计算机网络自顶向下设计的读书笔记14.docx
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计算机网络自顶向下设计的读书笔记14
一、MAC地址(物理地址,以太网地址,局域网地址LAN地址)MediaAccessControl
1、作用:
用于局域网内标识一个帧从哪一个接口发出,到达那个物理相连的其他接口
2、使用最多的:
48位MAC地址,固化在网卡的ROM中,有时可以软件设置
3、Eg:
4、局域网中的每一快网卡都有一个唯一的MAC地址
5、MAC地址由IEEE统一管理金和分配
6、具体管理:
网卡生产商从IEEE购买MAC地址空间(前24比特)
7、类比IP地址:
1MAC地址:
身份证号ID
2IP地址:
邮政地址
8、MAC地址是“平面”地址:
-----可携带
1可以从一个LAN移动到另一个LAN
9、IP地址是层次的地址-----不可携带
1IP地址依赖于结点连接到哪个子网
10、ARP:
地址解析协议
1问题:
在同一个LAN中如何在已知目的接口的IP地址前提下确定其MAC地址?
2ARP表:
LAN中的每个IP结点(主机或路由器)维护一个表
1)存储某些LAN结点的IP/MAC地址映射关系:
a.
b.TTL(timetolive):
经过这个时间以后该映射被遗弃(典型值为20min)
11、A想要给同一局域网内的B发送数据报
1)B的MAC地址不在A的ARP表
A广播ARP查询分组,其中包含B的IP地址
1)目的MAC地址:
FF-FF-FF-FF-FF-FF
2)LAN中所有结点都会接收ARP查询
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
A在其ARP表中,缓存B的IP-MAC地址对,直到超时
超时后,再次刷新
ARP是即插即用协议
结点自主创建ARP表,无需干预
二、ARP协议
(2)------不在同一个LAN中
1、寻址-----从一个LAN路由至另一个LAN
1关注寻址:
IP地址(数据报中)和MAC地址(帧中)
2假设A知道B的IP地址(怎么知道?
)
3假设A知道第一跳路由器R(左)接口IP地址()
4假设A知道第一跳路由器R(左)接口MAC地址
5
6
7过程
1)A构造IP数据报,其中源IP地址是A的IP地址,目的IP地址是B的IP地址
2)A构造链路层帧,其中源MAC地址是A的MAC地址,目的MAC地址是R(左)接口的MAC地址,封装A到B的IP数据报
3)
4)帧从A发送到R
5)R接收帧,提取IP数据报,传递给上层IP协议
6)R转发IP数据报(源和目的IP不变)
7)R创建链路层帧,其中源MAC地址是R(右)接口MAC地址,目的的MAC地址是B的MAC地址,封装A到B的数据报
三、以太网-----LAN中统治地址的技术
1、特点
1、造价低廉
2、运用最广泛的LAN技术
3、比令牌局域网和ATM等,简单便宜
4、满足网络速率需求:
10Mbps--10Gbps
5、
、
2、物理拓扑
1总线:
上世纪90年代
1)所有结点在同一冲突域(collisiondomain)(可能彼此冲突)
2)
2星型:
目前流行
1)中心交换机
2)每个结点一个单独冲突域(结点彼此不冲突)
3)
3、不可靠、无连接服务
1无连接:
发送帧的网卡与接收帧的网卡间没有“握手”过程
2不可靠:
接收网卡不向发送网卡进行确认
1)差错帧直接丢弃:
丢弃帧中的数据恢复依靠高层一些(egTCP),否则,发送数据丢失
3以太网的MAC协议:
采用二进制指数退避算法的CSMA/CD
4、以太网CSMA/CD算法
1NIC从网络层接收数据报,创建数据帧
2监听信道
1)信道闲:
发数据帧
2)信道忙:
一直等到闲
3)没有检测到其他数据发送,则NIC确认发送成功
4)检测到其他数据发送,中止发送,并发送堵塞信号
5)中止发送后,NIC进入二进制指数退避
a.第m次连续冲突后:
a)取n=MAX(m,10)
b)NIC从{0,1,2,......2的n次方-1}中随机选择一个数K
c)NIC等待K*512比特的传输延迟时间,在放回第2步
6)连续冲突次数越多,平均等待时间越长
5、以太网帧结构
1发送端网卡将IP数据报(或者其他网络层协议的分组)封装到以太网帧中
2
1)1前导码(preamble)
a.7个字节的10101010第八个字节为10101011
b.用于发送端与接收端的时钟同步
c.考虑数据帧结构/长度一般不算前导码的长度
2)目的MAC地址、源MAC地址(各6B)
a.如果网卡的MAC地址与收到的帧的目的的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
b.否则,网卡丢弃(不接收)该帧
3)类型(type)(2B):
指示帧中封装的是哪种高层协议的分组(如:
IP数据报、NovelIPX数据报AppleTalk数据报等)
4)数据(Data)(46-1500B):
指上层协议载荷
a.R=10Mbps,RTTmax=512psLmin/R=RTTmax
b.Lmin=512bits=64B,Datamin=Lmin-18=46B
5)CRC(4B):
循环冗余校验码
a.丢弃差错帧
3802.3以太网标准:
链路与物理层
1)许多不同的以太网标准
a.相同的MAC协议和帧格式
b.不同速率:
2Mbps10Mbps100Mbps1Gbps10Gbps
2)不同物理介质:
光纤、线缆
3)
四、以太网交换机(switch)
1、链路层设备
1存储---转发以太网帧
2检验到达帧的目的MAC地址,选择性向一个或多个传输链路发帧
3利用CMSA/CD访问链路,发送帧
2、透明(transparent)
1主机感觉不到交换机的存在
3、即插即用
4、自学习(self-learning)
1交换机无需配置
5、交换机:
多端口间同时传输
1主机利用独享链路直接交换机
2交换机缓存帧
