MAC地址

IP地址：

  • 接口的网络层地址
  • 用于标识网络层分组，支持分组转发

MAC地址（物理地址，LAN地址，以太网地址）：

  • 链路层标识一个帧从哪个接口发出，到达哪个物理相连的其他地址
  • 48位MAC地址，固化在网卡ROM中，有时也可软件设置
  • 局域网中每块网卡都有唯一的MAC地址
  • 由IEEE统一管理与分配

ARP（地址解析协议）

ARP表：LAN中每个IP结点（主机、路由器）维护一个表：

  • 存储某些LAN结点的IP/MAC映射关系
  • TTL（time to live），经过该时间后该映射关系会被遗弃，因为IP地址不是确定的

在一个局域网内，当需要没有存储的映射关系时，广播ARP查询分组，广播时MAC地址设为全1，对应结点接收查询分组时，向查询者响应其MAC地址（单播）

需要跨越路由器时，已知需要转化的IP地址、第一跳路由器IP地址（默认网关）、第一跳路由器MAC地址（一个局域网内ARP协议），在起点封装链路层数据帧时，MAC地址为第一跳路由器MAC地址，路由器接收数据帧后，提取网络层数据报，交给网络层处理，然后封装到新的链路层数据帧，发送到下一跳路由器，以此类推。

以太网（Ethernet）

统治地位的有线LAN技术，造价低廉，应用广泛，比令牌局域网和ATM等简单、便宜，可以满足网络速率需求

总线（bus）网络：上世纪90年代中期前流行，使用一条同轴电缆形式的总线连接所有结点，彼此可能冲突

星型：目前主流网络拓扑，利用交换机（switch），有一个中心交换机，结点间彼此不冲突

以太网提供不可靠、无连接的服务

  • 发送帧的网卡和接收帧的网卡没有握手过程
  • 接收网卡不向发送网卡进行确认，差错帧直接丢弃，数据恢复依靠高层协议（如TCP）
  • 以太网采用二进制指数退避算法的CSMA/CD协议

以太网CSMA/CD协议

  • 网卡从网络层接收数据报，创建数据帧
  • 监听信道，如果信道空闲，则开始发送帧；
  • 如果信道忙，则一直等待到信道空闲，然后发送帧
  • 网卡发送完整个帧，没有检测到其他结点的数据发送，则网卡确认帧发送成功
  • 如果检测到其他结点传输数据，则终止发送，并发送阻塞信号
  • 终止发送后，网卡进入二进制指数退避：第m次冲突，取n=max（m，10），从（0，1，…，$ 2^n-1 $）中随机取一个数k，网卡等待k*512比特的传输延迟时间，再重新开始监听信道，连续冲突次数越多，平均等待时间越长

以太网帧结构

网卡将IP数据报封装到以太网帧中

前导码：8byte，前7个字节为10101010，第8字节为10101011，用于发送端和接收端时钟同步

目的MAC地址、源MAC地址：各6byte，全1为广播地址

类型：2byte，指示封装的是哪种高层协议的分组

数据：46-1500byte

CRC：4byte

以太网标准

许多不同的以太网标准：

  • 相同MAC协议和帧格式
  • 不同速率
  • 不同物理介质

以太网交换机

链路层设备

  • 存储、转发以太网帧
  • 检验到达帧目的的MAC地址，选择性向一个或多个输出链路转发帧
  • 利用CSMA/CD协议

常用透明（transparent）交换机

  • 主机感知不到交换机的存在
  • 即插即用
  • 自学习

主机利用独享链路直接连接交换机

交换机实现帧缓存与转发

在每段链路上使用CSMA/CD协议，但无冲突，且可以全双工

不同链路可以并行传输

交换机维护转发表（交换表），每个入口记录主机MAC地址、到达主机的接口、时间戳

交换机通过自学习获知到达主机的接口信息，收到数据帧时，交换机得知MAC地址和到达接口的对应关系，记录到交换表中，然后查找表进行转发。如果源MAC地址和目的MAC地址位于相同的网段，则丢弃数据帧，不需要转发；如果在交换表中没有找到，则泛洪转发，转发到除接收接口之外的所有接口上。

