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计算机网络局域网

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计算机网络局域网

MAC Medium/Meida Access Control 地址

或称为 LAN 地址、物理地址、以太网地址，作用是用于局域网内标识一个帧从哪个
接口发出，到达哪个物理相连的其他接口。

48位 MAC 地址（用于大部分LANS），固化在网卡的 ROM 中，有时也可以软件设置（要至少保证在本地局域网中唯一）。

MAC 地址由 IEEE 统一管理与分配，网卡生产厂商需要购买 MAC 地址空间（前24比特）。

类比

MAC 地址 == 身份证号 IP 地址 == 邮政地址。

MAC 地址是”平面”地址，都在一个平面内，到哪里都一样，可携带，可以从一个 LAN 移到另外一个 LAN。

IP 地址是层次地址，不可携带，IP 地址依赖于结点连接到哪个子网。

ARP 地址解析协议

ARP 表，LAN 中的每个 IP 结点（主机、路由器）维护一个表，存储某些 LAN 结点的 IP/MAC 地址映射关系，
<IP 地址，MAC 地址，TTL>，TTL 经过这个时间以后该映射关系会被遗弃（典型的值为20分钟）。

同一个局域网内

  1. A 想要给同一个局域网内的 B 发送数据报，B 的 MAC 地址不在 A 的 ARP 表中。
  2. A 广播 ARP 查询分组，其中包含 B 的 IP 地址、目的 MAC 地址 = FF-FF-FF-FF-FF-FF，LAN 中所有结点都会接收 ARP 查询。
  3. B 接收 ARP 查询分组，IP 地址匹配成功，向 A 应答 B 的 MAC 地址，利用单播帧向 A 发送应答。
  4. A 在其 ARP 表中，缓存 B 的 IP-MAC 地址对，直至超时，超时后，再次刷新。
  5. ARP 是即插即用的协议，结点自主创建 ARP 表，无需干预。

不在同一个局域网内

寻址，从一个 LAN 路由至另一个 LAN。

默认 MAC 地址，路由器要改源和目的 MAC 地址。

以太网 ETHERNET

“统治地位”的有线 LAN 技术，造价低廉，应用最广泛的 LAN 技术，比令牌环局域网和 ATM 等简单、便宜，
满足网络速率要求：10 Mbps - 10 Gbps。

物理拓扑

  1. 总线bus：上世纪 90 年代中期前流行，所有结点在同一个冲突域（collision domain）（可能批次冲突）
  2. 星型star：目前主流网络拓扑，中心交换机，每个结点是一个单独的冲突域（结点间彼此不冲突）。
    网络拓扑

不可靠、无连接服务

  • 无连接（connectionless）：发送帧的网卡与接收帧的网卡间没有”握手”过程。
  • 不可靠（unreliable）：接收网卡不向发送网卡进行确认，差错帧直接丢弃，丢弃帧中的数据恢复依靠高层协议，否则发生数据丢失。
  • 以太网的 MAC 协议：采用二进制指数退避算法的 CSMA/CD 协议。

以太网 CSMA/CD 算法

  1. NIC（网卡）从网络层接收数据报，创建数据帧。
  2. 监听信道：如果 NIC 监听到信道空闲，则开始发送帧；如果信道忙，则一致等待到信道空闲（1坚持），然后发送帧。
  3. NIC 发送完整个帧，而没有检测到其他结点的数据发送，则 NIC 确认帧发送成功。
  4. 如果 NIC 检测到其他结点传输数据，则终止发送，并发送堵塞信号（jam signal），让其他结点早点发现冲突。
  5. 终止发送后，NIC 进入二进制指数退避：第 m 次连续冲突后，取 n = max(m, 10)，NIC 从 {0, 1, 2, 3, …, 2n次方 - 1}中随机选择一个数 k，NIC 等待 k* 512 比特的传输延迟时间，再返回第二步，连续冲突次数越多，平均等待时间越长。

以太网帧结构

发送端网卡将 IP 数据报（或其他网络层协议分组）封装到以太网帧中。
以太网帧

前导码 preabmle

8字节，前七个字节都是 10101010，第八个字节为 10101011，用于时钟同步。

目-源 MAC

各6字节，如果网卡的 MAC 地址与收到的帧的目的 MAC 地址匹配，或者帧的目的 MAC 地址为广播地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF），
则网卡接收该帧，并将其封装的网络层分组交给相应的网络层协议，否则，网卡丢弃该帧。（混杂模式）

