帮企业建设网站销售,阜阳网页,做美工需要知道的设计网站,在线设计闪字图片计算机网络第3章#xff08;数据链路层#xff09; 3.1 数据链路层概述3.1.1 概述3.1.2 数据链路层使用的信道3.1.3 三个重要问题 3.2 封装成帧3.2.1 介绍3.2.2 透明传输3.2.3 总结 3.3 差错检测3.3.1 介绍3.3.2 奇偶校验3.3.3 循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)3.3.… 计算机网络第3章数据链路层 3.1 数据链路层概述3.1.1 概述3.1.2 数据链路层使用的信道3.1.3 三个重要问题 3.2 封装成帧3.2.1 介绍3.2.2 透明传输3.2.3 总结 3.3 差错检测3.3.1 介绍3.3.2 奇偶校验3.3.3 循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)3.3.4 总结 3.4 可靠传输3.4.1 基本概念3.4.2 三种可靠协议3.4.3 停止-等待协议3.4.4 回退N帧协议GBN3.4.5 选择重传协议SR3.4.6 总结 3.5 点对点协议PPP3.5.1 帧格式3.5.2 透明传输3.5.3 差错检测3.5.4 工作状态 3.6 媒体接入控制介质访问控制——广播信道3.6.1 基本概念3.6.2 静态划分信道3.6.3 动态接入控制3.6.4 随机接入CSMA/CD协议3.6.5 随机接入CSMA/CA协议 3.7 MAC地址、IP地址以及ARP协议3.7.1 MAC地址3.7.2 IP地址3.7.3 ARP协议3.7.4 总结 3.8 集线器与交换机的区别3.8.1 集线器-在物理层扩展以太网3.8.2 集线器HUB在物理层扩展以太网3.8.3 以太网交换机-在数据链路层扩展以太网3.8.4 总结 3.9 以太网交换机自学习和转发帧的流程3.9.1 概念3.9.2 自学习和转发帧的例子3.9.3 总结 3.10 以太网交换机的生成树协议STP3.11 虚拟局域网VLAN3.11.1 虚拟局域网VLAN概述3.11.2 概念3.11.3 虚拟局域网VLAN的实现机制3.11.4 总结 3.1 数据链路层概述
3.1.1 概述
链路是从一个结点到相邻结点的一段物理线路数据链路则是在链路的基础上增加了一些必要的硬件如网络适配器和软件如协议的实现 网络中的主机、路由器等都必须实现数据链路层 局域网中的主机、交换机等都必须实现数据链路层 从层次上来看数据的流动 仅从数据链路层观察帧的流动
链路(Link)就是从一个结点到相邻结点的一段物理线路而中间没有任何其他的交换结点。数据链路(Data Link)是指把实现通信协议的硬件和软件加到链路上就构成了数据链路。数据链路层以帧为单位传输和处理数据。
主机H1 到主机H2 所经过的网络可以是多种不同类型的 注意不同的链路层可能采用不同的数据链路层协议
3.1.2 数据链路层使用的信道
数据链路层属于计算机网路的低层。数据链路层使用的信道主要有以下两种类型
点对点信道 —— 一对一广播信道 —— 一对多 局域网属于数据链路层局域网虽然是个网络。但我们并不把局域网放在网络层中讨论。这是因为在网络层要讨论的是多个网络互连的问题是讨论分组怎么从一个网络通过路由器转发到另一个网络。而在同一个局域网中分组怎么从一台主机传送到另一台主机但并不经过路由器转发。从整个互联网来看局域网仍属于数据链路层的范围
3.1.3 三个重要问题
数据链路层传送的协议数据单元是帧 1封装成帧
封装成帧 (framing) 就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部然后就构成了一个帧。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。
2差错控制 在传输过程中可能会产生比特差错1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。 3可靠传输
接收方主机收到有误码的帧后是不会接受该帧的会将它丢弃如果数据链路层向其上层提供的是不可靠服务那么丢弃就丢弃了不会再有更多措施
如果数据链路层向其**上层提供的是可靠服务**那就还需要其他措施来确保接收方主机还可以重新收到被丢弃的这个帧的正确副本. 以上三个问题都是使用点对点信道的数据链路层来举例的: 如果使用广播信道的数据链路层除了包含上面三个问题外还有一些问题要解决 如图所示主机ABCDE通过一根总线进行互连主机A要给主机C发送数据代表帧的信号会通 过总线传输到总线上的其他各主机那么主机BDE如何知道所收到的帧不是发送给她们的主机C如 何知道发送的帧是发送给自己的 解决方法
