计算机网络——34LANs

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LANs

MAC地址和ARP

• 32bit IP地址
  • 网络层地址
  • 用于使数据到达目标IP子网：前n – 1跳
  • 从而到达子网中的目标节点：最后一跳
• LAN（MAC/物理/以太网）地址：
  • 用于使帧从一个网卡传递到与其物理连接的另一个网卡（在同一个物理网络中）
  • 48bit MAC地址固化在适配器的ROM，有时也可以通过软件设定
  • 理论上全球任何2个网卡的MAC地址都不相同
  • e.g：1A-2F-BB-76-09-AD

网络地址和mac地址分离

IP地址和MAC地址的作用不同

1. IP地址是分层的
   1. 一个子网所有站点网络号一致，路由聚集，减少路由表
      1. 需要一个网络中的站点网络号一致，如果捆绑需要定制网卡非常麻烦
   2. 希望网络层地址是配置的：IP地址完成网络到网络的交付
2. mac地址是一个平面的
   1. 网卡在生产时不知道被用于哪个网络，因此给网卡一个唯一的标示，用于区分一个网络内部不同的网卡即可
   2. 可以完成一个物理网络内部的节点到节点的数据交付

分离好处

• 网卡坏了，ip不变，可以捆绑到另外一个网卡的mac上
• 物理网络还可以除IP之外支持其他网络层协议，链路协议为上层网络协议，如IPX等

捆绑的问题

• 如果仅仅使用IP地址，不是mac地址，那么它仅支持IP协议
• 每次上电都要重新写入网卡IP地址
• 另外一个选择就是不使用任何地址：不用MAC地址，则每到来一个帧都要上传到IP层次，由它判断是不是需要接受，干扰一次

LAN地址和ARP

• 局域网上每个适配器都有一个唯一的LAN地址
  
• MAC地址由IEEE管理和分配
• 制造商购入MAC地址空间（保证唯一性）
• 类比：
  • MAC地址：社会安全号
  • IP地址：通讯地址
• MAC平面地址 -> 支持移动
  • 可以将网卡接到其他网络
• IP地址有层次 – 不能移动
  • 依赖于节点连接的IP子网，与子网的网络号相同（有与其相连的子网相同的网络前缀）

ARP

问题：已知B的IP地址，如何确定B的MAC地址

• 在LAN上的每个IP节点都有一个ARP表
• ARP表：包括一些LAN节点IP/MAC地址的映射
  <TP address MAC address TTL>
  • TTL时间是指地址映射失效的时间
  • 典型是20min

路由到其他LAN

Walkthrough：发送数据报：由A通过R到B，假设A知道B的IP地址

• 在R上有两个ARP表，分别对应两个LAN
• 在源主机的路由表中，发现到目标主机的下一跳时111.111.111.110
• 在源主机的ARP表中，发现其MAC地址是E6-E9-00-17-BB-4B,etc

编址：路由到其他LAN

以太网

• 目前最流行的LAN技术：98%占有率
• 廉价：30元RMB 100Mbps
• 最早广泛应用的LAN技术
• 比令牌网和ATM网络简单、廉价
• 带宽不断提升：10M、100M、1G、10G

以太网：物理拓扑

• 总线：在上个世纪90年代中期很流行
  • 所有节点在一个碰撞域内，依次只允许一个节点发送
  • 可靠性差，如果介质破损，截面形成信号的反射，发送节点认为是冲突，总是冲突

• • 星型：目前最主流
    • 连接选择：hub或者switch
    • 现在一般是交换机在中心
    • 每个节点以及相连的交换机端口使用（独立的）以太网协议（不会和其他节点的发送产生碰撞）

以太帧结构

发送方适配器在以太网帧中封装IP数据报，或其他网络层协议数据单元

前导码

• 7B + 1B
• 用来同步接收方和发送方的时钟速率
  • 使得接收方将自己的时钟调到发送端的时钟
  • 从而可以按照发送端的时钟来接收所发送的帧

地址：6字节源MAC地址，目标MAC地址

• 如：帧目标地址 = 本站MAC地址，或是广播地址，接收，递交帧中的数据到网络层
• 否则，适配器忽略该帧

类型：指出高层协议（大多情况下是IP，但也支持其他网络层协议Novell IPX和Apple Talk）

CRC：在接收方校检

• 如果没有通过校检，丢弃错误帧

以太网：无连接、不可靠的服务

• 无连接：帧传输前，发送方和接收方之间没有握手
• 不可靠：接收方适配器不发送ACKs或NAKs给发送方
  • 递交给网络层的数据报流可能有gap
  • 如上层使用像传输层TCP协议这样的rdt，gap会被补上（源主机，TCP实体）
  • 否则，应用层会看到gap
• 以太网的MAC协议：采用二进制退避的CSMA/CD介质访问控制形式