交换机可以互联（层级连接，一个中心交换机连接其他的交换机）

交换机和路由器对比：

  • 都是存储-转发设备
  • 路由器为网络层设备，处理网络层数据报
  • 交换机为链路层设备，处理链路层帧
  • 二者都使用转发表，路由器利用路由算法计算得到，交换机利用自学习、泛洪构建转发表

虚拟局域网（VLAN）

不使用路由器隔离广播域

物理LAN的基础上配置、定义多个VLAN

单一物理交换机的端口分开，就像多个交换机一样

  • 流量隔离，分隔的端口只能在范围内广播
  • 也可以基于MAC地址划分
  • 动态成员，不需要改动物理线路
  • VLAN之间转发，需要使用路由器，厂家会将交换机和路由器集成在一起

VLAN如果要跨越多交换机划分：

  • 多线缆连接，每个线缆连接一个VLAN
  • 中继端口，连接两个物理交换机，传输跨越交换机的VLAN的帧（需要携带VLAN ID，802.1q协议，在标准以太网帧的基础上插入标记协议ID和控制信息的部分）

PPP协议

点对点数据链路控制

  • 不存在介质访问控制
  • 无需MAC寻址
  • 如，拨号链路，ISDN链路
  • 常见协议：HDLC、PPP

需求：

  • 组帧，可以承载任何网络层协议分组
  • 可以向上层实现复用和分用，在数据帧增加字段描述
  • 比特透明传输，数据域必须支持任何比特模式
  • 差错检测
  • 连接活性检测
  • 网络层地址协商，端结点可以学习/配置彼此网络地址

不支持功能：

  • 差错纠正
  • 流量控制
  • 不存在乱序交付
  • 不需要多点链路

PPP数据帧

首部和尾部分别flag：01111110，定界符

地址：无效

控制：无效

协议：上层协议，实现复用分用

信息：上层协议分组

校验：CRC校验

字节填充

透明传输需求：数据域需要允许包含标志模式01111110

发送端出现上述模式时，在前面进行填充

协议过程

在交换数据之前：

  • 配置PPP链路，最大帧长，身份认证，数据帧中可变部分的长度
  • 学习/配置网络层信息，对于IP协议，通过IPCP（IP control protocol）协议，完成IP地址等信息的配置

802.11无线局域网（WIFI）

802.11b：2.4-2.5GHz免费频段，最高速率为11Mbps，物理层采用直接序列扩频技术（如CDMA，所有主机使用相同的码片序列）

802.11a：5-6GHz，最高速率54Mbps

802.11g：2.4-2.5GHz，最高速率54Mbps

802.11n：多天线技术，2.4-2.5GHz，最高速率600Mbps

均使用CSMA/CA多路访问控制协议

均有基站网络模式和自组网网络模式

体系结构

  • 无线主机与基站通信（访问点，accesspoint，AP）
  • 基本服务集（BSS），基站模式包括基站和与基站关联的主机，自组网模式只有主机

主机必须与某个AP关联（associate），主机扫描信道，AP会定期广播信标（beacon）帧，包含名称（SSID）和MAC地址，使用DHCP等协议配置IP

多路访问控制

期望避免冲突

基于CSMA，发送数据前监听信道

不能向以太网CSMA/CD那样，边发送、边检测冲突，无线信道很难实现，信号强度衰减很快

需要避免冲突（Collision Avoidance）

CSMA/CA协议

发送方：

  • 监听信道空闲了DIFS时间，发送整个帧（无同时检测冲突，CD）
  • 如果监听到信道忙，开始随机规避计时，当计时器超时且信道空闲，发送帧
  • 如果没有收到接收方ACK，增加随机规避间隔时间，重新监听

接收方：

  • 如果正确接收帧，延迟SIFS时间（较短）后，向发送端发送ACK

基本思想：允许发送端预约信道，而不是随机发送数据帧，从而避免长数据帧的冲突

利用很小的预约帧避免了数据帧的冲突