节点自己的ip

Chapter5LinkLayerComputerNetworking:ATopDownApproach6theditionJimKurose,KeithRossAddison-WesleyMarch2012Anoteontheuseofthesepptslides:We'remakingtheseslidesfreelyavailabletoall(faculty,students,readers).
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JFK/KWRAllmaterialcopyright1996-2012J.
FKuroseandK.
W.
Ross,AllRightsReservedLinkLayer5-*5:DataLinkLayer5-*Chapter5:TheDataLinkLayerOurgoals:理解数据链路层服务原理:组帧(framing)共享广播信道:链路接入差错检测和纠正可靠传输、流量控制:done!
链路层实现以太网虚拟局域网LinkLayer5-*Linklayer,LANs:outline5.
1introduction,services5.
2errordetection,correction5.
3multipleaccessprotocols5.
4LANsaddressing,ARPEthernetswitchesVLANS5.
5linkvirtualization5.
6datacenternetworking5.
7adayinthelifeofawebrequest5:DataLinkLayer5-*网络层和链路层的关系网络层:选路:路由器确定去往目的节点的下一跳转发:在路由器内部将数据报从输入端口转移到输出端口链路层:将数据报从一个节点传输到相邻的下一个节点,如:源主机->源路由器路由器->下一跳路由器目的路由器->目的主机5:DataLinkLayer5-*一些术语节点:主机和路由器统称为节点链路:连接相邻节点的通信信道有线链路无线链路局域网帧:链路层分组称为帧5:DataLinkLayer5-*链路层服务组帧(基本服务)从原始比特流中提取出完整的帧链路接入(广播链路需要)在广播信道上协调各个节点的发送行为差错检测(基本服务)检测传输错误差错纠正(有些提供)检测并纠正传输错误(不使用重传)5:DataLinkLayer5-*链路层服务(续)可靠交付(部分协议提供)通过确认、重传等机制确保接收节点正确收到每一个帧(停-等、GBN、SR)低误码率链路(如光纤、某些双绞线)上很少使用,高误码率链路(如无线链路)应当使用流量控制:调节发送速度,避免接收节点缓存溢出提供可靠交付的链路层协议,不需要专门的流量控制不提供可靠交付的链路层协议,需要流量控制机制半双工和全双工:半双工通信时,提供收/发转换5:DataLinkLayer5-*链路层在哪儿实现路由器:链路层在线卡(linecard)中实现主机:链路层主体部分在网络适配器(网卡)中实现线卡/网络适配器连接物理媒体,还实现物理层的功能链路层由硬件和软件实现:网卡中的控制器芯片:组帧、链路接入、检错、可靠交付、流量控制等主机上的链路层软件:与网络层接口,激活控制器硬件、响应控制器中断等controllerphysicaltransmissioncpumemoryhostbus(e.
g.
,PCI)networkadaptercardhostschematicapplicationtransportnetworklinklinkphysical5:DataLinkLayer5-*网络适配器之间的通信发送侧:将数据报封装到帧中生成校验比特执行可靠传输和流量控制接收侧:提取帧,检测传输错误执行可靠传输和流量控制解封装数据报,交给上层协议controllercontrollersendinghostreceivinghostdatagramdatagramdatagramframeLinkLayer5-*Linklayer,LANs:outline5.
1introduction,services5.
2errordetection,correction5.
3multipleaccessprotocols5.
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5linkvirtualization5.
6datacenternetworking5.
7adayinthelifeofawebrequest检错和纠错传输出错的类型单个错:由随机的信道热噪声引起,一次只影响1位突发错:由瞬间的脉冲噪声引起,一次影响许多位,使用突发长度表示突发错影响的最大数据位数差错控制编码的类型检错码:只能检测出传输错误的编码,不能确定出错位置,通常与反馈重传机制结合进行差错恢复纠错码:能够确定错误位置并自行纠正的编码如何检测与纠正错误码字(codeword):由m比特的数据加上r比特的冗余位(校验位)构成有效编码集:由2m个符合编码规则的码字组成检错:若收到的码字为无效码字,判定出现传输错误海明距离(HammingDistance):两个码字的对应位取值不同的位数纠错:将收到的无效码字纠正到距其最近的有效码字检错码与纠错码的能力都是有限的!