将帧的目的地址添加在帧中一起传输可以用编址地址的来解决 还有数据碰撞问题
3.2 封装成帧
3.2.1 介绍
封装成帧是指数据链路层给上层交付的协议数据单元添加帧头和帧尾使之成为帧。 帧头和帧尾中包含有重要的控制信息 发送方的数据链路层将上层交付下来的协议数据单元封装成帧后还要通过物理层将构成帧的各比 特转换成电信号交给传输媒体那么接收方的数据链路层如何从物理层交付的比特流中提取出一个个 的帧 答需要帧头和帧尾来做帧定界 但并不是每一种数据链路层协议的帧都包含有帧定界标志例如下面例子 前导码
前同步码作用是使接收方的时钟同步帧开始定界符表明其后面紧跟着的就是MAC帧
另外以太网还规定了帧间间隔为96比特时间因此MAC帧不需要帧结束定界符
3.2.2 透明传输
透明指某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。 透明传输是指数据链路层对上层交付的传输数据没有任何限制好像数据链路层不存在一样
帧界定标志也就是个特定数据值如果在上层交付的协议数据单元中恰好也包含这个特定数值接收 方就不能正确接收 所以数据链路层应该对上层交付的数据有限制其内容不能包含帧定界符的值
解决方法面向字节的物理链路使用字节填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character stuffing)面向 比特的物理链路使用比特填充的方法实现透明传输。发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六 进制编码是1B)。接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。如果转义字符也出现在数据当中那么应在转义字符前面插入一个转义字符 ESC。当接收端收到连 续的两个转义字符时就删除其中前面的一个。
帧的数据部分长度
3.2.3 总结 3.3 差错检测
3.3.1 介绍
实际的通信链路都不是理想的比特在传输过程中可能会产生差错:1可能会变成0而0也可能变成1。这称为比特差错。在一段时间内传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率BER(Bit Error Rate)。使用差错检测码来检测数据在传输过程中是否产生了比特差错是数据链路层所要解决的重要问题之一。
3.3.2 奇偶校验
在待发送的数据后面添加1位奇偶校验位使整个数据包括所添加的校验位在内中“1”的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。如果有奇数个位发生误码则奇偶性发生变化可以检查出误码;如果有偶数个位发生误码则奇偶性不发生变化不能检查出误码漏检);
3.3.3 循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)
循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)
收发双方约定好一个生成多项式G(x);发送方基于待发送的数据和生成多项式计算出差错检测码冗余码)将其添加到待传输数据的后面一起传输接收方通过生成多项式来计算收到的数据是否产生了误码; 例题: 3.3.4 总结
检错码只能检测出帧在传输过程中出现了差错但并不能定位错误因此无法纠正错误要想纠正传输中的差错可以使用冗余信息更多的纠错码进行前向纠错。但纠错码的开销比较大在计算机网络中较少使用。循环冗余校验CRC有很好的检错能力漏检率非常低)虽然计算比较复杂但非常易于用硬件实现因此被广泛应用于数据链路层。在计算机网络中通常采用我们后续课程中将要讨论的检错重传方式来纠正传输中的差错或者仅仅是丢弃检测到差错的帧这取决于数据链路层向其上层提供的是可靠传输服务还是不可靠传输服务。
循环冗余校验 CRC 是一种检错方法而帧校验序列 FCS 是添加在数据后面的冗余码
3.4 可靠传输
3.4.1 基本概念
发送端发送什么接收端就收到什么 1. 下面是比特差错
使用差错检测技术例如循环冗余校验CRC)接收方的数据链路层就可检测出帧在传输过程中是否产生了误码比特错误)。数据链路层向上层提供的服务类型 1不可靠传输服务:仅仅丢弃有误码的帧其他什么也不做; 2可靠传输服务:想办法实现发送端发送什么接收端就收到什么。一般情况下有线链路的误码率比较低为了减小开销并不要求数据链路层向上提供可靠传输服务。即使出现了误码可靠传输的问题由其上层处理。无线链路易受干扰误码率比较高因此要求数据链路层必须向上层提供可靠传输服务。 2. 其他传输差错
比特差错只是传输差错中的一种。从整个计算机网络体系结构来看传输差错还包括分组丢失、分组失序以及分组重复。