以太网标准：链路层和物理层

• 很多不同的以太网标准
  • 相同的MAC协议（介质访问控制）和帧结构
  • 不同的速率：2 Mbps、10 Mbps、100 Mbps、1Gbps、10Gbps
  • 不同的物理层标准
  • 不同的物理层媒介：光纤，同轴电缆和双绞线

以太网使用CSMA/CD

• 没有时隙
• NIC如果侦听到其他NIC在发送就不发送：载波侦听(carrier sence)
• 发送时，适配器当侦听到其他适配器在发送就放弃对当前帧的发送：冲突检测(collision detection)
• 冲突后尝试重传，重传前适配器等待一个随机时间：随机访问(random access)

10BaseT and 100BaseT

• 100Mbps速率也被称之为”fast ethernet”
• T代表双绞线
• 节点连接到HUB上：”star topology”物理上是星型
  • 逻辑上总线型，盒中总线
• 节点和HUB间的最大距离是100m

Hubs

Hubs本质上是物理层的中继器

• 从一个端口收，转发到所有其他端口
• 速率一致
• 没有帧的缓存
• 在hub接口端没有CSMA/CD机制：适配器检测冲突
• 提供网络管理服务

Manchester编码

• 在10BaseT中使用
• 每一个bit的位时中间有一个信号跳变
• 允许在接收方和发送方节点之间进行时钟同步
  • 节点间不需要集中的和全局的时钟
• 10Mbps，使用20M带宽，效率50%

千兆以太网

• 采用标准的以太帧格式
• 允许点对点链路和共享广播信道
• 物理编码：8b10b编码
• 在共享模式，继续使用CSMA/CA MAC技术，节点间需要较短距离以提高利用率
• 交换模式：全双工千兆可用与点对点链路
  • 站点使用专用信道，基本不会冲突，效率高
  • 除非发往同一个目标点

Hub：集线器

• 网段(LAN segments)：可以允许一个站点发送的网络范围
  • 在一个碰撞域，同时只允许一个站点在发送
  • 如果有2个节点同时发送，则会碰撞
  • 通常有相同的词缀，比IP子网更详细的前缀
• 所有以hub连到一起的站点处在一个网段，处在一个碰撞域
  • 骨干hub将所有网段连接到了一起
• 通过hub可拓展节点之间的最大距离
• 通过HUB，不能将10BaseT和100BaseT的网络连接到一起

交换机

• 链路层设备：扮演主动角色（端口执行以太网协议）
  • 对帧进行存储和转发
  • 对于到来的帧，检查帧头，根据目标MAC地址进行选择性转发
  • 当帧需要向某个（些）网段进行转发，需要使用CSMA/CD进行接入控制
  • 通常一个交换机端口一个独立网段
• 透明：主机对交换机的存在可以不关心
  • 通过交换机相连的各节点好像这些站点是直接相连的一样
  • 有MAC地址：无IP地址
• 即插即用、自学习
  • 交换机无需配置

交换机：多路同时传输

• 主机有一个专用和直接到交换机的连接
• 交换机缓存到来的帧
• 对每个帧进入链路使用以太网协议，没有碰撞：全双工
  • 每条链路都是一个独立的碰撞域
  • MAC协议在其中的作用弱化了
• 交换：A – to – A’ 和 B – to – B’可以同时传输，没有碰撞

交换机转发表

Q：交换机如何知道通过接口1到达A，通过接口5到达B’？

A：每个交换机都有一个交换表(switch table)，每个表项：

• 主机的MAC地址，到达该MAC经过的接口、时戳）
• 比较像路由表

交换机：自学习

交换机通过学习得到哪些主机（mac地址）可以通过哪些端口到达

• 当接收到帧，交换机学习到发送站点所在的端口（网段）
• 记录发送方MAC地址/进入端口映射关系在交换表中

交换机：过滤/转发

当交换机接收到一个帧：

• 记录进入链路，发送主机的MAC地址
• 使用目标MAC地址对交换表进行索引

//如果在转发表中找到了目标项 if entry found for destination then{ //如果目标MAC就是对应着进来的端口 if dest on segment from which frame arrived //过滤 //抛弃掉该帧 then drop the frame //转发 else forward the frame on interface indicated } //泛洪 else found 

交换机 vs. 路由器

• 都是存储转发设备，但层次不同
  • 交换机：链路层设备（检查链路层头部）
  • 路由器：网络层设备（检查网络层的头部）
• 都有转发表
  • 交换机：维护交换表，按照MAC地址转发
    • 执行过滤、自学习和生成树算法
    • 即插即用：二层设备，速率高
    • 执行生成树算法，限制广播帧的转发
    • ARP表项随着站点数量增多而增多
  • 路由器：维护路由表，执行路由算法
    • 路由算法能够避免环路，无需执行生成树算法，可以以各种拓扑构建网络
    • 对广播分组做限制
    • 不是即插即用的，配置网络地址（子网前缀）
    • 三层设备，速率低