3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
1)每段链路一个独立的冲突域
2)在以太网中,如果某个CSMA/CD网络上的两台计算机在同时通信时会发生冲突,那么这个CSMA/CD网络就是一个冲突域(collisiondomain)。
如果以太网中的各个网段以集线器连接,因为不能避免冲突,所以它们仍然是一个冲突域。
4交换(switching):
A-A’与B-B’的传输可以同时进行,没有冲突
5
6、交换机:
交换表
1Q:
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
2A:
每个交换机右一个交换表,每个入口:
1)(主机的MAC地址,到达主机的接口,时间戳)
2)看起来像路由表
3Q:
交换表入口信息如何创建和维护的
1)类似于路由协议?
7、交换机:
自学习
1交换机通过自学习,获知到达主机的接口信息
1)当到达帧时,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
2)将发送主机MAC地址/接口信息记录到交换表中
3)
8、交换机:
帧过滤/转发
1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)If在交换表中检索到与目的MAC地址匹配的入口(entry)
then{
If目的主机位于收到帧的网段
then丢弃帧
else将帧转发到该入口指向的接口
}
else泛洪(flood)/*向除收到该帧的接口之外的所有接口转发*/
9、自学习与转发过程举例
1目的MAC地址A’,位置未知:
泛洪
2目的MAC地址A,位置已知:
选择性转发
10、交换机互联
1交换机可以互联
1)
2)Q:
当A向G发送帧,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!
(工作工程与单一交换机情形相同)
11、组织机构(institutional)网络
1
12、交换机VS'路由器
1两者都是存储转发
2路由器:
网络层设备(检测网络层分组首部)
3交换层:
链路层设备(检测链路层帧的首部)
4都是用转发表
1)路由器:
利用路由算法(路由协议)计算(设置),依据IP地址
2)交换机:
自学习、泛洪构建转发表,依据MAC地址
13、
1直通传输:
作为交换机
2交换机与网桥:
工作原理无差异
五、虚拟局域网(VLANs)
1、动机------广播域的隔离
1
2CS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
1)所有第二层广播流量(ARP,DHCP,未知的MAC地址位置)必须穿越整个LAN
2)安全/隐私、效率问题
2、VLANs
1虚拟局域网(VirtualLocalAreaNetWork)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
2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
3
3、基于端口的VLAN:
1流量隔离(trafficisolation)
1)去往/来自端口1-8的帧只到达端口1-8
a.也可能基于MAC地址定义VLAN,而不是交换端口
2动态成员:
端口可以动态分配给不同VLAN
3在VLAN间转发:
通过路由(就像在独立的交换机之间)
1)实践中,厂家会将交换机与路由器集成在一起
4、跨越多交换机的VLAN
(1)跨个多个交换机VLAN连接
1多条线缆连接
1)每个线缆连接一个VLAN
2中继端口(trunkport):
在跨越多个物理交换机定义的VLAN承载帧
1)为多个VLAN转发802.1帧容易产生歧义(必须携带VLANID信息)
2)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
5、802.1QVLAN协议
六、PPP协议
1、点对点数据链路控制
1一个发送端、一个接收端,一条链路:
比广播链路容易
1)无需介质访存控制(MedaaccessControl)
2)无需明确的MAC寻址
3)Eg拨号链路,ISDN链路
2常见的点对点数据链路控制协议
1)HDLC:
higlevelDatalinkcontrol
2)PPP:
point-to-point协议
2、PPP协议设计需求
1组帧:
将网络层数据报进行封装构造数据帧
1)可以同时承载任何网络层协议分组
2)可以向上层实现分用(多路分解)
2比特透明传输:
不管封装哪一种网络协议,数据域必须支持承载任何比特模式
3差错检测(无纠正)
4连接活性检测:
通过对物理层、链路层的检测、并向网络层通知链路是失效
5网络层地址协商:
端接点可以学习/配置彼此网络地址
3、Ppp不支持功能
1差错纠正
2流量控制
3乱序交付
4多点链路
4、PPP数据帧
1Flag:
01111110----帧定界符()
2地址:
无效(仅仅是一个选项)
3控制:
无效(未来的多种控制域)
4协议:
上层协议(egPPP-LCP,IP,IPCP)
5信息:
上层协议分组数据
6校验:
CRC校验,用于差错检测
7
5、字节填充(ByteStuffing)
1“数据透明传输”需求:
数据帧必须允许包含标志模式<01111110>
1)Q:
如何判断该作为数据接收,还是作为标志处理
2发送端:
在数据中的<01111110>和<01111101>字节前添加额外的字节<01111101>(“填充(stuffs)”)
3接收端:
1)单个字节<01111101>表示一个填充字节:
2)连续两个字节<01111101>:
丢弃第一个,第二个作为数据接收
3)单个字节<01111110>:
标志字节
4Eg
6、PPP数据控制协议
1在交换网络层数据之前,PPP数据链路两端必须
1)配置PPP链路
a.需要协商:
a)最大帧
b)身份认证
c)Etc.
