计算机网络（七）：局域网

ARP协议

MAC地址用于局域网内标识一个帧从哪个接口发出，到达哪个物理相连的其他接口。MAC地址为48bit，用于大部分LANs（局域网，Local area network），固化在网卡的ROM中，有时也可以软件设置。

局域网中的每块网卡都有唯一一个MAC地址，MAC地址有IEEE统一管理和分配，网卡生产商购买MAC地址空间（前24bit）。类比一下，MAC地址像身份证号，IP地址像邮政地址。

问题：在局域网内如何在已知目的接口的IP地址下确定其MAC地址？

采用ARP表，LAN中的每个IP节点（主机，路由器）维护的一张表，存储某些LAN节点的IP/MAC地址映射关系<IP地址;MAC地址;TTL>,TTL（time to live）是经过这个时间后该映射关系会被遗弃，典型值为20min。

ARP协议具体实现：

1. B的MAC地址不在A的ARP表中，A想给同一局域网内的B发送数据报。
2. A广播ARP查询分组，其中包含B的IP地址，目的MAC地址=FF-FF-FF-FF-FF-FF，LAN中所有节点都会收到ARP查询
3. B接收到ARP查询分组，并且IP地址匹配成功，利用单播帧向A应答B的MAC地址。
4. A在其ARP表中，缓存B的IP-MAC地址对，直到超时。

前面学习的是在同一局域网中的ARP协议，那么在不同局域网中如何运行呢？主机A通过路由器R传输数据到主机B的过程。

1. 主机A构造IP数据报，源IP地址是A的IP地址，目标IP地址是B的IP地址；构造链路层帧时，其中源MAC地址是A的MAC地址，目的MAC地址是R和A在同一局域网的接口的MAC地址（这里就是通过局域网内部ARP即可获得MAC地址）。
2. R转发IP数据报，源MAC地址就是R另一个接口的MAC地址，目的MAC地址是B的MAC地址
3. B即可收到A传来的数据报

以太网

以太网是具有统治地位的有线LAN技术，造价低廉，应用广泛，满足网络速率需求（10Mbps-10Gbps）。

以太网的物理拓扑在上世纪90年代中期采用总线形式，此方式所有节点在同一冲突域。目前主流网络拓扑是星型，中心是交换机

以太网提供的是不可靠，无连接的服务，MAC协议采用的是二进制指数退避算法的CSMA/CD

二进制指数退避算法的CSMA/CD

1. NIC（Network Interface Card）从网络层接收到数据报，创建数据帧。
2. 监听信道，若NIC监听到信道空闲，则开始发送帧。若监听到信道繁忙，则一直等到信道空闲发送帧。
3. NIC发送完整个帧，而没检测到其他节点的数据发送，则NIC确认帧发送成功！
4. 若NIC检测到其他节点传输数据，则终止发送，并发送堵塞信号。
5. 终止发送后，NIC进入二进制指数退避：第m次连续冲突后，取n=Min（m，10），NIC从{0,1,2,3,4…2^n-1}中随机选择一个数K，NIC等待K*512比特传输延迟时间，再返回第二步。连续冲突次数越多，平均等待时间越长。

数据帧

前导码（Preamble 8B）：7个字节的10101010，第8个字节为10101011，用于发送端与接收端的时钟同步。

目的MAC地址，源MAC地址（各6B）

类型：指示帧中封装的是哪种高层协议的分组（IP数据报，Novell IPX数据报）

数据（46-1500B）

CRC：循环冗余校验码

有许多不同的以太网标准，但是MAC协议和帧格式是相同的，只是根据速率（2Mbps，10Mbps，1Gbps，10Gbps）以及不同物理介质（光纤，线缆）有不同的区别，例如：100BASE-TX，100BASE-SX，100BASE-BX等。

以太网交换机

链路层设备，存储-转发以太网帧，检验到达帧的目的MAC地址，选择向一个或多个输出链路转发帧。利用CSMA/CD访问链路，发送帧。其通过自学习方式进行转发，不需要进行配置。