编码集的检错与纠错能力编码集的海明距离:编码集中任意两个有效码字的海明距离的最小值检错能力:为检测出所有d比特错误,编码集的海明距离至少应为d+1纠错能力:为纠正所有d比特错误,编码集的海明距离至少应为2d+15:DataLinkLayer5-*差错检测的实施发送端对要保护的数据D(包括帧头字段)生成校验位EDC,添加在帧头中接收端对收到的数据D'计算校验位EDC',根据EDC'判定是否有错5:DataLinkLayer5-*奇偶校验单比特奇偶校验:可检测单比特错误检错率为50%编码集海明距离为2二维奇偶校验:可检测2比特错和纠正单比特错编码集海明距离为3有利于检测突发错误00循环冗余校验(CRC)CRC是一种多项式编码,它将一个位串看成是某个一元多项式的系数,如1011看成是一元多项式X3+X+1的系数信息多项式M(x):由m个信息比特为系数构成的多项式冗余多项式R(x):由r个冗余比特为系数构成的多项式码多项式T(x):在m个信息比特后加上r个冗余比特构成的码字所对应的多项式,表达式为T(x)=xr·M(x)+R(x)生成多项式G(x):双方确定用来计算R(x)的一个多项式编码方法:R(x)=xr·M(x)÷G(x)的余式(减法运算定义为异或操作)检验方法:若T(x)÷G(x)的余式为0,判定传输正确CRC码检错能力极强,可用硬件实现,是链路层上应用最广泛的检错码5:DataLinkLayer5-*CRC举例例1:取G(X)=X3+1,对信息比特101110计算CRC码.
解答:101110000÷1001的余式为R=011(CRCcode)码字:101110011例2:取G(X)=X3+1,接收端收到比特串1001001,问是否有错解答:1001001÷1001的余式为001(不为0),有传输错误要求掌握的知识点检错和纠错的一般性原理海明距离和编码集的检错/纠错能力二维奇偶校验、循环冗余码为什么链路层使用CRC,而其上各层使用checksum(思考)5:DataLinkLayer5-*LinkLayer5-*Linklayer,LANs:outline5.
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7adayinthelifeofawebrequest5:DataLinkLayer5-*链路的两种类型点到点链路:仅连接了一个发送方和一个接收方的链路一条全双工链路可以看成是由两条单工链路组成广播链路:连接了许多节点的单一共享链路,任何一个节点发送的数据可被链路上的其它节点接收到共享的电缆(如早期以太网)共享的无线射频(如802.
11WiFi)共享的无线射频(如卫星)humansatacocktailparty(sharedair,acoustical)5:DataLinkLayer5-*多址接入(MultipleAccess)冲突(collision)在广播链路上,若两个或多个节点同时发送,发送的信号会发生干扰,导致接收失败多址接入协议规定节点共享信道(谁可以发送)的方法多址接入协议也称媒体接入控制(MediumAccessControl,MAC)协议5:DataLinkLayer5-*理想的多址接入协议在速率为Rbps的广播信道上1.
当只有一个节点发送时,它应能以速率R发送(信道利用率高)2.
当有M个节点发送时,每个节点应能以R/M的平均速率发送(公平性好、信道利用率高)3.
协议是完全分布式的:不需要一个特殊的节点来协调发送(健壮性好)不需要时钟或时隙同步(不需要额外的机制)4.
简单(实现和运行开销小)5:DataLinkLayer5-*MAC协议的分类信道划分将信道划分为若干子信道,每个节点固定分配一个子信道,不会发生冲突关注公平性,轻负载时信道利用率不高随机接入(竞争)不划分信道,每个节点自行决定何时发送,出现冲突后设法解决轻负载时信道利用率高,重负载时冲突严重轮流使用信道不划分信道,有数据的节点轮流发送,不会出现冲突信道利用率是以上两种方法的折衷,引入额外机制5:DataLinkLayer5-*(1)信道划分的MAC协议TDMA:时分多址将信道的使用时间划分成帧,每个节点在帧中被分配一个固定长度的时间片,每个时间片可以发送一个分组节点只能在分配给自己的时间片内发送若节点不发送,其时间片轮空1341346-slotframe5:DataLinkLayer5-*信道划分的MAC协议FDMA:频分多址将信道频谱划分为若干子频带每个节点被分配一个固定的子频带若节点不发送,其子频带空闲frequencybandstimeFDMcable信道划分的MAC协议CDMA:码分多址将每个比特时间进一步划分为m个微时隙(称chip)每个节点被分配一个惟一的m比特码序列(称chipcode)发送方编码:发送"1"=发送chipcode;发送"0"=发送chipcode的反码信号叠加:多个节点发送的信号在信道中线性相加接收方解码:用发送方的chipcode与信道中收到的混合信号计算内积,恢复出原数据前提条件:任意两个chipcode必须是相互正交的CDMA允许所有节点同时使用整个信道!