b.学习/配置网络层信息
a)对于IP协议:
通过交换IPCP协议(IPcontrolprotocol)报文(IP分组首部的“上层协议”字段取值:
8021),完成IP地址等相关信息配置
b)
七、802.11无线局域网
1、IEEE802.11无线局域网
1版本
1)802.11b
a.2.4G-2.5Ghz免费频段
b.最高速率:
11Mbps
c.物理层采用直接序列扩频(DSSS)技术
2)802.11a
a.5-6GHz
b.最高速率:
54Mbps
3)802.11g:
a.2.4-2.5GHz频段
b.最高速率:
54Mbps
4)802.11n:
多天线
a.2.4-2.5GHz频段
b.600Mbps
2均使用CSMA/CA多路访问协议
3在组网过程中均有基础设备(基站)网络模式和特定网(自组网)网络模式
2、IEEE802.11体系结构
1无线主机与基站通信
1)基站(basestation)==访问点(accesspointap)
2基本服务集合(basicserviceset)也称单元(cell)
1)基础设施网络模式
a.无线主机
b.AP:
基站
2)自组网模式
a.只有主机
3、802.11:
信道与AP关联
(1)、802.11b:
2.4GHz--2.485GHz频谱划分为11个不同的频率
1每一个AP选择一个频道9)
2在实际中存在干扰:
相邻的AP肯选择相同的信道
(2)主机:
必须与某个AP关联
1扫描信道,信道包含AP名称(服务集标识符--SSID)和MAC地址的信标(beacon)
2选择一个AP进行关联
3可能需要进行身份认证
4典型:
运行DHCP获取IP地址信息
(2)过程:
被动扫描与主动扫描
1被动扫描
1)各个AP发送信标帧
2)主机(H1)向选择的AP发送关联请求帧
3)AP向主机(H1)发送关联响应帧
4)
2主动扫描
1)主机(H1)主动广播探测请求帧
2)AP发送探测响应帧
3)主机向选择的AP发送关联请求帧
4)AP向主机发送关联响应帧
5)
3、多路访问控制---MAC
1避免冲突:
2(或多个)结点同时传输
2802.11:
CSMA---发送数据前监听信道
1)避免
3802.11:
不能向CSMA/CD那样,边法送、便检测
1)无线信道难以实现
2)无法侦听到所有可能的冲突:
隐藏站、信号衰落
3)目标:
尽可能避免冲突:
CSMA/C(ollision)A(voidance)
4IEEE802.11MAC协议:
CSMA/CA工作过程
1)802.11sender
a.if监听信道空闲了DIFS时间then
发送整个帧(无同时检测冲突,即CD)
b.if监听到信道忙then
开始随机退避计时
当信道空闲时,计时器倒计时
当计时器超时时,发送帧
If没有收到ACKthen
增加随机退避间隔时间
重复时间
2)802.11receiver
If正确接收帧
延迟SIFS时间后,向发送端发送ACK(由于存在隐藏站的问题)
CS
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----;利用很小的预约真避免了发送数据时的冲突
发送端首先利用CSMA向BS发送一个很短的RTS(requesttosend)帧
RTS帧仍然可能彼此冲突(但RTS很短)
BS广播一个CTS(cleartosend)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
其他节点推迟发送
举例:
5IEEE802.11MAC帧格式
1)
6802.11数据帧地址
1)01代表从AP发出
2)10代表发出去经由AP送到另一个地址
3)这里的所有地址都是MAC地址
4)
5)
6)
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