1分组丢失 路由器输入队列快满了主动丢弃收到的分组
2分组失序 数据并未按照发送顺序依次到达接收端
3分组重复 由于某些原因有些分组在网络中滞留了没有及时到达接收端这可能会造成发送端对该分组的重 发重发的分组到达接收端但一段时间后滞留在网络的分组也到达了接收端这就造成分组重复的 传输差错
3.4.2 三种可靠协议
停止-等待协议SW回退N帧协议GBN选择重传协议SR
这三种可靠传输实现机制的基本原理并不仅限于数据链路层可以应用到计算机网络体系结构的各 层协议中
3.4.3 停止-等待协议
(1) 停止-等待协议可能遇到的四个问题 1. 确认与否认
2. 超时重传
3. 确认丢失 既然数据分组需要编号确认分组是否需要编号 要。如下图所示
4. 确认迟到 注意图中最下面那个数据分组与之前序号为0的那个数据分组不是同一个数据分组 注意事项
(2) 停止-等待协议的信道利用率
3.4.4 回退N帧协议GBN
(1) 为什么用回退N帧协议 在相同的时间内使用停止-等待协议的发送方只能发送一个数据分组而采用流水线传输的发送方可 以发送多个数据分组 回退N帧协议在流水线传输的基础上利用发送窗口来限制发送方可连续发送数据分组的个数
2无差错情况流程 发送方将序号落在发送窗口内的0~4号数据分组依次连续发送出去 他们经过互联网传输正确到达接收方就是没有乱序和误码接收方按序接收它们每接收一个接收 窗口就向前滑动一个位置并给发送方发送针对所接收分组的确认分组在通过互联网的传输正确到达 了发送方 发送方每接收一个、发送窗口就向前滑动一个位置这样就有新的序号落入发送窗口发送方可以将收 到确认的数据分组从缓存中删除了而接收方可以择机将已接收的数据分组交付上层处理
3累计确认 累计确认 优点:
即使确认分组丢失发送方也可能不必重传减小接收方的开销减小对网络资源的占用
缺点
不能向发送方及时反映出接收方已经正确接收的数据分组信息
4有差错情况 例如 在传输数据分组时5号数据分组出现误码接收方通过数据分组中的检错码发现了错误 于是丢弃该分组而后续到达的这剩下四个分组与接收窗口的序号不匹配 接收同样也不能接收它们讲它们丢弃并对之前按序接收的最后一个数据分组进行确认发送ACK4 每丢弃一个数据分组就发送一个ACK4 当收到重复的ACK4时就知道之前所发送的数据分组出现了差错于是可以不等超时计时器超时就立刻 开始重传具体收到几个重复确认就立刻重传根据具体实现决定 如果收到这4个重复的确认并不会触发发送立刻重传一段时间后。超时计时器超时也会将发送窗口 内以发送过的这些数据分组全部重传 若WT超过取值范围例如WT8会出现什么情况 习题 总结
3.4.5 选择重传协议SR 3.4.6 总结 3.5 点对点协议PPP
点对点协议PPPPoint-to-Point Protocol是目前使用最广泛的点对点数据链路层协议PPP协议是因特网工程任务组IEIF在1992年制定的。经过1993年和1994年的修订现在的PPP协议已 成为因特网的正式标准[RFC1661RFC1662]数据链路层使用的一种协议它的特点是简单只检测差错而不是纠正差错不使用序号也 不进行流量控制可同时支持多种网络层协议 PPPoE 是为宽带上网的主机使用的链路层协议
3.5.1 帧格式
必须规定特殊的字符作为帧定界符
3.5.2 透明传输
必须保证数据传输的透明性 实现透明传输的方法
面向字节的异步链路字节填充法插入“转义字符” 面向比特的同步链路比特填充法插入“比特0”
3.5.3 差错检测
能够对接收端收到的帧进行检测并立即丢弃有差错的帧。
3.5.4 工作状态
当用户拨号接入 ISP 时路由器的调制解调器对拨号做出确认并建立一条物理连接。PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组封装成多个 PPP 帧。这些分组及其响应选择一些 PPP 参数并进行网络层配置NCP 给新接入的 PC 机分配一个临时的 IP 地址使 PC 机成为因特网上的一个主机。通信完毕时NCP 释放网络层连接收回原来分配出去的 IP 地址。接着LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接 可见PPP 协议已不是纯粹的数据链路层的协议它还包含了物理层和网络层的内容。
3.6 媒体接入控制介质访问控制——广播信道
媒体接入控制介质访问控制使用一对多的广播通信方式 Medium Access Control翻译成媒体接入控制有些翻译成介质访问控制 局域网的数据链路层