5:DataLinkLayer5-*5:DataLinkLayer5-*(2)随机接入的MAC协议随机接入的基本思想:当节点有数据要发送时,以信道速率R发送,发送前不需要协调随机接入MAC协议规定如何检测冲突,以及如何从冲突中恢复随机接入MAC协议的例子:发送前不监听信道:ALOHA家族发送前监听信道:CSMA家族时分(Slotted)ALOHA假设:所有帧长度相同时间被划分为等长的时隙,每个时隙传一帧节点只能在时隙开始时发送节点是时钟同步的(知道时隙何时开始)所有节点可在时隙结束前检测到是否有冲突发生5:DataLinkLayer5-*时分ALOHA操作:节点从上层收到数据后,在下一个时隙发送若时隙结束前未检测到冲突,节点可在下一个时隙发送新的帧若检测到冲突,节点在随后的每一个时隙中以概率P重传,直至发送成功5:DataLinkLayer5-*5:DataLinkLayer5-*时分ALOHA优点单个活跃节点可以信道速率连续发送分布式:节点自行决定什么时候发送简单缺点发生冲突的时隙被浪费了由于概率重传,有些时隙被闲置需要时钟同步5:DataLinkLayer5-*时分Aloha的效率假设:有N个活跃节点,每个节点在每个时隙开始时以概率P发送给定节点在一个时隙中发送成功的概率=p(1-p)N-1给定时隙中有节点发送成功的概率=Np(1-p)N-1最大效率:找到令Np(1-p)N-1最大的概率p*代入Np*(1-p*)N-1,并令N趋向于无穷,得到:最大效率=1/e=0.
37效率:当网络中存在大量活跃节点时,长期运行过程中成功时隙所占的比例最佳情况:信道用于有效传输的时间仅为37%!
5:DataLinkLayer5-*纯ALOHA基本思想:取消同步时钟,任何节点有数据发送就可以立即发送节点通过监听信道判断本次传输是否成功若不成功,立即以概率P重传,以概率(1-P)等待一个帧时后再决定.
(帧时:发送一帧的时间,假设帧长度相同)发生冲突的情形:在时刻t0发送的帧与在(t0-1,t0+1)时段内发送的其它帧冲突5:DataLinkLayer5-*纯Aloha的效率P(给定节点发送成功)=P(节点发送)P(无其它节点在(t0-1,t0]内发送)P(无其它节点在[t0,t0+1)内发送)p.
(1-p)N-1.
(1-p)N-1=p.
(1-p)2(N-1)求出令节点发送成功概率Np.
(1-p)2(N-1)最大的p*,并令N->infty:最大效率=1/(2e)=0.
185:DataLinkLayer5-*载波侦听多址接入(CSMA)发送前监听信道(carriersensing):信道空闲:发送整个帧信道忙:推迟发送冲突仍可能发生:由于存在传输延迟,节点可能没有监听到其它节点正在发送即使忽略传输延迟,当两个(或多个)节点同时发现信道由忙变为空闲、并都决定立即发送时,仍会发生冲突5:DataLinkLayer5-*CSMA/CD(CollisionDetection)若在发送的过程中检测到冲突,怎么办继续发送余下的部分(浪费带宽)停止发送余下的部分CSMA/CD的基本思想:在发送的过程中检测冲突(发生冲突时信号较强)检测到冲突后,立即停止发送剩余的部分立即启动冲突解决的过程以太网MAC协议早期以太网采用CSMA/CD协议:网卡从网络层接收数据报,构造以太帧若网卡监听到信道空闲,立即发送帧;若信道忙,坚持监听直至发现信道空闲,然后发送帧若网卡发送完整个帧而没有检测到冲突,认为发送成功!
