除。

如果在 ARP table 内没有查询到需要的 IP address，则会发送一个 ARP query（一个 broadcast packet），具有这个 IP address 的 interface 在收到 ARP query 后会回复 ARP response（一般不是 broadcast，因为此时 broadcast 可能造成浪费；但是若采用 broadcast 也有助于发现 address conflict¹），收到 ARP response 后更新 ARP table。通过这样的机制，ARP table 可以自动建立，不需要任何手动配置。

如果要向 subnet 外发送信息，则需要向 gateway (first-hop router) 发送信息，所以需要查询的是 gateway 的 MAC address。

Ethernet

Ethernet 是现在最常用的 wired LAN。

Ethernet 通常使用 hub 或 switch 来连接各个 interface。hub 会将收到的每个 bit 转发给其他所有 interface，可能产生 collision。switch 则根据 MAC address 进行转发，不会产生 collision。

Ethernet frame 包含：

preamble (8 bytes): 31 个 “10” 和 1 个 “11”，用来标识 frame 的开头，并同步时钟。
destination MAC address (6 bytes)
source MAC address (6 bytes)
type (2 bytes): upper layer protocol，例如 IP、ARP。
data (46 ~ 1500 bytes): 如果需要传送的数据不足 46 bytes 需要进行填充。通过 type 以及 data 中的 header（例如 IP header）来判断 data 的长度。
CRC checksum (4 bytes)

Ethernet 是 connectionless、unreliable 的。

Ethernet 既是 link-layer protocol，也是 physical layer protocol，而且实际上是一类而非一个 protocol。例如，10BASE-T、10BASE-2、100BASE-T、1000BASE-LX、10GBASE-T、40GBASE-T 是不同的 Ethernet technology。开头表示 10Mbps、100Mbps、1Gbps、10Gbps、40Gbps 的传输速度，BASE 表示 media 只传送 Ethernet traffic，最后是不同的 physical media。

Link-Layer Switches

switch 和 router 的功能类似，但它工作于 link layer，而且是 transparent 的，其他设备感受不到 switch 的存在，也不需要手动进行任何配置。

switch 的每个 interface 都有一个 output buffer，与 router 类似。

switch 维护了一张 switch table，表示每个 MAC address 对应的 switch 的 interface，以及表项的过期时间。

对于从 interface $x$ 收到的 destination MAC address 为 $\alpha$ 的 frame：

若 $\alpha$ 不在 switch table 中，broadcast；
若 switch table 中 $\alpha$ 对应 interface $x$ ，discard；
若 switch table 中 $\alpha$ 对应 interface $y \ne x$ ，forward to $y$ 。

switch 是 self-learning 的：如果在 interface $x$ 收到 source MAC address 为 $\alpha$ 的 frame，则会在 switch table 中记录 $\alpha$ 到 $x$ 的对应关系。

相对于 hub，switch 的优点有：

没有 collision，可以优化性能。
可以将不同 technology 的 link (media) 连接在一起。
switch 还提供了一些 network management 功能，例如自动检测异常的 adapter 并禁用、对流量进行统计。

switch 减少了 broadcast，在提升性能的同时也增强了安全性。但是 attacker 可以设法用 bogus entries 将 switch table 填满，使得大部分 frame 被 broadcast，这被称作 switch poisoning。

switch 和 router 都可以将多个 host 连接在一起：

switch 不需要手动配置；性能一般更好。只能连成生成树，不能连出环；如果同一个 subnet 内有太多 host 可能影响性能；可能遭受 broadcast storm。
router 需要手动配置；性能可能略差。可以随便连，从而可以提供多条 route 供 routing protocol 选择；提供 firewall 来防止遭受 broadcast storm。

一般来说多至数百个 host 时用 switch 即可，有更多 host 的话则需要适当使用 router 来进行中转。

Virtual Local Area Networks (VLANs)

有时，物理上的 switch 会对网络管理造成一些限制：

一个 switch 一般有很多 port，但希望设置的 subnet 大小（为了安全等原因想分成不同的 subnet）可能和 port 数量不符。
如果要在不同 subnet 之间移动 host，需要更改物理连线。