局域网最主要的特点是 1网络为一个单位所拥有 2地理范围和站点数目均有限。局域网具有如下主要优点 1具有广播功能从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。 2便于系统的扩展和逐渐地演变各设备的位置可灵活调整和改变。 3提高了系统的可靠性、可用性和残存性。 数据链路层的两个子层 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准IEEE 802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层而 LLC 子层则与传输媒体无关。 不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的。
3.6.1 基本概念
为什么要媒体接入控制介质访问控制 共享信道带来的问题 若多个设备在共享信道上同时发送数据则会造成彼此干扰导致发送失败。 随着技术的发展交换技术的成熟和成本的降低具有更高性能的使用点对点链路和链路层交换机 的交换式局域网在有线领域已完全取代了共享式局域网但由于无线信道的广播天性无线局域网 仍然使用的是共享媒体技术。
3.6.2 静态划分信道
1信道复用
复用(Multiplexing是通信技术中的一个重要概念。复用就是通过一条物理线路同时传输多路用户的信号。当网络中传输媒体的传输容量大于多条单一信道传输的总通信量时可利用复用技术在一条物理线路上建立多条通信信道来充分利用传输媒体的带宽。
2频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing)
将整个带宽分为多份用户在分配到一定的频带后在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源请注意这里的“带宽”是频率带宽而不是 数据的发送速率。
3时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧TDM帧。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现其周期就是TDM帧的长度的。TDM 信号也称为等时 (isochronous) 信号。时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
4波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 波分复用就是光的频分复用使用一根光纤来同时传输多个光载波信号 光信号传输一段距离后悔衰减所以要用 掺铒光纤放大器 放大光信号
5码分复用 CDM (Code Division Multiplexing) 3.6.3 动态接入控制
受控接入 受控接入在局域网中使用得较少本书不再讨论 随机接入 重点
3.6.4 随机接入CSMA/CD协议
总线局域网使用协议CSMA/CD
1基本概念 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。易于实现广播通信。当初认为这样的连接方法既简 单又可靠因为总线上没有有源器件。
以太网Ethernet是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网 Ethernet的技术标准以太网采用无连接的工作方式对发送的数据帧不进行编号也不要求对方发回确认。目的站收到 有差错帧就把它丢弃其他什么也不做
2多址接入MA 表示许多主机以多点接入的方式连接在一根总线上。
3载波监听CS 是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据如果有则暂时不要 发送数据以免发生碰撞。 总线上并没有什么“载波”。因此 “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据 信号。
4碰撞检测CD
“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时总线上的信号电压摆动值将会增大互相叠加。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时就认为总线上至少有两个站同时在发送数据表明产生了碰撞。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。在发生碰撞时总线上传输的信号产生了严重的失真无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的站一旦发现总线上出现了碰撞就要立即停止发送免得继续浪费网络资源然后等待一段随机时间后再次发送。 为什么要进行碰撞检测 因为信号传播时延对载波监听产生了影响 A 需要单程传播时延的 2 倍的时间才能检测到与 B 的发送产生了冲突
5CSMA/CD 协议工作流程