若网卡在传输过程中检测到冲突,立即停止发送帧,并发送一个阻塞信号(加强冲突)5:DataLinkLayer5-*以太网MA协议(续)5.
网卡进入指数回退阶段,选择一个等待时间:第一次冲突后:从{0,1}中选择K,延迟K512比特时间第二次冲突后:从{0,1,2,3}中选择K,……第三次冲突后:从{0,1,2,3,4,5,6,7}中选择K,…………第10次冲突后,从{0,1,2,3,4,…,1023}中选择K,……6.
返回Step2注:512比特是一个最小以太帧的长度指数回退的目的是根据网络负载调整重传时间:负载越重(冲突次数越多),重传时间的选择范围越大,再次发生冲突的可能性越小5:DataLinkLayer5-*5:DataLinkLayer5-*CSMA/CD的效率Tprop=以太网中任意两个节点之间传播延迟的最大值ttrans=最长帧的传输时间在以下情况下,以太网的效率趋近于1:tprop趋近于0,或ttrans趋向于无穷结论:应控制以太网的规模5:DataLinkLayer5-*(3)轮流MAC协议轮询主节点轮流"邀请"从节点发送,邀请到的从节点允许发送缺点:引入轮询延迟单点失效(主节点)主节点从节点polldatadata5:DataLinkLayer5-*轮流MAC协议令牌传递网络中有一个令牌,按预定顺序在节点间传递获得令牌的节点可以发送发送完数据后释放令牌缺点:令牌传递延迟单点失效(令牌)Tdata(nothingtosend)T5:DataLinkLayer5-*MAC协议小结按照时间、频率、编码划分信道:时分多址、频分多址、码分多址随机接入:纯ALOHA,S-ALOHA(ALOHA网络)CSMA/CD(早期以太网)CSMA/CA(802.
11)(第6章)轮流访问:中心节点轮询(蓝牙)令牌传递(FDDI、IBM令牌环、令牌总线)5:DataLinkLayer5-*MAC协议比较信道划分MAC协议:重负载下高效:没有冲突,节点公平使用信道轻负载下低效:即使只有一个活跃节点也只能使用1/N的带宽随机接入MAC协议:轻负载时高效:单个活跃节点可以使用整个信道重负载时低效:频繁发生冲突,信道使用效率低轮流协议(试图权衡以上两者):按需使用信道(避免轻负载下固定分配信道的低效)消除竞争(避免重负载下的发送冲突)5:DataLinkLayer5-*Datalinklayersofar:服务差错检测多址接入Next:LANtechnologies链路层编址以太网交换机VLAN局域网、城域网和广域网局域网LAN(LocalAreaNetwork)将小范围内的计算机及外设连接起来的网络,范围在几公里以内,通常为个人或机构所有城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)通常覆盖一个城市的范围(几十公里),要能支持数据、音频和视频在内的综合业务,服务质量好,支持用户数量多广域网WAN(WideAreaNetwork)通常覆盖一个国家或一个洲(一百公里以上),规模和容量可任意扩大5:DataLinkLayer5-*LinkLayer5-*Linklayer,LANs:outline5.
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2errordetection,correction5.
3multipleaccessprotocols5.
4LANsaddressing,ARPEthernetswitchesVLANS5.
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6datacenternetworking5.
