计算机网络：自顶向下 第二章笔记链路层和局域网

Posted 2021-06-05 mayunfei233

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• 2.4寻址（Addressing）
• • 2.4.1MAC寻址
  • 2.4.2ARP:地址解析协议
  • 2.4.3发送数据报到子网外
• 2.5以太网
• • 2.5.1以太网物理结构
  • 2.5.2以太网帧结构
  • 2.5.3以太网技术CSMA/CD
• 2.6链路层交换机
• • 2.6.1集线器（hub）
  • 2.6.2以太网交换机
  • • 2.6.2.1交换机转发和过滤
    • 2.6.2.2交换机的自学习
    • 2.6.2.3交换机和路由器的比较
  • 2.6.3虚拟局域网VLAN
• 2.7PPP点对点通讯协定 (Point-to-Point Protocol)
• • 2.7.1点对点数据链路控制
  • 2.7.2数据链路层：三个基本问题
  • 2.7.3PPP 协议的组成
  • 2.7.4ppp数据帧
  • 2.7.5字节填充Byte Stuffing
  • 2.7.6PPP数据控制协议

2.4寻址（Addressing）

2.4.1MAC寻址

地址解析协议ARP：将IP地址转换为链路层地址

MAC地址：链路层地址，也叫LAN地址，物理地址

32位的IP地址：

• 网络层地址的接口
• 用于第三层(网络层)转发

MAC(或局域网或物理或以太网)地址：

• 功能:用于“本地”从一个接口到另一个物理连接的接口(相同的网络，在ip寻址意义上)
• 48位（6字节，2^48种可能地址）MAC地址(大多数局域网)刻录在网卡ROM中，有时也可通过软件设置
  
• 链路层地址不在主机或路由器当中，而是在他们的适配器当中
• IEEE管理MAC地址（保证地址不会重复）
• 制造商购买部分MAC地址空间(以确保唯一性)
• 扁平结构–MAC地址不会随位置改变（不像IP地址层次结构，随位置改变）
• 适配器可以接收并非向他寻址的帧，适配器接收到帧时会检查该帧MAC地址是否与自己MAC地址相同，相同就取出封装的网络层数据报，不同就丢弃

2.4.2ARP:地址解析协议

• 局域网中的每个IP节点(主机、路由器)都有一个ARP表
• ARP表:一些局域网节点的IP/MAC地址映射：
• < IP address; MAC address; TTL>
• TTL(Time To Live):地址映射被遗忘的剩余时间(通常是20分钟)

如果发送方的ARP表中没有接收方的表项：

• 构造ARP分组（ARP packet）
• 广播ARP查询分组，MAC广播地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF）
• 目的主机接收查询分组后通过响应分组返回MAC地址，有相同格式

注意：

• 查询ARP报文在广播帧发送，响应ARP报文在标准帧发送
• ARP表自动建立，不需要网络管理员配置
• ARP既是链路层协议也是网络层协议

2.4.3发送数据报到子网外

• 发送端A向B发送数据报
• 首先发给路由器接口111.111.111.110，对于该帧来说MAC地址为E6-E9-00-17-BB-4B
• 路由器适配器看到MAC地址与自己相同，把数据报传到网络层
• 根据路由器转发表选择转发接口
• 该接口把数据报传递给他的适配器，适配器把数据报封装成新的帧，此时该帧的MAC地址为最终MAC地址

注意：每台主机只有一个IP地址和适配器，而路由器每个接口都有IP地址、适配器和ARP模块

2.5以太网

2.5.1以太网物理结构

总线： 90年代中期流行
星型： 中间有交换机（switch），无碰撞，储存转发分组

2.5.2以太网帧结构

发送适配器封装的IP数据报（或其他链路层协议包）在以太网帧内 Ethernet frame
Preamble-前同步码： 8字节，奇案字节都是10101010，第8字节是10101011，前7字节唤醒适配器，同步发送方时钟速率，第8字节后两位（第一个连续的11）提醒重要内容将要到达