每个交换机有一个交换表，保存主机的MAC地址，到达主机的接口，时间戳。看下交换机是如何通过自学习方式创建和维护入口信息。

1. 当交换机收到帧时，即可学习到发送帧的主机（有MAC地址），位于收到该帧的接口所连接的LAN网段，即将发送主机的MAC地址和接口信息记录到交换表中。
2. 利用目的MAC地址检索交换表，若检索到匹配的入口，若目的主机位于收到帧的网段，则丢弃帧；否则将帧转发到该入口指向的接口
3. 若未找到匹配的入口，则泛洪，向除收到该帧的接口之外所有接口转发。
4. 若在一个局域网中有多个交换机，也可以通过同样的方式进行自学习，维护交换表。

交换机与路由器的区别
路由器是网络层设备，交换机是链路层设备

路由器利用路由算法确定转发表，交换机通过自学习，泛洪构建转发表

VLAN（虚拟局域网）

支持VLAN划分的交换机，可以在一个屋里LAN架构上配置，定义多个VLAN。

优点

流量隔离：来自某一VLAN端口的帧，只能到达该VLAN内的端口

动态成员：端口可以动态分配给不同的VLAN

在VLAN间转发需要通过路由，实践中厂家会把交换机和路由器集成在一起。

跨越多交换机的VLAN，采用中继端口。中继端口为VLAN转发802.1帧，需要携带VLAN ID信息，802.1q协议为经过中继端口转发的帧增加和去除额外的首部域。

在type字段前面加了4个字节。前两个字节标记协议ID，后两个字节中的前12bit标记VLAN ID，后3bit是优先级字段。

PPP协议

PPP协议用于点对点数据链路控制，一个发送端，一个接收端，一条链路。无需介质访问控制（MAC），无需MAC寻址。常见的有拨号链路，ISDN链路。另外HDLC（High Level Data Link Control）也用于点对点数据链路控制，不做学习。

需求

组帧：将网络层数据报封装到数据链层帧中

比特透明传输：数据域必须支持承载任何比特模式

差错检测：无纠正

连接活性检测：检测，并向网络层通知链路失效

网络层地址协商：端节点可以学习/配置彼此网络地址

无需差错纠正和回复，无需流量控制，不存在乱序交付，无需支持多点链路。

数据帧

flag：标志，定界符

address，control：无效

protocol：上层协议（PPP-LCP,IP,IPCP等）

info：上层协议分组数据

check：CRC校验

若数据中出现了flag定界符，则在前面添加额外字节填充，可以理解为转义符：01111101，若数据中出现01111101，也在此数据前加上填充01111101

在交往网络层数据之前，PPP数据链路两端必须配置PPP链路，例如最大帧长，身份认证等；学习和配置网络层信息，通过交换IPCP（IP control protocol）协议报文完成IP地址等相关信息配置

802.11无线局域网

802.11有802.11b,802.11a,802.11g(目前流行，使用2.4-2.5GHz频段，最高速率54Mbps),802.11n（未来），均使用CSMA/CA多路访问控制协议，均有基础设施网络模式和特定网网络模式。

access-point：基站

basic service set：基本服务集。

主机必须与某个AP关联

1. 扫描信道，监听包含AP名称和MAC地址的信标帧
2. 选择一个AP进行关联，可能需要进行身份认证。

扫描分为被动扫描和主动扫描，被动扫描是各AP发送信标帧，主机向选择的AP发送关联请求帧，AP向主机发送关联响应帧。

主动扫描是主机主动广播探测请求帧，AP发送探测响应帧，主机想选择的AP发送关联请求帧，AP向主机发送关联响应帧。

多路访问控制

由于隐藏站，信号衰落的原因，无线信道无法监听到所有可能的冲突，因此无法使用CSMA/CD的方式，采用CSMA/CA(collision avoidance)

发送方：

监听信道空闲了DIFS时间，发送整个帧。监听到信道忙，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。如果没有收到ACK，增加随机退避间隔时间。

接收方：

若正确接收帧，延迟SIFS时间后，向发送端发送ACK。

冲突避免的基本思想是通过发送端预约信道，而不是随机发送数据帧，从而避免长数据帧的冲突。

1. 发送端首先利用CSMA向BS发送一个很短的RTS（request-to-send）
2. BS广播一个CTS（clear-to-send）帧作为对RTS的响应。
3. CTS帧可以被所有节点接收，就可以消除隐藏站的影响，发送端可以发送数据帧，其他结点推迟发送