6CSMA/CD 协议工作——争用期碰撞窗口
7CSMA/CD 协议工作——最小帧长
8CSMA/CD 协议工作——最大帧长
9CSMA/CD 协议工作——截断二进制指数退避算法
10CSMA/CD 协议工作——信道利用率
11CSMA/CD 协议工作——帧接收流程
12CSMA/CD 协议的重要特性
使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信半双工通信。每个站在发送数据之后的一小段时间内存在着遭遇碰撞的可能性。这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。
CSMA/CD协议曾经用于各种总线结构以太网和双绞线以太网的早起版本中。 现在的以太网基于交换机和全双工连接不会有碰撞因此没有必要使用CSMA/CS协议
3.6.5 随机接入CSMA/CA协议
无线局域网使用的协议CSMA/CA
1为什么无线局域网要使用CSMA/CA协议
2帧间间隔IFSInterFrame Space
3CSMA/CA协议的工作原理 源站为什么在检测到信道空闲后还要再等待一段时间DIFS
考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。若有就要让高优先级帧先发送
目的站为什么正确接收数据帧后还要等待一段时间SIFS才能发送ACK帧
SIFS是最短的帧间间隔用来分隔开属于一次对话的各帧在这段时间内一个站点应当能够从发送方式切换到接收方式 信道由忙转为空闲且经过DIFS时间后还要退避一段随机时间才能使用信道 防止多个站点同时发送数据而产生碰撞
4使用退避算法的时机
当站点检测到信道是空闲的并且所发送的数据帧不是成功发送完上一个数据帧之后立即连续发送的数据帧,则不使用退避算法。以下情况必须使用退避算法: 1在发送数据帧之前检测到信道处于忙状态时; 2在每一次重传一个数据帧时; 3在每一次成功发送后要连续发送下一个帧时(这是为了避免一个站点长时间占用信道)。
5CSMA/CA协议的退避算法
在执行退避算法时站点为退避计时器设置一个随机的退避时间: 1当退避计时器的时间减小到零时就开始发送数据; 2当退避计时器的时间还未减小到零时而信道又转变为忙状态这时就冻结退避计时器的数值重新等待信道变为空闲再经过时间DIFS后继续启动退避计时器。在进行第i次退避时退避时间在时隙编号{01…2*1}中随机选择一个然后乘以基本退避时间也就是一个时隙的长度就可以得到随机的退避时间。这样做是为了使不同站点选择相同退避时间的概率减少。当时隙编号达到255时(对应于第6次退避就不再增加了。
退避算法的示例
6CSMA/CA协议的信道预约和虚拟载波监听 虚拟载波监听机制能减少隐蔽站带来的碰撞问题的示例
3.7 MAC地址、IP地址以及ARP协议 3.7.1 MAC地址
使用点对点信道的数据链路层不需要使用地址使用广播信道的数据链路层必须使用地址来区分各主机
1广播信道的数据链路层必须使用地址MAC MAC地址又称为硬件地址或物理地址。请注意不要被 “物理” 二字误导认为物理地址属于物理层 范畴物理地址属于数据链路层范畴。
2IEEE 802局域网的MAC地址格式 组织唯一标识符OUI
生产网络设备的厂商需要向IEEE的注册管理机构申请一个或多个OUI 网络接口标识符由获得OUI的厂商自行随意分配 EUI-4848是这个MAC地址的位数 对于使用EUI-48空间的应用程序IEEE的目标寿命为100年直到2080年但是鼓励采用EUI-64作 为替代。
关于无效的 MAC 帧
数据字段的长度与长度字段的值不一致帧的长度不是整数个字节用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。
3IEEE 802局域网的MAC地址发送顺序
4单播MAC地址举例 主机B给主机C发送单播帧主机B首先要构建该单播帧在帧首部中的目的地址字段填入主机C的 MAC地址源地址字段填入自己的MAC地址再加上帧首部的其他字段、数据载荷以及帧尾部就 构成了该单播帧。
主机B将该单播帧发送出去主机A和C都会收到该单播帧主机A的网卡发现该单播帧的目的MAC地址与自己的MAC地址不匹配丢弃该帧主机C的网卡发现该单播帧的目的MAC地址与自己的MAC地址匹配接受该帧并将该帧交给其上层处理
5广播MAC地址举例 假设主机B要发送一个广播帧主机B首先要构建该广播帧在帧首部中的目的地址字段填入广播 地址也就是十六进制的全F源地址字段填入自己的MAC地址再加上帧首部中的其他字段、数 据载荷以及帧尾部就构成了该广播帧. 主机B讲该广播帧发送出去主机A和C都会收到该广播帧发现该帧首部中的目的地址字段的内 容是广播地址就知道该帧是广播帧主机A和主机C都接受该帧并将该帧交给上层处理.