7adayinthelifeofawebrequest链路层编址每一块网络适配器(网卡)固定分配一个地址,称为物理地址、硬件地址、链路层地址、MAC地址等MAC地址长6个字节,一般用由":"或"-"分隔的6个十六进制数表示MAC地址由IEEE负责分配,每块适配器的地址是全球唯一的:网卡生产商向IEEE购买一块MAC地址空间(前3字节)生产商确保生产的每一块网卡有不同的MAC地址MAC地址固化在网卡的ROM中现在用软件改变网卡的MAC地址也是可能的5:DataLinkLayer5-*每个适配器有一个MAC地址Broadcastaddress=FF-FF-FF-FF-FF-FF=adapter1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53LAN(wiredorwireless)MAC地址类型目的MAC地址有三种类型:单播地址:适配器的MAC地址,地址最高比特为0多播地址:标识一个多播组的逻辑地址,地址最高比特为1广播地址:ff:ff:ff:ff:ff:ff网络适配器仅将发送给本节点的帧交给主机:目的地址为适配器MAC地址的单播帧所有广播帧指定接收的多播帧若将适配器设置成混收模式,适配器将收到的所有帧交给主机如何实现直接交付当发送节点A、接收节点B位于同一个物理网络上时,数据报可从A直接交付给B:A的网络层将数据报、以及B的物理地址交给数据链路层数据链路层将数据报封装在一个链路层帧中,帧的目的地址=B的物理地址B的适配器收到帧,根据目的地址判断是发给本机的,取出数据报交给网络层问题:发送节点如何获得接收节点的物理地址地址解析(AddressResolution)问题:已知IP地址,如何得到对应的MAC地址静态映射IP地址-MAC地址的缺点:主机每次使用的IP地址可能不同(DHCP)主机可能更换网卡地址解析协议(ARP)用于动态获得IP地址-MAC地址映射,其基本思想是:若节点A希望获得节点B的MAC地址,节点A广播B的IP地址(地址解析请求)节点B用自己的MAC地址进行响应ARP报文格式硬件类型:硬件接口类型.
对于以太网,该值为"1".
协议类型:高层协议地址类型.
对于IP地址,该值为080016.
操作:ARP请求为1,ARP响应为2在以太网上,ARP报文封装在以太帧中传输地址解析的过程A想知道B的MAC地址:A构造一个ARP请求,在发送方字段填入自己的MAC地址和IP地址,在目标字段填入B的IP地址A将ARP请求封装在广播帧中发送每个收到ARP请求的节点用目标IP地址与自己的IP地址比较,地址相符的节点进行响应(B响应)B构造一个ARP响应,交换发送方与目标字段内容,在发送方硬件地址字段填入自己的MAC地址,修改操作字段为2B将ARP响应封装在单播帧(目的地址为A的MAC地址)中发送IP地址为130.
23.
43.
20、物理地址为oxB23455102210的主机,要获得IP地址为130.
23.
43.
25的主机的MAC地址改进ARP的措施:ARP缓存每个节点在内存中维护一个地址映射(绑定)表,称ARP缓存每次发送数据报前先查询ARP缓存,若找不到则发送ARP请求,并在收到ARP响应后将地址映射缓存起来ARP缓存中的信息,在超时(一般为15~20分钟)后删除改进ARP的措施:主动学习从ARP请求中获取地址绑定信息:每个节点可以收到全部的ARP请求报文,可将发送节点的地址映射缓存到自己的ARP表中节点在启动时自动广播自己的地址映射:节点A在启动时主动广播一个ARP请求,在目标字段内填入自己的IP地址收到ARP请求的节点将A的地址映射缓存起来若A收到ARP响应,报告IP地址重复错误5:DataLinkLayer5-*数据报如何从源主机到达目的主机R1A-23-F9-CD-06-9B222.
222.
222.
220111.
111.
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110E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D111.
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111.
112111.
111.
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111A74-29-9C-E8-FF-55222.
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22188-B2-2F-54-1A-0FB222.
222.
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22249-BD-D2-C7-56-2A数据报从A经过R到达B:A知道下一跳地址为111.
111.
111.
110(R-1)R知道B从其端口R-2直接可达5:DataLinkLayer5-*A创建IP数据报,srcIP=A,destIP=BA利用ARP获得下一跳111.
111.
111.
110对应的MAC地址(R-1)A创建链路层帧,封装IP数据包,srcMAC=A,destMAC=R-1,发送R接收帧,取出IP数据报,发现目的地址为BR利用ARP获得B的MAC地址R创建链路层帧,封装IP数据报,srcMAC=R-2,destMAC=B,发送B的网卡接收帧,取出IP数据报,交给网络层R1A-23-F9-CD-06-9B222.
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110E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D111.
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111A74-29-9C-E8-FF-55222.
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22188-B2-2F-54-1A-0FB222.
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222.
22249-BD-D2-C7-56-2A重要的知识点为什么有了MAC地址,还需要IP地址地址解析:ARP过程,ARP缓存分组逐跳转发的过程:仔细梳理源主机、路由器、目的主机上分别进行了什么操作,分组是如何逐跳地从源主机经路由器到达目的主机的5:DataLinkLayer5-*LinkLayer5-*Linklayer,LANs:outline5.