dest Addresses-目的地址： 6字节 目的地MAC地址，目的主机适配器检查MAC地址，与自己相同或者是广播地址就上传网络层，其余MAC地址就丢掉帧

sourceAddress-源地址： 6字节，字面意思

Type-类型字段： 2字节，表示更高的层协议(主要是IP，但其他可能被支持，如Novell IPX和AppleTalk)

data-数据： 46~1500字节，IP数据报，以太网最大传输单元（MTU）是1500字节，超过就要分片，少于46字节就要填充

CRC-循环冗余检测： 使接受适配器检测帧是否有差错

所有以太网技术向网络层提供无连接服务

无连接：发送和接收网卡之间没有握手’
不可靠：接收网卡不发送确认帧acks和否定确认帧 nacks

2.5.3以太网技术CSMA/CD

以太网使用CSMA/CD带有二进制指数后退（binary exponential back off）

• 无时隙
• 如果适配器感知到其他适配器正在传输，则适配器不进行传输，即载波监听
• 当传输适配器感觉到另一个适配器正在传输时，传输适配器将中止，即冲突检测
• 在尝试重新传输之前，适配器等待一个随机时间，即随机访问

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2.6链路层交换机

2.6.1集线器（hub）

集线器本质上是物理层中继器

• 来自一个链路的比特会输出到所有其他链路
• 同样的速度（rate）
• 没有帧缓冲
• 在集线器没有CSMA/CD:适配器检测冲突
• 提供网络管理功能

工作原理：

曼彻斯特编码（Manchester encoding）：

• 在10BaseT使用（见书311-以太网技术）
• 每个比特都有一个转换
• 允许发送和接收节点中的时钟彼此同步
• 物理层

互相连接的集线器

• 骨干网集线器连接局域网段
• 扩展节点之间最大距离
• 但是单个的分段碰撞域成为一个大的碰撞域
• 不能连接10BaseT和100BaseT
  

2.6.2以太网交换机

链路层设备，起到积极作用：

• 存储，转发以太网帧（有缓存）
• 检查传入帧的MAC地址，有选择地将帧转发到一个或多个出链路，使用CSMA/CD远程访问

透明：

• 主机不知道交换机的存在

即插即用,自学plug-and-play, self-learning：

• 交换机不需要配置

2.6.2.1交换机转发和过滤

过滤（filtering）： 决定一个帧是应该转发到某个接口还是应该丢弃
转发（forwarding）： 决定一个帧应该转发到哪个接口，并转发

转发和过滤借助于交换机表（switch table）

交换机表包括但不必全部包括局域网内主机和路由器的表项，一个交换机表项应该包括：

1. 一个MAC地址
2. 通向该MAC地址的交换机接口
3. 表项放置在表中的时间

2.6.2.2交换机的自学习

交换机自主学习哪些主机可以通过哪些接口到达：

• 交换机表开始为空
• 对于每个接口接收到的每一个帧，交换机在交换机表中储存：
  1.该帧源地址字段的MAC地址
  2.该帧到达的接口
  3.当前时间
• 如果在一段时间之后（老化期（aging time）），交换机没有收到以该地址作为源地址的帧，在表中清除该表项

即插即用设备：Plug and Play Devices

自学习交换器可以连接在一起

交换机是双工的，无MAC地址，上图A发送送到G是可以通过自学习实现的，一个接口可以对应多个MAC地址

2.6.2.3交换机和路由器的比较

都进行储存-转发（store-and-forward）：
路由器:网络层设备(检查网络层报头)
交换机:链路层设备(检查链路层报头)