6多播MAC地址举例
假设主机A要发送多播帧给该多播地址。将该多播地址的左起第一个字节写成8个比特第一个字节的最低比特位是1这就表明该地址是多播地址。快速判断地址是不是多播地址就是上图所示箭头所指的第十六进制数不能整除21,3,5,7,9,B,D,F则该地址是多播地址假设主机BC和D支持多播各用户给自己的主机配置多播组列表如下所示 主机B属于两个多播组主机C也属于两个多播组而主机D不属于任何多播组 主机A首先要构建该多播帧在帧首部中的目的地址字段填入该多播地址源地址点填入自己的 MAC地址再加上帧首部中的其他字段、数据载荷以及帧尾部就构成了该多播帧 主机A将该多播帧发送出去主机B、C、D都会收到该多播帧主机B和C发现该多播帧的目的MAC地址在自己的多播组列表中主机B和C都会接受该帧主机D发现该多播帧的目的MAC地址不在自己得多播组列表中则丢弃该多播帧给主机配置多播组列表进行私有应用时不得使用公有的标准多播地址
3.7.2 IP地址
IP地址属于网络层的范畴不属于数据链路层的范畴 下面内容讲的是IP地址的使用详细的IP地址内容在网络层中介绍
1基本概念
2从网络体系结构看IP地址与MAC地址
3数据包转发过程中IP地址与MAC地址的变化情况 如何从IP地址找出其对应的MAC地址 ARP协议
3.7.3 ARP协议
如何从IP地址找出其对应的MAC地址 ARP地址解析协议 流程
1ARP高速缓存表 当主机B要给主机C发送数据包时会首先在自己的ARP高速缓存表中查找主机C的IP地址所对应的MAC地址但未找到因此主机B需要发送ARP请求报文来获取主机C的MAC地址
ARP请求报文有具体的格式上图的只是简单描述ARP请求报文被封装在MAC帧中发送目的地址为广播地址主机B发送封装有ARP请求报文的广播帧总线上的其他主机都能收到该广播帧 收到ARP请求报文的主机A和主机C会把ARP请求报文交给上层的ARP进程主机A发现所询问的IP地址不是自己的IP地址因此不用理会主机C的发现所询问的IP地址是自己的IP地址需要进行相应 2动态与静态的区别 ARP协议只能在一段链路或一个网络上使用而不能跨网络使用 ARP协议的使用是逐段链路进行的
3.7.4 总结 ARP表中的IP地址与MAC地址的对应关系记录是会定期自动删除的因为IP地址与MAC地址的对 应关系不是永久性的
3.8 集线器与交换机的区别
3.8.1 集线器-在物理层扩展以太网
概念
传统以太网最初是使用粗同轴电缆后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。采用双绞线的以太网采用星形拓扑在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备叫做集线器 (hub)。集线器是也可以看做多口中继器每个端口都可以成为一个中继器中继器是对减弱的信号进行放大和发送的设备集线器的以太网在逻辑上仍是个总线网需要使用CSMA/CD协议来协调各主机争用总线只能工作在半双工模式收发帧不能同时进行
3.8.2 集线器HUB在物理层扩展以太网
使用集线器扩展将多个以太网段连成更大的、多级星形结构的以太网 优点
使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。扩大了以太网覆盖的地理范围。
缺点
碰撞域增大了但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的数据率那么就不能用集线器将它们互连起来。
碰撞域
碰撞域collision domain又称为冲突域是指网络中一个站点发出的帧会与其他站点发出的帧产生碰撞或冲突的那部分网络。碰撞域越大发生碰撞的概率越高。
3.8.3 以太网交换机-在数据链路层扩展以太网
1概念
扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行。早期使用网桥现在使用以太网交换机。 网桥网桥工作在数据链路层。它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时并不是向所有的接口转发此帧而是先检查此帧的目的MAC 地址然后再确定将该帧转发到哪一个接口或把它丢弃。 交换机1990 年问世的交换式集线器 (switching hub) 可明显地提高以太网的性能。交换式集线器常称为以太网交换机 (switch) 或第二层交换机 (L2 switch)强调这种交换机工作在数据链路层。以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥
2集线器HUB与交换机SWITCH区别
使用集线器互连而成的共享总线式以太网上的某个主机要给另一个主机发送单播帧该单播帧 会通过共享总线传输到总线上的其他各个主机使用交换机互连而成的交换式以太网上的某个主机要给另一个主机发送单播帧该单播帧进入交 换机后交换机会将该单播帧转发给目的主机而不是网络中的其他各个主机这个例子的前提条件是忽略ARP过程并假设交换机的帧交换表已经学习或配置好了 以太网交换机的交换方式存储转发方式 把整个数据帧先缓存后再进行处理。直通 (cut-through) 方式 1接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的 MAC 地址决定该帧的转发接口因而提高了帧的转发速度。 2缺点是它不检查差错就直接将帧转发出去因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站。
这个例子的前提条件是忽略ARP过程并假设交换机的帧交换表已经学习或配置好了
3对比集线器和交换机
多台主机同时给另一台主机发送单播帧集线器以太网会产生碰撞遭遇碰撞的帧会传播到总线上的各主机交换机以太网会将它们缓存起来然后逐个转发给目的主机不会产生碰撞这个例子的前提条件是忽略ARP过程并假设交换机的帧交换表已经学习或配置好了
4集线器扩展以太网和交换机扩展以太网区别 单播 广播 多个单播 广播域broadcast domain指这样一部分网络其中任何一台设备发出的广播通信都能被该部分网络中的所有其他设备所接收。
3.8.4 总结 工作在数据链路层的以太网交换机其性能远远超过工作在物理层的集线器而且价格并不贵这就使得集线器逐渐被市场淘汰
3.9 以太网交换机自学习和转发帧的流程
3.9.1 概念
以太网交换机工作在数据链路层也包括物理层)以太网交换机收到帧后在帧交换表中查找帧的目的MAC地址所对应的接口号然后通过该接口转发帧。以太网交换机是一种即插即用设备刚上电启动时其内部的帧交换表是空的。随着网络中各主机间的通信,以太网交换机通过自学习算法自动逐渐建立起帧交换表。
3.9.2 自学习和转发帧的例子
以下例子假设各主机知道网络中其他各主机的MAC地址无需进行ARP A - B
A 先向 B 发送一帧。该帧从接口 1 进入到交换机交换机收到帧后先查找图中左边交换表。没有查到应从哪个接口转发这个帧给 B交换机把这个帧的源地址 A 和接口 1 写入图中左边交换表中交换机向除接口 1 以外的所有的接口广播这个帧接口 4到接口 2先查找图中右边交换表。没有查到应从哪个接口转发这个帧给 B交换机把这个帧的源地址 A 和接口 1 写入图中右边交换表中除B主机之外与该帧的目的地址不相符将丢弃该帧主机B发现是给自己的帧接受该帧
B - A
B 向 A 发送一帧。该帧从接口 3 进入到交换机交换机收到帧后先查找图中左边交换表。发现图中左边交换表中的 MAC 地址有A表明要发送给A的帧应从接口1转发出去。于是就把这个帧传送到接口 1 转发给 A。主机 A 发现目的地址是它就接受该帧交换机把这个帧的源地址 B 和接口 3 写入图中左边交换表中
E - A