1introduction,services5.
2errordetection,correction5.
3multipleaccessprotocols5.
4LANsaddressing,ARPEthernetswitchesVLANS5.
5linkvirtualization5.
6datacenternetworking5.
7adayinthelifeofawebrequest5:DataLinkLayer5-*以太网第一个广泛应用的局域网技术,也是目前占主导地位的有线局域网技术与其它的局域网技术相比,技术简单、成本低为提高速率,以太网技术不断演化和发展速率持续提高:10Mbps->100Mbps->1Gbps->10Gbps->40Gbps->100Gbps->…总线拓扑:共享式以太网总线(1970s中期):以同轴电缆作为共享传输媒体(总线)所有节点通过特殊接口连接到这条总线上集线器(1990s后期):一个物理层中继器,从一个端口进入的物理信号(光,电),放大后立即从其它端口输出集线器相当于共享电缆总线:同轴电缆双绞线hub星型拓扑:交换式以太网交换机(21世纪早期):主机通过双绞线或光纤连接到交换机交换机在端口之间存储转发帧(链路层设备)主机与交换机之间为全双工链路交换式以太网不会产生冲突,不需使用CSMA/CD协议!
星型拓扑:各节点仅与中心节点直接通信,各节点之间不直接通信不同于基于hub的星型连接5:DataLinkLayer5-*switch5:DataLinkLayer5-*以太帧结构Preamble(前导码):7个10101010字节,后跟一个10101011字节,用于在发送方和接收方之间建立时钟同步一般不计入以太帧的长度Dest.
Address/SrcAddress:目的/源MAC地址Type(2字节):指出Data所属的高层协议(如IP、ARP等),每个协议有一个编号Data:46~1500字节,不足46字节填充至46字节CRC(4字节):对destaddr.
、srcaddr.
、type和data四个字段计算得到的CRC码5:DataLinkLayer5-*无连接、不可靠的数据传输无连接:发送方网卡与接收方网卡之间没有握手不可靠:接收方网卡不发送确认接收方网卡丢弃CRC错误的帧依靠上层协议(TCP或应用)进行错误恢复为什么有最小帧长的要求CSMA/CD协议规定,发送方仅在发送的过程中检测冲突;为保证在发送结束前检测到冲突,帧的发送时间必须足够长:节点检测冲突需要时间假设信号在相距最远的两个适配器之间的往返延迟为2τ,则帧的发送时间不应小于2τ,即帧的最小长度≧链路速率*2τ为什么最小帧长为64字节(不包括前导码):根据早期以太网的最大直径(2500米)和数据速率(10Mbps)计算得到检测冲突需要时间5:DataLinkLayer5-*802.
3以太网标准:链路层&物理层历史上出现过许多不同的以太网技术:链路层相同:MAC协议,帧格式,帧处理物理层不同:传输媒体:光纤,同轴电缆,双绞线数据速率:如10Mbps,100Mbps,1Gbps,…物理层编码方式所有这些以太网技术由IEEE802.
3工作组标准化,形成IEEE802.
3标准族10Mbps以太网(早期以太网)10Base-5:基带同轴电缆(粗),每段电缆最大长度500米10Base-2:基带同轴电缆(细),每段电缆最大长度约200米10Base-T3类双绞线和集线器,双绞线最大长度100米10Base-F多模光纤和集线器,光纤最大长度2000米5:DataLinkLayer5-*100Mbps以太网(快速以太网)仅能使用光纤/双绞线,以及集线器/交换机100Base-TX(可使用集线器或交换机):5类双绞线(2对),不超过100米100Base-T4(可使用集线器或交换机):3类双绞线(4对),不超过100米100Base-FX(只能使用交换机):多模光纤(2条),不超过2000米5:DataLinkLayer5-*千兆、万兆以太网使用交换机,并增加了对流量控制的支持1000Base-SX:多模光纤,不超过550米1000Base-LX:单模或多模光纤,不超过5000米1000Base-CX(很少用):2对屏蔽双绞线,不超过25米1000Base-T:4对5类双绞线,不超过100米10GBase-T:只使用光纤,长距离用单模光纤,短距离用多模光纤5:DataLinkLayer5-*DIX以太帧与802.