类型 Type

2 个字节，指示帧中封装的是哪种高层协议的分组（IP 数据报，AppleTalk 数据报），以太网的复用分用。

数据 data

46-1500字节，上层协议载荷，最少46字节（受到 CSMA 协议的限制），如果不足则要填充。

CRC

4字节，循环冗余校验码。

以太网交换机 switch

链路层设备，存储-转发以太网帧，检测到达帧的目的 MAC 地址，选择性（selectively）向一个或多个输出链路转发帧，利用 CSAMA/CD 访问链路，发送帧。

透明（tranparent），主机感知不到交换机的存在，即插即用（plug-and-play），自学习（self-learning）交换机无需配置。

多端口间同时传输

switch
主机利用独享（dedicated）链路直接连接交换机，交换机缓存帧，交换机在每段链路上利用 CSMA/CD 收发帧，但无冲突，且可以全双工。

每段链路是一个单独的冲突域，交换（switching），A-A’ 与 B-B’ 的传输可以同时进行，没有冲突。

交换机转发表-交换表

Q：交换机怎么知道 A’ 可以通过接口 4 到达，而 B’ 可以通过 5 到达？

A：每个交换机有一个交换表（switch table），每个入口（entry）：（主机的 MAC 地址，到达主机的接口，时间戳）

Q：交换表入口信息如何创建和维护？

A：自学习

自学习

交换机通过自学习，获知到达主机的接口信息，当收到帧时，交换机学习到发送帧的主机（通过帧的源 MAC地址），
位于收到该帧的接口所连接的 LAN 网段，将发送主机 MAC 地址/接口信息记录到交换表中。
如果此时有伪造 MAC 地址怎么处理？

帧过滤/转发

当交换机收到帧：

  1. 记录帧的源 MAC 地址与输入链路接口
  2. 利用目的 MAC 地址检索交换表
  3. 如果交换表中检索到与目的 MAC 地址匹配的入口则转发帧到该入口指向的接口，否则广播。

交换机互联

switch
Q：当 A 向 G 发送帧时，s1 怎么知道通过 s4 转发？s4 又怎么知道通过 s3 转发。
A：自学习，广播，一个接口能维护多个 MAC 地址？

组织机构 institutional 网络

组织机构的网络

交换机 vs 路由器

两者均为存储-转发设备：

  • 路由器：网络层设备，检测网络层分组首部
  • 交换机：链路层设备，检测链路层帧的首部

两者均使用转发表：

  • 路由器：利用路由算法（路由协议）计算（设置），依据 IP 地址
  • 交换机：利用自学习、泛洪构建转发表，依据 MAC 地址

网络设备对比

虚拟局域网 VLANs

动机

VLANS

  1. 隔离广播域（当然可以用路由器）
  2. CS 用户迁移到 EE，但是希望连接至 CS 交换机，怎么办？
  3. 单一广播域的问题：所有第二层广播流量（ARP、DHCP，未知目的的 MAC 地址位置）必须穿越整个 LAN，安全、隐私、效率问题。

VLANS

Virtual Local Area Network，支持 VLAN 划分的交换机，可以在一个物理 LAN 架构上配置、定义多个 VLAN。

基于端口的 VLAN

分组交换机端口（通过交换机管理软件），于是，单一的物理交换机就像多个虚拟交换机一样运行。
VLANS划分
VLANS划分2

此时广播只限于分组的那一边。

流量隔离（traffic isolation）去往/来自端口 1-8 的帧只到达端口 1-8，也可以基于 MAC 地址定义 VLAN，而不是交换接口。

动态成员：端口可以动态分配给不同 VLAN。

在 VLAN 间转发：通过路由（就像在独立的交换机之间），实践中，厂家会将交换机与路由器集成在一起三层交换机，路由器具有交换机的功能。

VLAN-router

跨越多个交换机的 VLAN

跨越多个交换机的VLAN

  1. 多线缆连接，每个线缆连接一个 VLAN，不经济。
  2. 中继端口（trunk port）：在跨越多个物理交换机定义的 VLAN 承载帧，为多 VLAN 转发 802.1 帧容易产生歧义，所以必须携带 VLAN ID 信息。

