MAC 协议小结.ppt

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1、第6讲 数据链路层之二,6b-1,MAC 协议小结,对于共享介质可以做些什么? 信道分割, 按时间,频率或编码 时分、码分、频分 随机分割 (动态) ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD 载波检测: 有线“易行”、无线“困难” CSMA/CD 被用在以太网中 轮转分割 从主结点发出轮询, 令牌传递（token passing）,第6讲 数据链路层之二,6b-2,LAN 技术,已经提到的数据链路层的内容有: 服务, 错误检测/校正, 多点访问 下面: 讨论LAN 技术 编址 以太网（Ethernet） 集线器、网桥、交换机 802.11无线LAN协议 PPP（点对点协议）

2、ATM,第6讲 数据链路层之二,6b-3,LAN 地址和 ARP,32位的IP地址: 网络层 地址 用于从目的网络获取分组 (参见 IP 地址定义，p171) LAN (或MAC 或物理) 地址: 用来(在同一网络中)物理上互相连接的接口之间获取分组（或帧） 48 位MAC 地址 (绝大部分 LANs) 烧制在适配器的 ROM中,第6讲 数据链路层之二,6b-4,LAN 地址和 ARP,每个 LAN上的网卡都有具唯一性的LAN 地址,第6讲 数据链路层之二,6b-5,LAN 地址 (续),MAC 分配由 IEEE管理 制造商购买部分MAC地址空间 (以保证唯一性) 比方: (a) MAC地址:

3、 美国人的社会保险号 (b) IP地址: 类似邮政地址 MAC 平面地址 = 可以迁移 可以将 LAN卡从一个LAN换到另一个 IP 层次性地址不可迁移 取决于某个站点接入的网络,第6讲 数据链路层之二,6b-6,有关路由选择的讨论,A站点要给B站点发送IP分组： 查找 B站点的网络地址, 发现B站点与其在同一网络中 给B站点发送的分组是通过链路层的帧来传送的,Bs MAC addr,As MAC addr,As IP addr,Bs IP addr,IP payload,分组,帧,帧的源、宿地址,分组的源、宿地址,第6讲 数据链路层之二,6b-7,ARP: 地址解析协议（Address Re

4、solution Protocol）,每个LAN 上的IP 结点 (主机, 路由器) 都有 ARP 模块,和表 ARP 表: 是某些LAN 结点的IP/MAC 地址映射 TTL (Time To Live): 超过TTL的地址映射会被删除 (一般为 20 分钟),第6讲 数据链路层之二,6b-8,ARP 协议,A 知道 B的 IP 地址, 需要了解B的物理地址 A 广播 ARP 查询帧, 包含了 B的 IP地址 所有 LAN 的主机都收到 ARP 查询 B接收到 ARP帧, 将其物理地址返回给A A 对收到的IP/MAC地址对进行缓存直到信息过期 (超时) 软状态: 除非定期刷新，否则超时信息

5、将被删除,第6讲 数据链路层之二,6b-9,LAN之间的路由选择,穿越: 经由R将A的数据传输到B 在源主机的配置表中发现了路由器111.111.111.110 在源主机的ARP 表中, 发现 MAC 地址E6-E9-00-17-BB-4B, etc,A,R,B,第6讲 数据链路层之二,6b-10,A 创建了 IP分组，源地址为 A,宿地址为 B A 使用 ARP 来获取 R的与111.111.111.110对应的物理地址 A 创建了以R的物理地址为宿地址的以太网帧，该帧包含的A-to-B的 IP分组 A的数据链路层发送以太网的帧 R的数据链路层接收到以太网的帧 R 从以太网帧中取出 IP分组

6、,知道该分组的信宿为 B R使用ARP 来取得 B的物理层地址 R创建了包含了 A-to-B IP 分组的帧并发给 B,A,R,B,第6讲 数据链路层之二,6b-11,以太网（Ethernet）,“统治” LAN的技术: 便宜， ￥50 for 100Mbs! 最早被广泛应用的 LAN 技术 较为简单, 比 token LANs 和ATM便宜 赶上了速率竞赛的步伐: 10, 100, 1000 Mbps,Metcalfes Etheret sketch,第6讲 数据链路层之二,6b-12,以太网帧结构(p113),发送适配器将IP分组封装在以太网帧中(或其他网络层协议分组) Preamble（

7、前序）: 7 个 10101010 字节尾随一个 10101011字节 用来同步收发双方的时钟速率,第6讲 数据链路层之二,6b-13,以太网帧结构 (续),地址: 6 个字节, 帧为某个LAN上的所有适配器接收，但只要地址不匹配就被丢弃 类型: 说明其上层协议,大部分为 IP，但其他协议如Novell IPX和 AppleTalk也支持 CRC: 在接收端校验,如果出错，则将该帧丢弃,第6讲 数据链路层之二,6b-14,802.3/Ethernet v2帧格式,PA： 前同步码 - 10101010序列，用于使接收方与发送方同步 SFD： 帧首定界 - 10101011 DA： 目的MAC地