E 向 A发送一帧交换机收到帧后先查找图中右边交换表。发现图中右边交换表中的 MAC 地址有A表明要发送给A的帧应从接口2转发出去。于是就把这个帧传送到接口 2 转发给 接口 4。交换机把这个帧的源地址 E 和接口 3 写入图中右边交换表中接口 4 到 左边的交换机先查找图中左边交换表。发现图中左边交换表中的 MAC地址有 A表明要发送给A的帧应从接口1转发出去。于是就把这个帧传送到接口 1 转发给A。交换机把这个帧的源地址 E 和接口 4 写入图中左边交换表中主机 A 发现目的地址是它就接受该帧
G - A 主机 A、主机 G、交换机 1的接口 1就共享同一条总线相当于总线式网络可以想象成用集线器连接了
主机 G 发送给 主机 A 一个帧主机 A 和 交换机接口 1都能接收到主机 A 的网卡收到后根据帧的目的MAC地址A就知道是发送给自己的帧就接受该帧交换机 1收到该帧后首先进行登记工作然后交换机 1对该帧进行转发该帧的MAC地址是A在图中左边交换表查找MAC 地址有AMAC 地址为 A的接口号是1但是该帧正是从接口 1 进入交换机的交换机不会再从该接口 1将帧转发出去因为这是没有必要于是丢弃该帧
随着网络中各主机都发送了帧后网络中的各交换机就可以学习到各主机的MAC地址以及它们与自己 各接口的对应关系
考虑到可能有时要在交换机的接口更换主机或者主机要更换其网络适配器这就需要更改交换表 中的项目。为此在交换表中每个项目都设有一定的有效时间。过期的项目就自动被删除。
以太网交换机的这种自学习方法使得以太网交换机能够即插即用不必人工进行配置因此非常 方便。
3.9.3 总结
交换机自学习和转发帧的步骤归纳
3.10 以太网交换机的生成树协议STP
1如何提高以太网的可靠性
2生成树协议STP
IEEE 802.1D 标准制定了一个生成树协议 STP (Spanning Tree Protocol)。其要点是不改变网络的实际拓扑但在逻辑上则切断某些链路使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构从而消除了兜圈子现象。
3.11 虚拟局域网VLAN
3.11.1 虚拟局域网VLAN概述
广播风暴 分割广播域的方法 为了分割广播域所以虚拟局域网VLAN技术应运而生
3.11.2 概念 利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)。IEEE 802.1Q 对虚拟局域网 VLAN 的定义 虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组而这些网段具有某 些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符指明发送这个帧的计算机是属于哪 一个 VLAN。同一个VLAN内部可以广播通信不同VLAN不可以广播通信虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务而并不是一种新型局域网。由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合因此可按照需要将有关设备和资源非常方便 地重新组合使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。
3.11.3 虚拟局域网VLAN的实现机制
虚拟局域网VLAN技术是在交换机上实现的需要交换机能够实现以下功能
能够处理带有VLAN标记的帧——IEEE 802.1 Q帧交换机的各端口可以支持不同的端口类型不同端口类型的端口对帧的处理方式有所不同
1Access端口 交换机与用户计算机之间的互连 同一个VLAN内部可以广播通信不同VLAN不可以广播通信
2Truck端口 交换机之间或交换机与路由器之间的互连
3小例题
4华为交换机私有的Hybrid端口类型
3.11.4 总结 虚拟局域网优点 虚拟局域网VLAN技术具有以下主要优点
改善了性能简化了管理降低了成本改善了安全性
