计算机网络期末复习——第5章：链路层 Part Two

5.4 交换局域网

5.4.1 链路层寻址和ARP

MAC地址
1. 每个主机发送的帧中必须携带表示发送主机 和接收主机的地址，又叫LAN地址或物理地址
2. MAC地址是对网络上各接口的唯一标识，而不是对网络上各设备的唯一标识
3. MAC地址长度为6字节时，就有2^48个可能的MAC地址（1字节=8bits）
  - 十六进制表示法，每个字节是一对十六进制数
4. MAC地址是永久的，适配器到哪用都不会变化但可用软件改变
  - MAC地址是扁平结构（地址不分层或分段）
  - IP地址是层次结构（网络部分+主机部分），主机移动IP地址需要改变（改变它所连接的网络）
5. MAC广播地址：地址全1(FF-FF-FF-FF-FF-FF)
  - 发送适配器要让局域网上所有其他适配器来接收并处理它发送的帧
地址解析协议(Address Resolution Protocol，ARP)
1. 用于**网络层地址(IP地址)和链路层地址(MAC地址)**之间的转换
2. 流程
  1. 源主机在自己ARP高速缓存表查找目的主机IP地址对应的MAC地址
    - 找到就封装成MAC帧发送
    - 找不到就封装在广播MAC发送ARP请求
  2. 目的主机收到ARP请求，将源主机的IP地址和MAC地址记录到自己的ARP高速缓存表，然后封装在单播MAC帧给源主机发送ARP响应
3. 特点
  - 广播请求，单播响应
  - 即插即用，ARP表自动维护，无需手动配置
  - 作用范围：同一子网（不能跨链路或跨网络）
4. 属于跨层协议，跨越链路层和网络层（有链路层地址 和网络层地址）
跨子网通信
1. 通过路由器中转，数据帧的MAC地址逐跳更新，IP地址保持不变
2. 流程
  1. 主机A->路由器接口1
    - 判断目标不在子网1：A通过子网掩码计算
    - ARP查询：A通过ARP获取默认网关（路由器接口1）的MAC地址
    - 封装帧：
      
      目标MAC：路由器接口1
      
      目标IP：主机B（帧的目标MAC是路由器，但最终目标是IP）
    - 发送：帧被子网1的交换机转发到路由器接口1
  2. 路由器处理
    - 解包：检查目标IP
    - 查询转发表：确定通过接口2转发到子网2
    - ARP查询：路由器通过ARP获取B的MAC地址
  3. 路由器接口2->主机B
    - 封装新帧：目标MAC：主机B 目标IP：主机B（保持不变）
    - 发送：帧被子网2的交换机转发到主机B
  4. 路由器的必要性
    - 修改帧的MAC地址，使其能在不同子网传递
    - IP地址始终指向最终目标，保证端到端通信

5.4.2 以太网

以太网的帧结构

前同步码+目的地址+源地址+类型+数据+CRC

前同步码(8字节)
- 前7个字节都是10101010：唤醒接受适配器，并将接收方适配器锁定发送方时钟
- 第8个个字节是10101011：标志帧开始
目的MAC地址(6字节)

目标设备的物理地址或广播地址
源MAC地址(6字节)

发送方设备物理地址
类型字段(2字节)

表示上层协议类型（IP或ARP等）
数据字段(46~1500字节)
- 承载网络层数据报
- 以太网最大传输单元MTU是1500字节，超出则将该数据报分片
- 最小46字节，不足则用IP数据包首部长度字段填充
CRC(4字节)

循环冗余检测
关键特性
- 无连接服务：无需提前握手
- 不可靠服务
  - 无确认机制：校验CRC失败直接丢弃，发送方不知是否成功到达
  - 可靠性依赖上层使用的协议
    - 若用TCP：TCP会通过重传机制填补数据间隙
    - 若用UDP：数据丢失会让接收方直接感知到间隙
- 多协议复用

5.4.3 链路层交换机

交换机的任务：接收入链路层帧并将它们转发到出链路
交换机缓存：防止帧到达交换机输出接口的速率暂时超过该接口的链路容量
特点：即插即用，不用配置，接口可以同时发送和接收
交换机的转发和过滤
1. 转发：决定帧应该被定向到哪些接口，然后将帧移动到这些接口
2. 过滤：决定一个帧是转发还是丢弃
3. 借助交换机表完成
  