VLAN 可以用来解决这些问题。

VLAN 通过软件控制一个 switch 上哪些 port 属于同一个 subnet。为了将两个 subnet 相连，需要将它们连到同一个 router 上，为了方便这样操作，支持 VLAN 的 switch 往往自带一个 router。

可以使用 VLAN trunking 来将多个 switch 上的 port 合并为一个 VLAN：每个 switch 上有一个 trunk port，将需要 trunking 的 switch 的 trunk port 相连，发送到 VLAN 的 frame 会被 forward 到 trunk port。trunking 时所属 VLAN 的识别通过扩展的 Ethernet frame format 802.1Q 来实现，在 header 中添加 VLAN tag 来表示所属的 VLAN。

除了基于 switch port 的 VLAN，还有基于 MAC address 的 VLAN，以及基于 network-layer protocol 的 VLAN。

Multiprotocol Label Switching (MPLS)

MPLS 基于 fixed-length label 进行 switch，在 link-layer header 和 IP header 之间添加 MPLS header，需要在支持 MPLS 的 router 之间进行传输，switch 时不需要管 IP header。

MPLS 有 switch 速度快、便于进行 traffic management 等优点。

（书中对它的介绍过于简略，感觉说了和没说差不多，我就在此基础上再简略一点（（

Data Center Networking

很多大型互联网公司都有由数万台 server 组成的 data center。data center 对外接入 Internet，而其内部又有一套 data center network。

data center 主要提供三部分的功能：向终端用户 serve content，进行 distributed computation，对外提供 cloud computing 服务。

data center 中的 host 被称作 blade，一般数十个 blade 会放在一起组成一个 rack，连到同一个 switch（top of rack, TOR switch）上，而整个 data center 通过多级 router 和 switch 构成一个 hierarchy，其中 access router 的下方可以分为多个 VLAN。如下图所示：²

A data center network with a hierarchical topology

在 data center 中，一个 application 通常由很多 host 来提供同样的服务，而对外只提供一个 IP address。load balancer 通过类似 NAT 的方式，将 request 均衡地分配给各个 host 进行处理。

树状的网络结构使得一个 data center 可以有数万台 server，但 host-to-host capacity 还是会受限，尤其是两个 host 的 LCA 位于较高层级时。为了解决这一问题，可以：

使用更高速的 router 和 switch，但这会大大增加开销。
尽量将需要互相通信的 host 放在较低的同一棵子树内，但这不一定做得到（可能大量 host 都需要互相通信），也会影响 host 位置的灵活性。
增加 interconnection 的数量，从而增加 host-to-host 的路径数量，在优化性能的同时也可以提升系统的可靠性。例如，每个 TOR switch 连接到 8 个 tier-2 switch，每个 tier-2 switch 连接到 16 个 tier-1 switch…… 这也被称作 Clos network。

data center 通常使用 SDN 来对网络进行集中管理。

为了支持 cloud computing、更方便地进行管理，通常会使用 virtual machine (VM) 等技术将 software 和 hardware 解耦。为了让 VM 能方便地在不同 host 之间移动，可以将 ARP 的 broadcast 机制改为类似于 DNS 的机制，存储 VM 的 IP address 到 TOR switch 的映射关系。

data center network 通常具有极低的延迟以及较小的 buffer size，而 congestion control 需要快速作出反应，传统的 TCP 不再适用，通常会使用为 data center 设计的 TCP 等方式来进行优化。

modular data center (MDC) 是一个内有至多数千个 host 的 container，用来作为 data center 的组成部分。在 MDC 的部分 component 坏掉时，MDC 可以继续以 degraded performance 工作，而在坏掉的 component 过多时则会报废。

很多公司会自己定制 data center 中的各个组成部分，包括 network adapter、switch、router、software、networking protocol。

Amazon 通过 “availability zone” 提高了服务的可靠性，即将 data center 在邻近但不同的地理位置上进行复刻，从而提供 fault tolerance，而地理位置上的邻近保证了 low latency，便于同步。

ethernet - ARP Replies can they be Broadcast - Network Engineering Stack Exchange ↩
p506, Figure 6.30: A data center network with a hierarchical topology ↩