【计算机网络】第五章 数据链路层（3）
四．ARP协议
1. MAC地址（LAN地址、物理地址、以太网地址）
（1）作用：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
（2）固化在网卡的ROM中（唯一的），有时可以软件设置
（3）表示：十六进制、六个字节，如1A-2F-BB-76-09-AD
（4）管理：IEEE统一管理与分配前24个比特给网卡生产商，生产商分配后24个比特
（5）MAC地址 vs IP地址
·MAC地址：平面地址，可携带，可从一个LAN移到另一个LAN，相当于身份证号
·IP地址：层次地址，不可携带，依赖于结点连接到哪个子网，相当于邮政地址
2. ARP：地址解析协议
（1）问题：在同一个LAN内，如何在一直目的接口的IP地址的前提下确定其MAC地址
（2）ARP表：即插即用
·LAN中的每个IP结点维护一个表，储存<IP地址; MAC地址; TTL>
·TTL通常为20min，经过这个时间后，映射关系会被遗弃
（3）过程
·A想发送数据报给B，B的MAC地址不在A的ARP表中
·A广播ARP查询分组，其中包含B的IP地址，目的MAC地址为全1，LAN中所有结点都接收查询
·B接收ARP查询分组，IP地址匹配成功，向A应答B的MAC地址（单播）
·A在其ARP 表中缓存B的IP-MAC地址对，直至超时
3. 寻址：从一个LAN路由到另一个LAN
（1）A构造IP数据报，其中源IP地址是A的，目的地址是B的
（2）A构造链路层帧，其中源MAC地址是A的，目的MAC地址是R左端的，封装A到B的IP数据报
（3）帧从A发送至R，R接收帧，提取IP数据报，传递给上层IP协议
（4）R转发IP数据报（源和目的IP地址不变）
（5）R创建链路层帧，其中源MAC地址是R右端的，目的MAC地址是B的，封装A到B的IP数据报
五．以太网
1. 优势：造价低廉、应用广泛、简单偏移、满足网络速率需求
2. 物理拓扑
（1）总线（同轴电缆）：所有节结点在同一冲突域
（2）星形（中心交换机）：目前主流网络拓扑，每个结点一个单独冲突域
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：接收王可不向发送网卡确认，差错帧直接丢弃，数据恢复依靠高层协议
（3）以太网的MAC协议：采用二进制指数退避算法的CSMD/CD
4. 以太网CSMD/CD算法
（1）NIC从网络层接收数据报，创建数据帧
（2）监听信道，若空闲则开始发送帧，否则一直监听直到信道空闲
（3）NIC发送完整个帧，而没有检测到其他结点的数据发送，NIC确认帧发送成功
（4）若NIC检测到其他结点的数据发送，中止发送，发送堵塞信号
（5）中止发送后，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, ..., 2^n - 1}中随机选择一个数K
- NIC等待512K比特的传输延迟时间，返回第二步
·连续冲突次数越多，平均等待时间越长
5. 以太网帧结构
（1）前导码：8B，7个字节的10101010，第8个字节为10101011
（2）目的/源MAC地址：6B，全1表示广播地址
（3）类型：2B，指示帧中封装的是哪种高层协议的分组
（4）数据：46-1500B，上层协议载荷
（5）CRC：4B，循环冗余校验码，丢弃差错帧
6. 不同以太网标准：相同的MAC协议和帧格式，不同的速率和物理介质
7. 交换机
（1）链路层设备
·存储-转发以太网帧
·检验到达帧的目的MAC地址，选择性地向一个或多个输出链路转发帧
·利用CSMA/CD访问链路，发送帧
·透明：主机无法感知交换机的存在
·即插即用
（2）多端口间同时传输
·主机利用独享链路直接连接交换机
·交换机缓存帧
·全双工发送帧，每段链路一个独立的冲突域，即AA’和BB’可同时传输
（3）交换机转发表：交换表
·交换表项：主机MAC地址，到达主机的接口，时间戳
·自学习：收到帧时，学习源MAC地址，将信息记录到交换表中
·帧过滤/转发
（4）组织机构网络：IP子网 = 广播域
（5）交换机 vs 路由器
·均为存储-转发设备：路由器是网络层设备，交换机是链路层设备
·均使用转发表：路由器利用路由算法和IP地址，交换机利用自学习和MAC地址
8. 虚拟局域网（VLAN）
（1）动机：不使用路由器即可划分广播域
（2）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VLAN
（3）基于端口的VLAN
·通过划分端口将单一的物理交换机视为两个独立虚拟交换机，进行流量隔离
·端口可以动态地分配给不同VLAN
·两个VLAN间通过路由进行转发
（4）跨越多交换机地VLAN
·多线缆连接：每个线缆连接一个VLAN
·中继端口：在跨域多个物理交换机定义地VLAN承载帧，为避免歧义，必须携带VLAN ID信息，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
·802.1Q VLAN帧格式
