计算机网络——数据链路层之MAC子层
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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了计算机网络——数据链路层之MAC子层相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
一:信道分配问题
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信道:信号的通道, 比如:双绞线、铜缆、光纤、卫星、空气等
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点到点信道:信道直接连接两个端点,比如:家中计算机通过modem连接到电信公司端局
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多点访问信道:多用户共享一根信道,比如:下图是以太网的典型拓扑,早期星型拓扑是集线器,现在几乎都是交换机,当使用集线器或交换机工作在半双工模式的时候,它的逻辑拓扑是总线式的,信道是共享的
常见的局域网拓扑: -
总线拓扑、星型拓扑、环型拓扑
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共同点:共享一根信道(别称:广播信道、多路访问信道、随机访问信道)
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广播信道面临的问题:可能两个(或更多)站点同时请求占用信道
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解决办法:介质的多路访问控制。在多路访问信道上确定下一个使用者(信道分配)
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怎么介质访问控制(分配信道)
- 静态分配
- 动态分配
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静态分配方法:TDM、FDM
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静态分配的排队论分析(M/M/1排队系统模型)
静态分配的特点:
二:多路访问协议
随机访问协议:冲突不可避免
受控访问协议:克服了冲突
有限竞争协议:利用上述二者的优势
2.1:随机访问
2.1.1:ALOHA
ALOHA协议由夏威夷大学Norman Abramson及他的同事设计,有两个版本:
- 纯ALOHA协议
- 分隙ALOHA协议
纯ALOHA协议:
- 原理:想发就发
- 特点
- 冲突:两个或以上的帧
- 随时可能冲突
- 冲突的帧完全破坏
- 破坏了的帧要重传
单向传播延迟Delay:D
冲突危险期:2D
纯ALOHA信道的利用率最高为18.4%
分隙ALOHA:
- 分隙ALOHA是把时间分成时隙(时槽)
- 时隙的长度对应一帧的传输时间
- 帧的发送必须在时隙的起点
- 冲突只发生在时隙的起点
冲突危险期:D
分隙ALOHA信道的利用率最高为36.8%
2.1.2:CSNA
载波侦听多路访问协议(Carrier Sense Multiple Access)
特点:“先听后发”
非持续式CSMA:
- 特点:
- ①经侦听,如果介质空闲,开始发送
- ②如果介质忙,则等待一个随机分布的时间,然后重复步骤①
- 好处:等待一个随机时间可以减少再次碰撞冲突的可能性
- 缺点:等待时间内介质上如果没有数据传送,这段时间是浪费的
持续式(指1-持续式)CSMA:
- 特点:
- ①经侦听,如介质空闲,则发送
- ②如介质忙,持续侦听,一旦空闲立即发送
- ③如果发生冲突,等待一个随机分布的时间再重复步骤①
- 好处:持续式的延迟时间要少于非持续式
- 主要问题:如果两个以上的帧等待发送,一旦介质空闲就一定会发生冲突
持续式(指P-持续式)CSMA:
- 特点:
- ①经侦听,如介质空闲,那么以 p 的概率发送,以(1–p)的概率延迟一个时间单元发送
- ②如介质忙,持续侦听,一旦空闲重复①