  交换机表包括
  - 一个MAC地址（帧的源地址）
  - 通向该MAC地址的交换机接口
  - 表项放置在表中的时间
4. 工作过程
  
  目的地址为A的帧从交换机接口x到达。交换机用MAC地址A索引表，希望找到对应的输出接口。有3种情况
- 情况1：交换机表没有含地址A的表项
  
  向除接口x的所有接口广播该帧
- 情况2：有一个表项是地址A与接口x
  
  执行过滤，丢弃该帧（该帧来自x所在的局域网，又想发送到x的局域网）
- 情况3：有一个表项是地址A与接口y
  
  将该帧放到接口x前的输出缓存完成转发
自学习
1. 建立转发表
2. 流程
  1. 交换机表初始为空
  2. 对于每个接口收到的每个入帧，存储3个信息
    - 该帧源地址字段的MAC地址
    - 该帧到达的接口
    - 当前时间
3. 在一段时间（aging time）后，交换机没有收到该地址作为源地址的帧，就删除这个地址
性质
1. **消除了碰撞。**缓存帧且只同时只传输一个帧，没有因为碰撞浪费的带宽
2. **链路异质。**将链路彼此隔离，可以新旧设备混用
3. **管理。**可发现问题，易于进行网络管理
交换机VS路由器
1. 工作层级
  - 交换机：链路层和物理层
  - 路由器：网络层
2. 优缺点
  1. 交换机
    
    优点
    - 即插即用
    - 相对高的分组过滤和转发速率，交换机只需处理至第二层帧
    缺点
    - 拓扑限制为一棵生成树
    - 大型交换网络要求主机和路由器有庞大的ARP表，有大量的ARP流量和处理量，增加管理负担
    - 不对广播风暴提供任何保护措施，可能造成以太网崩溃
3. 路由器
  
  优点
  - 网络寻址分层，避免路由循环
  - 支持任意拓扑
  - 对广播风暴提供防火墙保护
  缺点
  - 不是即插即用，路由器和主机都要人为配置IP地址
  - 对分组处理时间更长，路由器需处理至第三层帧

5.5.4 虚拟局域网VLAN

传统等级结构局域网的缺点
- 缺乏流量隔离，降低局域网性能，且缺乏隐私和安全
- 交换机的无效使用
- 管理用户困难
解决方案
- 路由器：成本高
- 虚拟局域网：将局域网内的设备划分成与物理地址无关的逻辑组，这些逻辑组有共同需求
不同虚拟局域网之间的通信
- 将VLAN交换机的一个端口与外部一台路由器相连，并将端口配置为属于两个VLAN
- 数据发送：数据从主机1跨越VLAN1到达路由器，再由路由器转发跨越VLAN2到达主机2
两台混合交换机互联
1. 法1
  
  每台交换机定义一个属于VLAN1的端口和一个属于VLAN2的端口，然后把同属于VLAN1的端口连接，同属于VLAN2的端口连接
缺点：不具有扩展性（要是VLAN个数多了会占用交换机大量端口）
2. 法2：VLAN干线连接(trunking)
1. 每台交换机选定一个端口配置为干线端口，以互联这两台VLAN交换机。该干线端口属于所有VLAN，发送到任一VLAN的帧都要经过干线链路才能转发到其他交换机
2. IEEE 802.1Q
  
  扩展的以太网帧格式，用于确定到达干线端口的帧来自哪个VLAN
3. VLAN标签
  - 在标准以太网帧的源地址字段和类型字段之间加入4字节VLAN标签
    - 2字节标签协议标识符（TPID）字段
    - 2字节标签控制信息字段
  - 发送的交换机加进帧，解析后由接收的交换机删除
VLAN划分方式
- 基于端口的VLAN（本节）
- 基于MAC的VLAN
- 基于网络层协议（IPv4、IPv6）的VLAN
- VLAN跨IP路由器扩展是可能的

计算机网络期末复习——第5章：链路层 Part Two

目录

5.4 交换局域网

5.4.1 链路层寻址和ARP

5.4.2 以太网

5.4.3 链路层交换机

5.5.4 虚拟局域网VLAN