802.1Q VLAN 帧格式

802.1Q协议为经过中继端口转发的帧增加/去除额外的首部域。

VLAN帧

PPP

与之前的 MAC 共享链路协议不同，PPP 是点对点数据链路控制，一个发送端，一个接收端，一条链路，比广播链路容易。

  • 无需介质访问控制（Media Access Control）
  • 无需明确的 MAC 寻址
  • 拨号链路、ISDN 链路

点对点链路控制协议

常见的点对点链路控制协议：

  • HDLC：High Level Data Link Control
  • PPP：Point-to-Point Protocol

PPP 设计需求

需要支持的功能

  • 组帧：将网络层数据报封装到数据链路层帧中
    • 可以同时承载任何网络层协议分组（不仅 IP 数据报）
    • 可以向上层实现分用（多路分解）
  • 比特透明传输：数据域必须支持承载任何比特模式
  • 差错检测：无纠正
  • 连接活性（connection liveness）检测：检测、并向网络层通知链路失效
  • 网络层地址协商：端结点可以学习/配置彼此网络地址

无需支持的功能

  • 无需差错纠正/恢复
  • 无需流量控制
  • 不存在乱序交付
  • 无需支持多点链路

IEEE 802.11 无线局域网

802.11b

2.4-2.5 GHz 免费频段（unlicensed spectrum），最高速率 11 Mbps，物理层采用直接序列扩频（DSSS）技术。

802.11a

5-6 GHz，最高速率 54 Mbps。

802.11g

2.4-2.5 GHz，最高速率 54 Mbps。

802.11n

多天线 MIMO，2.4-2.5 GHz，最高速率 600 Mbps。

以上协议均使用 CSMA/CA 多路访问控制协议，均有基础设施（基站）网络模式和特定网络（自组网）模式。

WIFI

IEEE 802.11 体系结构

802.11体系结构

  • 无线主机与基站通信
    • 基站（base station）= 访问点（access point-AP）
  • 基本服务集BSS（Basic Service Set），也称为单元（cell）
    • 基础设施网络模式中，BSS 包括
      • 无线主机
      • AP：基站
    • 自组网（ad hoc）模式
      • 只有主机

802.11 信道与 AP 关联

  • 802.11b 把频谱划分为 11 个 不同频率的信道
    • 每个 AP 选择一个频率（信道）
    • 存在干扰可能：相邻的 AP 可能选择相同的信道！
  • 主机：必须与某个 AP 关联（associate）
    • 扫描信道（11个信道），监听包含 AP 名称（服务集标识符-SSID）和 MAC 地址的信标（beacon）帧。
    • 选择一个 AP 进行关联
    • 可能需要进行身份认证
    • 典型情形：运行 DHCP 获取 IP 地址等信息

802.11 AP 关联

主机被动扫描与主动扫描。

被动扫描 scanning

scanning

  • 各 AP 发送信标帧
  • 主机（H1）向 选择的 AP 发送关联请求帧
  • AP 向主机（H1）发送关联响应帧

主动扫描

主动扫描

  • 主机（H1）主动广播探测请求帧（probe request frame）
  • AP 发送探测响应帧（probe response frame）
  • 主机（H1）向选择的 AP 发送关联请求帧
  • AP 向主机（H1）发送关联响应帧

802.11 多路访问控制

  • 避免冲突：2+结点同时传输
  • 802.11：CSMA-发送数据前监听信道
    • 避免与正在进行传输的其他结点冲突
  • 802.11：不能像 CSMA/CD 那样，边发送、边检测冲突
    • 无线信道很难实现，信号强度随距离的平方甚至三次方成反比衰减
    • 无法侦听到所有可能的冲突：隐藏站、信号衰落
    • 目标：尽可能避免冲突（avoid collisions）- CSMA/C（ollision）A（voidance）

CSMA/CA

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。

  • 发送端首先利用 CSMA 向 BS 发送一个很短的 RTS（request to send）帧
    • RTS帧仍可能彼此冲突（但RTS帧很短，影响比数据帧冲突小）
    • BS 广播一个 CTS （clear to send）帧作为对 RTS 的响应
    • CTS 帧可以被所有结点接收
      • 消除隐藏站影响
      • 发送端可以发送数据帧
      • 其他结点推迟发送

利用很小的预约帧彻底避免了数据帧冲突！

IEEE 802.11 MAC 帧

802.11MAC帧