8、址； SA： 源MAC地址 LEN：数据长度（数据部分的字节数）（0-1500B） Type： 类型。高层协议标识 LLC PDU+pad - 最少46字节, 最多1500字节 Pad：填充字段，保证帧长不少于64字节(若Data域46字节，则无Pad) FCS： 帧校验序列（CRC-32）,8 6 6 2 46-1500 4字节,FCS,SA,Type,PA,DA,Data,Pad,Ethernet,IEEE 802.3,7 1 2/6 2/6 2 46-1500 4 字节,校验区间,64-1518 字节,第6讲 数据链路层之二,6b-15,以太网帧的最短长度问题,以太网帧的最短长度为64个

9、字节，或者帧中的数据不得少于46个字节 小于以上长度的帧或数据需要在帧中加入“填充数据(pad)” 按以太网的标准最大长度2.5km计算，802.3标准将长度达到最大值的以太网两倍往返时延取为51.2s 保证最短长度的帧在发送完毕之前，必须能够监测到可能最晚来到的冲突信号,第6讲 数据链路层之二,6b-16,以太网: 应用CSMA/CD,A: 检测信道, if 闲置 then 发送并检测信道; If 检测到了其他站点传输 then 中止传输并发送冲突信号; 更新冲突 #; 按指数退避算法延迟发送; goto A else 帧发送结束;将冲突次数置0 else 等待正在进行的传输结束并goto

10、A,第6讲 数据链路层之二,6b-17,以太网的 CSMA/CD (续),冲突信号（Jam Signal）: 保证所有其他的收发器能够意识到发生的冲突; 48 bits; 指数退避（Exponential Backoff）: Goal目的: 使得重发的企图能够与推测出的当前负载相适应 在重负荷下: 随机等待的时间将更长些 首次冲突: 从0,1中选择 K； 延迟的时长为 K x 512 bit 传输时间 第二次冲突后:从 0,1,2,3选择K 在10次或更多的冲突发生后：从 0,1,2,3,4,1023选择K,第6讲 数据链路层之二,6b-18,以太网技术规范举例: 10Base2,10: 10

11、Mb/s; Base: 基带传输 2: 最大电缆长度在 200米以下 在总线拓扑结构中使用细同轴电缆 中继器用来连接多个网段(4中继器，5个网段) 中继器为物理层设备：将其在一个接口上收到的位流复制到所有其他接口上发送!,第6讲 数据链路层之二,6b-19,以太网技术: 10Base5(p102),粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 收发器 : 发送/接收, 冲突检测, 电气隔离 AUI : 连接件单元接口 总线型拓扑 用于网络骨干连接,最大段长度 500米 每段最多站点数 100,两站点间最小距离 2.5米,粗缆,Vampire tap,BNC端子,收发器,AUI 电缆,NIC,网络最大跨度

12、 2.5公里,第6讲 数据链路层之二,6b-20,以太网技术: 10Base2,细同轴电缆，可靠性稍差 BNC T型接头连接 总线型拓扑 用于办公室LAN,细缆,BNC 接头,NIC,每段最大长度 185m 每段最多站点数 30,两站点间最短距离 0.5 m,网络最大跨度 925 m,网络最多5个段,第6讲 数据链路层之二,6b-21,以太网技术: 10BaseT,NIC,HUB,段最大长度 100m,双绞线介质（UTP） 以Hub （集线器）为中心节点。Hub多端口转发器。 拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形。 转发器/中继器的作用：将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减。 转发

13、器/中继器/HUB物理层设备(工作在物理层)。 用于小型LAN。,第6讲 数据链路层之二,6b-22,10BaseT/100BaseT自适应网络,10/100 Mb/s传输速率; 后者被称为 “快速以太网” T: 代表双绞线（ Twisted Pair） 所有结点通过双绞线连接到集线器（Hub）,物理上呈现出 “星型拓扑” CSMA/CD 算法在集线器（Hub）中实现 从结点到集线器的最长距离为 100米 集线器可以与发生故障的适配器断开而不影响其他 100BaseT保持以太网最短帧格式不变，但是一个网段的最大缆长减小到100米 需要注意：网卡、网线规格、集线器技术参数的匹配,第6讲 数据链路