3帧最早提出的以太帧称为DIX(DEC-Intel-Xerox)以太帧:type:指出处理data域的协议实体符合IEEE802.
3标准的帧(802.
3帧):length:替代DIX帧中的type域,指出data的长度这两种格式都可使用,当type/length的值大于1500时解释为type,否则解释为length讨论:共享式以太网和交换式以太网共享式以太网:集线器的所有端口位于同一个冲突域任一时刻最多只允许一个主机发送网络规模(节点数量)与网络性能的矛盾无法解决交换式以太网:交换机的每个端口为一个冲突域多对端口可以同时通信网络的集合带宽=各个端口的带宽之和从根本上解决了网络规模与网络性能的矛盾双绞线hub交换式以太网的最小帧长及规模交换式以太网不再使用CSMA/CD协议,理论上不再需要限制帧的最小长度.
但为了向后兼容,帧格式及最小帧长度的限制仍然保持不变由于交换式以太网不再使用CSMA/CD协议,网络直径不再受到信号最大往返时间的限制交换式以太网的MAC层除了帧格式保持不变外,其它都和共享式以太网不同了要求理解的知识点以太网最小帧长及网络规模与CSMA/CD协议的关系交换式以太网还有以上限制吗为什么千兆以上的交换机增加了流量控制的机制5:DataLinkLayer5-*LinkLayer5-*Linklayer,LANs:outline5.
1introduction,services5.
2errordetection,correction5.
3multipleaccessprotocols5.
4LANsaddressing,ARPEthernetswitchesVLANS5.
5linkvirtualization5.
6datacenternetworking5.
7adayinthelifeofawebrequest5:DataLinkLayer5-*交换机如何转发Q:交换机如何知道A'通过端口4可达,而B'通过端口5可达A:每个交换机内部有一张端口转发表,每个表项记录以下信息:MAC地址,到达该MAC地址的端口Q:转发表是如何建立和维护的AA'BB'CC'switchwithsixinterfaces(1,2,3,4,5,6)1234565:DataLinkLayer5-*自主学习交换机自主学习"哪个主机通过哪个端口可达":当一个帧到达时,交换机从源MAC地址了解到发送节点,从帧到来的端口了解到发送节点的位置(从该端口可达)在转发表中记录发送节点和可达端口AA'BB'CC'123456AA'Source:ADest:A'MACaddrinterfaceTTL转发表(初始为空)A1605:DataLinkLayer5-*帧的过滤和转发当帧到来时:1.
记录帧的到来端口2.
用帧的目的MAC地址查找端口转发表3.
if找到目的MAC地址//已知节点then{if目的地址所在端口=帧的到来端口then丢弃帧//过滤不需要转发的帧else转发帧到表项指定的端口//按转发表转发帧else扩散帧//未知节点,采用扩散法转发向输入端口以外的所有端口转发交换机收到帧的处理过程用帧的目的地址查找转发表(转发决策):若目的地址所在端口=帧的进入端口,丢弃帧若目的地址所在端口≠帧的进入端口,转发帧若目的地址不在转发表中,扩散帧用帧的源地址查找转发表(更新转发表):若找到地址,将对应表项的生存期设为最大值若没有找到该地址,添加源地址和进入端口到转发表,设置表项的生存期为最大值5:DataLinkLayer5-*举例AA'BB'CC'123456AA'Source:ADest:A'MACaddrinterfaceTTL转发表(初始为空)A160AA'AA'AA'AA'AA'目的地址未知:扩散A'A目的地址A已知:A'460按照转发表转发5:DataLinkLayer5-*级联交换机多个交换机也可以级联在一起,形成更大范围的局域网ABQ:数据包要从A发往F,交换机S1如何知道应转发给S4,而S4如何知道应转发给S2A:通过自主学习!
(与单交换机情形相同)S1CDEFS2S4S3HIG5:DataLinkLayer5-*举例假设C发送一个帧给I,I响应C:Q:给出S1,S2,S3,S4中的交换机表和包转发决策ABS1CDEFS2S4S3HIG12314411有环网络和生成树算法为提高可靠性,网络中通常存在环(冗余链路),这会导致扩散的帧在网络中循环转发使用生成树构造无环拓扑:所有交换机运行一个生成树算法,构造一棵覆盖网络中所有主机的生成树平时只有生成树上的交换机可在属于生成树的边上转发帧当生成树上的交换机或链路发生故障时,启用冗余链路,重新计算生成树5:DataLinkLayer5-*5:DataLinkLayer5-*交换机vs.
