1、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）Media Access Control1、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ID2IP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LAN9、IP地址是
2、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（time to live）：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-FF2)LAN中所有结点都会接收ARP查询B接收ARP查询分组，IP地址
3、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LAN1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567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（
4、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R5)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-10Gbps5、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（collision domain）（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
5、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（eg TCP），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/CD4、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）
6、b)NIC从0，1，2，.2的n次方- 1中随机选择一个数Kc)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21)1前导码（preamble）a.7个字节的 10101010 第八个字节为 10101011b.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
7、，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、Novel IPX数据报 Apple Talk数据报等）4)数据（Data）（46-1500B）：指上层协议载荷a.R = 10 Mbps ，RTTmax = 512 ps Lmin / R = RTTmaxb.Lmin = 512 bits = 64B，Datamin = Lmin - 18 = 46 B5)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
8、式b.不同速率：2 Mbps 10Mbps 100Mbps 1Gbps 10Gbps2)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
9、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（collision domain)。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56、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
10、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）thenIf 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
11、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112、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12CS用户迁移到EE，但是希望连接至CS交
12、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LAN2)安全/隐私、效率问题2、VLANs 1虚拟局域网（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VLAN2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33、基于端口的VLAN：1流量隔离（traffic isolation）1)去往/来自端口 1 - 8的帧只到达端口 1 - 8a.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VLAN3在VL
13、AN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VLAN2中继端口（trunk port）：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VLAN ID 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（Meda access Control）2)无需明确的M
14、AC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：hig level Data link control2)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1F
15、lag：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（eg PPP-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75、字节填充（Byte Stuffing）1“数据透明传输”需求：数据帧必须允许包含标志模式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：在数据中的和字节前添加额外的字节（“填充（stuffs）”）3接收端：1)单个字节表示一个填充字节：2)连续两个字节：丢弃第一个，第二个作为数据接收3)单个字节：标志字节4Eg6、PPP数据控制协议1在交换网络层数据之前，PPP数据链路
16、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（IP control protocol）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、IEEE 802.11无线局域网1版本1)802.11ba.2.4G - 2.5Ghz免费频段b.最高速率：11 Mbpsc.物理层采用直接序列扩频(DSSS)技术2)802.11aa.5-6GHzb.最高速率：54Mbps3)802.11g：a.2.4-2.5GHz频段b.最高速率：54Mbps4)802
17、.11n:多天线a.2.4-2.5GHz频段b.600Mbps2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、IEEE 802.11体系结构1无线主机与基站通信1)基站（base station）=访问点（access point ap）2基本服务集合（basic service set）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：
18、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-MAC1避免冲突：2（或多个）结点同时传输2802.11：CSMA-发送数据前
19、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）4IEEE 802.11MAC协议：CSMA/CA 工作过程1)802.11 sendera.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ACK then增加随机退避间隔时间 重复时间2)802.11receiverIf 正确接
20、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（request to send）帧RTS帧仍然可能彼此冲突（但RTS很短）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节点推迟发送 举例：5IEEE 802.11 MAC帧格式1)6802.11数据帧地址1)0 1 代表从AP发出2)1 0 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)