14、层之二,6b-23,千兆以太网p123 （Gbit Ethernet）,使用标准以太网帧格式, 与10Mb/100Mb技术兼容 可以应用在点对点链路和广播式信道上 在共享模式下,使用 CSMA/CD ; 结点间的最长距离为100米(p124) 在最短帧的基础上增加了“载波延伸” 使用集线器,在这里称为 “缓冲式分配器（Buffered Distributors）” 在点对点链路中可采用1 Gb/s全双工通信方式,第6讲 数据链路层之二,6b-24,扩展的局域网：集线器（Hubs）,物理层设备: 本质上是工作在位流层面上的中继器: 将接收到的位流在所有其他接口上复制发送 集线器可以按照层次结构“

15、级联” ,把骨干 （backbone ）集线器置顶端(p115),第6讲 数据链路层之二,6b-25,集线器(续),每个被连接的 LAN称为 LAN网段（ segment） 集线器不隔离碰撞域: 任意LAN网段中的结点都可能与其他网段中的结点发生冲突 集线器的优点: 简单,廉价设备 多层结构提供了一个性能略微降低较大的互联LAN: 即使一个集线器故障，部分 LAN结点仍可以继续工作 扩展了结点间的距离 (每个Hub 100m),第6讲 数据链路层之二,6b-26,集线器的局限,单一的冲突域导致了最大吞吐量不可能增加 多层结构的吞吐量实际与单个网段相同 对单个 LAN中同样的冲突域的限制也强加到

16、了所有新近加入到这个互联LAN的结点上 不能连接不同类型的以太网 (e.g., 10BaseT 和 100baseT),第6讲 数据链路层之二,6b-27,扩展的局域网：网桥(Bridge) p116,链路层设备: 使用以太网帧工作, 检查帧的首部的信宿地址后，选择性的进行转发 由于网桥可以缓存帧，网桥可以隔离碰撞域 当在网段间转发帧时,网桥使用 CSMA/CD方式访问网段并进行传输,第6讲 数据链路层之二,6b-28,扩展的局域网：网桥(续),网桥优点: 隔离冲突域使得网络的最大总吞吐量提高, 对接入的结点数和地理覆盖的范围没有限制 由于是存储转发设备，所以可以连接不同的以太网 透明: 不需

17、要改变主机的LAN网络接口适配器,第6讲 数据链路层之二,6b-29,网桥: 帧的过滤,转发,网桥过滤帧 同LAN网段内传输的帧不转发到其他的LAN网段 转发: 如何知道那个LAN网段在哪，如何转发? 看起来好像是路由选择问题 (只不过距离短一点!),第6讲 数据链路层之二,6b-30,主干网桥（Backbone Bridge）,第6讲 数据链路层之二,6b-31,不使用主干方式的互联,不推荐的两个理由: - 在 Computer Science hub故障可能引出的问题 - 所有在EE 和 SE 之间传输的数据必须通过 CS 网段,第6讲 数据链路层之二,6b-32,网桥过滤(p116),网

18、桥可以通过 自学 了解某台主机可以从哪个接口到达: 维护过滤表 当帧到达时,网桥“得知”发送方的位置:信号进入的 LAN网段 在过滤表中记录发送方的位置 过滤表的条目: (结点的 LAN地址, 网桥的接口,时间戳-Time Stamp) 过滤表中过期的条目会被丢弃 (TTL 可以为 60 分钟),第6讲 数据链路层之二,6b-33,过滤,filtering procedure: If 信宿LAN地址与接收到的帧处于同一网段 then 丢弃该帧； else 查询过滤表 if 发现了信宿的条目 then 按条目所指的接口进行转发; else 泛洪（flood）; /* 在除了接收该帧的接口以外的所

19、有接口上进行转发*/ ,第6讲 数据链路层之二,6b-34,网桥自学过程: 举例,假设 C 给D发送帧， D再用帧对C进行应答,C 发送帧, 网桥没有D的资料,因此在两个LAN进行泛洪 网桥注意C是在1#端口 位处上部的LAN将该帧忽略 LAN D接收到了该帧,第6讲 数据链路层之二,6b-35,网桥的自学过程: 举例,D 产生了给 C的应答, 并发送 网桥注意到了D发出的帧 网桥查出D处在2#接口上 网桥已知 C 在1#接口上,所以有选择的 通过1#接口转发,第6讲 数据链路层之二,6b-36,忽略同网段通信的帧 自学源地址 转发异网段的帧 广播未知帧,网桥工作原理小结,第6讲 数据链路层之

20、二,6b-37,网桥支撑树(Spanning Tree)p118,为增强可靠性, 一般希望有一些冗余,比如在信源、信宿间设立具有可替换的路径 如果同时有了多条路经，就有可能产生循环 网桥会产生成倍的帧并永远转发下去 解决办法: 将网桥组织成为生成树，其具体做法是把将部分网桥的部分接口暂时加以封锁,第6讲 数据链路层之二,6b-38,多端口网桥：以太网交换机p119,使用LAN地址在链路层转发、过滤帧 (frame) 交换:可同时实现A-to-B 和A-to-B 的数据传输, 不会产生冲突 接口数量较多 一般情况: 各个主机,呈星状同交换机连接 是以太网（Ethernet）, 但不会冲突!,第6