它们都有转发表:
路由器:使用路由算法计算表，IP地址
交换机:学习转发表使用泛洪，学习，MAC地址
流量隔离、即插即用、优化路由、抄近路

2.6.3虚拟局域网VLAN

现代机构的局域网常常配置为等级结构，每个工作组有自己的交换局域网，经过一个交换机等级结构与其他工作组的交换局域网互联

缺点：

• 缺乏流量隔离
• 交换机的无效使用
• 管理用户

虚拟局域网络
支持VLAN功能的交换机可以配置为在单个物理LAN基础设施上定义多个虚拟LAN。

基于端口的VLAN Port-based VLAN
交换机端口分组(通过交换机管理软件)使单个物理交换机…

…作为多个虚拟交换机运行

跨越多个交换机的：跨越多个交换机的VLANs

VLAN干线连接（VLAN trunking）
每台交换机上的特殊端口配置为干线端口（左16，右1），此端口属于所有VLAN，但是交换机不知道干线端口的帧属于哪个VLAN，所以IEEE定义拓展以太网帧格式——802.1 Q（携带VLAN ID），802.1q协议为中继端口之间转发的帧添加/删除额外的报头字段

802.1Q VLAN帧构成：

左：2字节标签协议标识(取值:81-00)
下：Tag Control Information(12位VLAN ID字段，3位优先级字段，类似IP TOS)
右：重新计算的CRC

• 当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。
• B1 发送数据时，工作站 A1, A2 和 C1都不会收到 B1 发出的广播信息。
• 虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络
  不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。
  

100BASE-T：

100代表100 Mb/s以太网
BASE代表基带以太网（物理媒介仅承载以太网流量）
T代表双绞铜线

2.7PPP点对点通讯协定 (Point-to-Point Protocol)

2.7.1点对点数据链路控制

一个发送者，一个接收者，一个链接:比广播链接容易:

• 没有媒体访问控制（ Media Access Control，MAC）
• 不需要显式MAC寻址
• 例如，拨号链路，ISDN线路

流行的点对点DLC（Data Link Control）协议:

• HDLC: High level data link control----高级数据链路控制协议
• PPP point-to-point protocol-------------点对点通讯协定

数据链路层传送的是帧

2.7.2数据链路层：三个基本问题

(1) 封装成帧
(2) 透明传输
(3) 差错控制

2.7.3PPP 协议的组成

• 1992 年制订了 PPP 协议。经过 1993 年和 1994 年的修订，现在的 PPP 协议已成为因特网的正式标准[RFC 1661]。
• PPP 协议有三个组成部分 ：
  • 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法
  • 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)
  • 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)

PPP设计要求：
packet framing: encapsulation of network-layer datagram in data link frame

• carry network layer data of any network layer protocol (not just IP) at same time
• ability to demultiplex upwards----有向上拆分的能力

bit transparency（比特透明）： must carry any bit pattern in the data field

error detection (no correction)

connection liveness: detect（检测）, signal link failure to network layer

network layer address negotiation（协商）: endpoint can learn/configure（配置） each other’s network address

PPP 无需求

• 没有差错检测，纠正
• 没有流量控制
• 交付错误——没问题
• 不需要支持多链路（例如轮询polling）

错误恢复，流控制，数据重新排序所有交给更高的层解决!

2.7.4ppp数据帧

• Flag: delimiter（定界符） (framing)
• Address: does nothing (only one option)
• Control: does nothing; in the future possible multiple control fields
• Protocol: upper layer protocol to which frame delivered (eg, PPP-LCP, IP, IPCP, etc)
• info: upper layer data being carried
• check: cyclic redundancy check for error detection

2.7.5字节填充Byte Stuffing

在PPP中01111110是数据帧标志字段（flag），在帧首帧尾，如果信息域（info）里也有01111110会导致帧提前结束，PPP透明性要求不能限制高层协议数据的位模式，此时就需要字节填充。

原理： 在除flag字段的01111110前加一个01111101（转义字符），如果01111101出现在信息域内，则在01111101再加一个01111101证明后面的是实际数据部分，接收端收到数据后去除转义字符还原成原数据

2.7.6PPP数据控制协议

在交换网络层数据之前，数据链路对等体必须：

• 配置PPP链路(最大帧长度、身份验证)
• 了解/配置网络层信息：for IP:携带IPCP (IP Control Protocol) 消息 (Protocol field: 8021)配置/学习IP地址