【計算機網絡】第五章 數據鏈路層（3）

四．ARP協議

1. MAC地址（LAN地址、物理地址、以太網地址）

（1）做用：用於局域網內標識一個幀從哪一個接口發出，到達哪一個物理相連的其餘接口

（2）固化在網卡的ROM中（惟一的），有時能夠軟件設置

（3）表示：十六進制、六個字節，如1A-2F-BB-76-09-AD

（4）管理：IEEE統一管理與分配前24個比特給網卡生產商，生產商分配後24個比特

（5）MAC地址 vs IP地址

　　·MAC地址：平面地址，可攜帶，可從一個LAN移到另外一個LAN，至關於身份證號

　　·IP地址：層次地址，不可攜帶，依賴於結點鏈接到哪一個子網，至關於郵政地址

2. ARP：地址解析協議

（1）問題：在同一個LAN內，如何在一直目的接口的IP地址的前提下肯定其MAC地址

（2）ARP表：即插即用

　　·LAN中的每一個IP結點維護一個表，儲存<IP地址; MAC地址; TTL>

　　·TTL一般爲20min，通過這個時間後，映射關係會被遺棄

（3）過程

　　·A想發送數據報給B，B的MAC地址不在A的ARP表中

　　·A廣播ARP查詢分組，其中包含B的IP地址，目的MAC地址爲全1，LAN中全部結點都接收查詢

　　·B接收ARP查詢分組，IP地址匹配成功，向A應答B的MAC地址（單播）

　　·A在其ARP 表中緩存B的IP-MAC地址對，直至超時

 

3. 尋址：從一個LAN路由到另外一個LAN

（1）A構造IP數據報，其中源IP地址是A的，目的地址是B的

（2）A構造鏈路層幀，其中源MAC地址是A的，目的MAC地址是R左端的，封裝A到B的IP數據報

（3）幀從A發送至R，R接收幀，提取IP數據報，傳遞給上層IP協議

（4）R轉發IP數據報（源和目的IP地址不變）

（5）R建立鏈路層幀，其中源MAC地址是R右端的，目的MAC地址是B的，封裝A到B的IP數據報

 

 

五．以太網

1. 優點：造價低廉、應用普遍、簡單偏移、知足網絡速率需求

2. 物理拓撲

（1）總線（同軸電纜）：全部節結點在同一衝突域

（2）星形（中心交換機）：目前主流網絡拓撲，每一個結點一個單獨衝突域

3. 不可靠、無鏈接服務

（1）無鏈接：發送幀的網卡與接收幀的網卡間沒有握手過程

（2）不可靠：接收王可不向發送網卡確認，差錯幀直接丟棄，數據恢復依靠高層協議

（3）以太網的MAC協議：採用二進制指數退避算法的CSMD/CD

4. 以太網CSMD/CD算法

（1）NIC從網絡層接收數據報，建立數據幀

（2）監聽信道，若空閒則開始發送幀，不然一直監聽直到信道空閒

（3）NIC發送完整個幀，而沒有檢測到其餘結點的數據發送，NIC確認幀發送成功

（4）若NIC檢測到其餘結點的數據發送，停止發送，發送堵塞信號

（5）停止發送後，NIC進入二進制指數退避

　　·第m次連續衝突後

　　　　- 取n = Min(m, 10)

　　　　- NIC從{0, 1, 2, ..., 2^n - 1}中隨機選擇一個數K

　　　　- NIC等待512K比特的傳輸延遲時間，返回第二步

　　·連續衝突次數越多，平均等待時間越長

5. 以太網幀結構

 

（1）前導碼：8B，7個字節的10101010，第8個字節爲10101011

（2）目的/源MAC地址：6B，全1表示廣播地址

（3）類型：2B，指示幀中封裝的是哪一種高層協議的分組

（4）數據：46-1500B，上層協議載荷

 

（5）CRC：4B，循環冗餘校驗碼，丟棄差錯幀

6. 不一樣以太網標準：相同的MAC協議和幀格式，不一樣的速率和物理介質

7. 交換機

（1）鏈路層設備

　　·存儲-轉發以太網幀

　　·檢驗到達幀的目的MAC地址，選擇性地向一個或多個輸出鏈路轉發幀

　　·利用CSMA/CD訪問鏈路，發送幀

　　·透明：主機沒法感知交換機的存在

　　·即插即用

（2）多端口間同時傳輸

　　·主機利用獨享鏈路直接鏈接交換機

　　·交換機緩存幀

　　·全雙工發送幀，每段鏈路一個獨立的衝突域，即AA’和BB’可同時傳輸

 

（3）交換機轉發表：交換表

　　·交換表項：主機MAC地址，到達主機的接口，時間戳

　　·自學習：收到幀時，學習源MAC地址，將信息記錄到交換表中

　　·幀過濾/轉發

 

（4）組織機構網絡：IP子網 = 廣播域

（5）交換機 vs 路由器

　　·均爲存儲-轉發設備：路由器是網絡層設備，交換機是鏈路層設備

　　·均使用轉發表：路由器利用路由算法和IP地址，交換機利用自學習和MAC地址

 

8. 虛擬局域網（VLAN）

（1）動機：不使用路由器便可劃分廣播域

（2）支持VLAN劃分的交換機能夠在一個物理LAN架構上配置、定義多個VLAN

（3）基於端口的VLAN

　　·經過劃分端口將單一的物理交換機視爲兩個獨立虛擬交換機，進行流量隔離

　　·端口能夠動態地分配給不一樣VLAN

　　·兩個VLAN間經過路由進行轉發

（4）跨越多交換機地VLAN

　　·多線纜鏈接：每一個線纜鏈接一個VLAN

　　·中繼端口：在跨域多個物理交換機定義地VLAN承載幀，爲避免歧義，必須攜帶VLAN ID信息，802.1Q協議爲通過中繼端口轉發的幀增長/去除額外的首部域

　　·802.1Q VLAN幀格式