21、讲 数据链路层之二,6b-39,以太网交换机,直通交换（cut-through switching）: 在帧头地址确认后，帧被从输入直接导向输出端口，而不必等到整个帧接收完毕后在转发 可以减少等待时间 可以将共享/专用的 10/100/1000 Mb/s接口集于一身,第6讲 数据链路层之二,6b-40,以太网交换机 (续),Dedicated,Shared,第6讲 数据链路层之二,6b-41,交换机的用法(以100/10Mbps网络交换机为例)： (1)端口下接站点：站点独占10Mb/s带宽 (2)端口下接网段：网段中所有站点共享10Mb/s带宽 (3) 上行端口：连接主要共享资源-服务器10

22、0Mb/s,共享10M,独享10M,共享10M,独享100M,网络交换机Switch,HUB,HUB,第6讲 数据链路层之二,6b-42,虚拟局域网VLAN(p120),什么是VLAN？ VLAN是一个广播域，是由一些局域网网段构成的 与物理位置无关的逻辑组 为什么要使用VLAN？ 便于进行网络的管理 增强了网络安全性 抑制广播数据的泛滥 减少了处理用户站点移动所带来的开销 一个VLAN就好像是一个孤立的网段，VLAN间不能 直接通信，实现VLAN间互联必须借助于路由器。 VLAN建立在网络交换机基础上,第6讲 数据链路层之二,6b-43,两个分离的广播域,HUB,HUB,HUB,HUB,Sw

23、itch,财务室,开发部,财务室,开发部,合并广播域既有好处，但也带来了问题。不必要的广播流量会泛滥到整个广播域，同时也带来了安全性问题。,开发部和财务室的计算机互相不能访问，流量完全隔离,开发部和财务室的计算机互相可以访问，降低了安全性，广播流量会泛滥到整个广播域,经交换机连接后变成一个广播域,第6讲 数据链路层之二,6b-44,HUB,HUB,Switch,划分VLAN后分割成两个广播域,财务室,开发部,划分VLAN,第6讲 数据链路层之二,6b-45,Switch,Switch,Switch,Switch,当一个部门位于多个地点时，分隔的广播域设计会给布线带来很大困难。但用VLAN可很方

24、便地解决这个问题。,1楼,3楼,6楼,VLAN 1,VLAN 2,VLAN 3,财务,办公,开发,第6讲 数据链路层之二,6b-46,VLAN操作 VLAN的标准在IEEE802.1Q中定义 VLAN帧中增加了一个VLAN标记，它插入在原始以太网帧的源地址域和类型/长度与之间(4个字节)。带有VLAN标记的帧称为标记帧。 当帧从一个逻辑组输出时，支持VLAN的交换机就会在帧中插入VLAN标记，其中携带了该VLAN的编号。 当支持VLAN交换机收到一个标记帧时，就根据其中的VLAN的编号把它映射到相应VLAN网段，然后再按通常的方法进行交换。(标记同时被删除),第6讲 数据链路层之二,6b-47

25、,VLAN划分的方法 按交换机端口号(最常用)。例如1，2，3，6号端口划分为VLAN1，则凡是连接到这几个端口的计算机都属于VLAN1。 按MAC地址 按IP地址(或协议) VLAN的优点 抑制广播流量，使其不会溢出到另外的VLAN中 可以建立自己的私有安全网络 在网络中添加、移动设备时，或设备的配置发生变化时，能够减轻网络管理人员的负担 实现虚拟工作组，使不同地点的用户就好像是在一个单独的LAN上那样通信,第6讲 数据链路层之二,6b-48,网桥 vs. 路由器,二者同为存储转发设备 路由器: 网络层设备 (检查网络层的首部) 网桥为链路层的设备 路由器维护路由表, 实现路由算法 网桥维护

26、过滤表，实现过滤、学习和生成树算法,第6讲 数据链路层之二,6b-49,路由器 vs. 网桥,Bridges + and - + 网桥操作较为简单，要求较少的处理带宽,即插即用 - 使用网桥时拓扑结构受到限制: 必须建立生成树以避免循环 - 网桥对“广播风暴”不能提供保护 (由一台主机发出的无穷广播信息/恶意攻击会通过网桥转发),第6讲 数据链路层之二,6b-50,路由器 vs. 网桥,Routers + and - + 可以支持任意的拓扑结构,而循环现象可以通过TTL 计数器得到遏制 (还有设计优秀的路由选择协议) + 提供防火墙保护以防止广播风暴 - 需要IP 地址配置 (not PnP) - 要求较高的处理带宽 网桥使用于小型 (几百台主机)而路由器使用在大型网络中 (数千台主机),