- ③如果发送已推迟一个时间单元,再重复步骤①
- 注意:1-持续式是p-持续式的特例
如侦听到介质上无数据发送才发送,发送后还会发生冲突吗?肯定会,有以下两种情形:
- (1)同时传送
- (2)传播延迟时间
传播延迟对载波侦听的影响:
冲突窗口
- 即发送站发出帧后能检测到冲突(碰撞)的最长时间
- 是一个时间区间,即可能侦听到发出的帧遭到冲突(碰撞)
- 数值上:等于最远两站传播时间的两倍,即2D(D是单边延迟),2D相当于1个来回传播延迟RTT:Round Trip Time
怎么能侦听到冲突:
CSMA/CD概念模型:
- 传输周期:一个站点使用信道,其他站点禁止使用
- 竞争周期:所有站点都有权尝试使用信道,争用时间槽
- 空闲周期:所有站点都不使用信道
各种CSMA的性能比较:
2.2:受控访问
2.2.1:位图协议
位图协议(预留协议)图示:
位图协议的信道利用率分析:
假设有N个用户,需N个时隙,每帧d比特
- 信道利用率
- 在低负荷条件下:d/(d+N) (N越大,站点越多,利用率越低)
- 在高负荷条件下:d/(d+1),接近100%
- 缺点:位图协议无法考虑优先级
2.2.2:二进制倒计数
站点:编序号,序号长度相同
竞争期:有数据发送的站点从高序号到低序号排队,高者得到发送权
特点:高序号站点优先
二进制倒计数协议的信道效率分析:
2.2.3:令牌
令牌:发送权限
- 令牌的运行:发送工作站去抓取,获得发送权,除了环,令牌也可以运行在其它拓扑上,如令牌总线
- 发送的帧需要目的站或发送站将其从共享信道上去除;防止无限循环
- 缺点:令牌的维护代价
2.3:有限竞争
自适应树搜索协议,比喻:二战时美军士兵的病毒检测
自适应树搜索协议(Adaptive Tree Walk Protocol)
- 在一次成功传输后的第一个竞争时隙,所有站点同时竞争。
- 如果只有一个站点申请,则获得信道。
- 否则在下一竞争时隙,有一半站点参与竞争(递归),下一时隙由另一半站点参与竞争
- 即所有站点构成一棵完全二叉树
三:以太网
3.1:以太网的前世今生
3.2:经典以太网
3.3:交换式以太网
快速以太网:
千兆以太网:
万兆以太网:
40G-100G以太网:
3.4:以太网的未来
25/50G和第二代100G以太网:25G以太网标准(IEEE 802.3by)是由IEEE和IEEE-SA于2014年发布,该标准弥补了10G以太网的低带宽和40G以太网的高成本缺陷。25G以太网采用了25Gb/s单通道物理层技术,可基于4个25Gbps光纤通道实现100G传输。
2017年,由IEEE P802.3bs工作组使用与100GbE大致相似的技术开发的400GbE和200GbE标准获得批准。
- 保留以太网帧格式
- 保留以太网最小帧长和最大帧长
2020年,以太网技术联盟(Ethernet Technology Consortium)宣布开发800G以太网规范,以满足数据中心网络不断增长的性能需求
以太网联盟的2020技术路线图预计2020年-2030年之间,800Gbps和1.6Tbps的速度将成为IEEE标准。
四:数据链路层交换
4.1:数据链路层交换原理
物理层设备扩充网络——扩大了冲突域,性能降低,安全隐患
理想的网桥是透明的
- 即插即用,无需任何配置
- 网络中的站点无需感知网桥的存在与否
MAC地址表的构建-逆向学习源地址:
发送帧的站MAC地址被学习:
网桥构建MAC地址表的过程:
MAC地址表的构建
- 增加表项:帧的源地址对应的项不在表中
- 删除表项:老化时间到期
- 更新表项:帧的源地址在表中,更新时间戳
网桥通过逆向学习帧的源地址,获知主机所处的位置
网桥通过逆向学习帧的源地址,构建MAC地址表
网桥对于入境帧的处理过程(forwarding、filtering、flooding)
forwarding(转发):
Filtering(过滤):
Flooding(泛洪):
两种目的地址的帧,需要泛洪:
- 广播帧:目的地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的数据帧
- 未知单播帧:目的地址不在MAC地址转发表中的单播数据帧
4.2:链路层交换机
执行数据链路层交换算法:
- 多端口透明网桥,网桥的现代名称
- 一种即插即用设备
PoE(Power over Ethernet)交换机)(PoE交换机并不常见):
- 常接:网络摄像机、IP电话等
- 主要优点:无需电源(受电端)、无需专门布线
传统LAN分段
- 交换机端口通常与集线器连接;
- 使用交换机把LAN分段为更小的冲突域。
现代LAN分段:直连PC,微分段,创建无冲突域
交换方式:从带宽的角度
- 对称交换:出和入的带宽相同。例如:交换机上全为1000Mb/s速率端口
- 非对称交换:出和入的带宽不同。交换机上有100Mb/s、1000Mb/s等多种速率端口
交换模式:从转发时机的角度
- 存储转发模式(Store and Forward)
- 直通模式(Cut-through)
- 无碎片模式(Fragment-free)
交换模式1:存储转发:
- 特点:转发前必须接收整个帧、执行CRC校验
- 缺点:延迟大
- 优点:不转发出错帧、支持非对称交换
交换模式2:直通交换 - 特点:一旦接收到帧的目的地址,就开始转发
- 缺点:可能转发错误帧、不支持非对称交换
- 优点:延迟非常小,可以边入边出
交换模式3:无碎片交换 - 特点:接收到帧的前64字节,即开始转发
- 缺点:仍可能转发错误帧,不支持非对称交换
- 优点:过滤了冲突碎片,延迟和转发错帧介于存储转发和直通交换之间
4.3:虚拟局域网
交换机可以分隔广播域吗?
- 可以!支持VLAN的交换机
- 一个VLAN(Virtual LAN)是一个独立的广播域;
- 交换机通过划分VLAN,来分隔广播域。
VLAN是一个在物理网络上根据用途,工作组、应用等来逻辑划分的局域网络,与用户的物理位置没有关系。
通过路由器或三层交换机进行VLAN间路由,实现VLAN间通信。
VLAN类型
- 基于端口的VLAN(最常见)
- 基于MAC地址的VLAN
- 基于协议的VLAN
- 基于子网的VLAN
基于端口的VLAN
- 创建VLAN
- 指定成员端口
基于MAC地址的VLAN:
基于协议的VLAN:
基于IP子网的VLAN:
VLAN优点:
- 有效控制广播域范围:广播流量被限制在一个VLAN内;
- 增强网络的安全性:VLAN间相互隔离,无法进行二层通信,不同VLAN需通过三层设备通信;
- 灵活构建虚拟工作组:同一工作组的用户不必局限于同一物理范围;
- 提高网络的可管理性:将不同的业务规划到不同VLAN便于管理。
五:无线局域网
5.1:无限局域网概述
无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN):指以无线信道作为传输介质的计算机局域网
设计目标:
- 针对小的覆盖范围(受限的发射功率)
- 使用无需授权的频谱(ISM频段)
- 面向高速率应用
- 能够支持实时和非实时应用
两个重要组织:IEEE 802.11工作组、Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance,WFA)
IEEE 802.11无线局域网发展历程:
5.2:无线局域网组网模式
无线局域网组网模式:基础架构模式与自组织模式(Ad hoc)
基础架构模式:
- 分布式系统(DS)
- 访问点(AP)
- 站点(STA)
- 基本服务集(BSS)
- 扩展服务集(ESS)
- 站点之间通信通过AP转发
自组织模式(Ad hoc)
- 站点(STA)
- 独立基本服务集(IBSS)
- 站点之间直接通信
- 共享同一无线信道
5.3:无线局域网体系结构
无线局域网需要解决的问题:
- 有限的无线频谱带宽资源
- 通道划分、空间重用
- 提高传输速率,解决传输问题
- 提高抗干扰能力和保密性
- 共享的无线信道
- 介质访问控制方法(CSMA/CA)
- 可靠性传输、安全性
- 组网模式管理
- BSS构建、认证、关联
- 移动性支持(漫游)
- 睡眠管理(节能模式)
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以上是关于计算机网络——数据链路层之MAC子层的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章
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