路由器交换机工作于链路层,根据MAC地址存储转发帧路由器工作于网络层,根据IP地址存储转发数据报交换机是即插即用设备路由器需要手工配置交换机转发速度快,成本低(二层设备)路由器转发速度慢,成本高(三层设备)交换机vs.
路由器交换机不能连接异构链路(即MAC协议不同的网络),因为交换机只是按原样转发帧路由器可以连接异构链路,因为路由器需重新封装链路层帧交换机需运行生成树算法消除冗余链路,生成树算法假设网络是扁平的,对网络中的节点总数有限制路由器无此限制交换机vs.
路由器交换机不能阻断广播帧的传播:交换机只能学习到单播MAC地址,所有广播帧都会扩散发送通过交换机连接的所有主机在同一个广播域中路由器可以阻断广播帧的传播:路由器根据IP地址转发包(看不到MAC地址)每个路由器端口是一个独立的广播域冲突域:共享同一条广播链路的主机集合任何一个主机发送的帧(各种帧),可被冲突域中的其它主机接收到广播域:广播帧能够到达的主机集合5:DataLinkLayer5-*要求掌握的知识点交换机转发表的生成和维护为什么用交换机连接的二层网络会出现广播风暴广播帧为什么不能穿过路由器冲突域、广播域的概念5:DataLinkLayer5-*LinkLayer5-*Linklayer,LANs:outline5.
1introduction,services5.
2errordetection,correction5.
3multipleaccessprotocols5.
4LANsaddressing,ARPEthernetswitchesVLANS5.
5linkvirtualization5.
6datacenternetworking5.
7adayinthelifeofawebrequest虚拟局域网(VLAN)在大型机构网络中,管理员通常按部门将用户组织到不同的网络中管理员配置网络遇到的困难:同一部门的人员在物理位置上可能很分散(他们的主机连接到在不同的交换机上),但是逻辑上,不同的网络可能需要隔离用大量的路由器来分割网段,成本很高网络设备供应商提供用软件配置网络的方法,导致虚拟局域网概念的提出VLAN的基本概念虚拟局域网VLAN:位于物理局域网上的一个逻辑IP子网,包含了配置为该VLAN成员的所有节点每个VLAN在逻辑上是一个独立的网络:每个VLAN是一个单独的广播域:一个VLAN中的所有帧流量被限制在该VLAN中不同VLAN之间的通信要依赖于网络层路由划分VLAN通过软件配置完成使用VLAN配置网络VLAN的实现基础是支持VLAN功能的交换机管理员配置VLAN:管理员决定将物理网络划分成几个VLAN、每个VLAN的名字、每个机器在哪个VLAN上在每个交换机上建立一个配置表,指出通过哪个端口可以到达哪些VLAN的成员(一个交换机端口可以到达多个VLAN的成员)划分VLAN的方法基于交换机端口划分:将某些交换机端口直接、强制性地分配给某个VLAN基于MAC地址划分:根据用户节点的MAC地址划分VLAN基于IP地址划分:根据IP子网地址划分VLAN交换机如何在VLAN内转发帧当一个帧到达时,交换机判断该帧属于哪个VLAN查找配置表得到该VLAN对应的端口在该VLAN对应的所有端口上转发帧5:DataLinkLayer5-*标记为G的节点属于一个VLAN,标记为W的节点属于另一个VLAN如何知道一个帧属于哪个VLAN帧所属的VLAN=发送节点所属的VLAN交换机根据帧的到达端口、源MAC地址或源IP地址(取决于VLAN的划分方法),查找VLAN配置表为避免重复查找VLAN配置表,交换机将VLAN标识放入帧头中后续交换机通过检查帧头的VLAN标识,得知这个帧所属的VLANIEEE802.
1Q802.
1Q规定了新的以太帧格式,帧头中包含一个VLAN标签(tag),用于指明帧属于哪个VLAN802.
1Q如何与已有网卡兼容Q:我们需要抛弃已有的以太网卡吗A:不用,因为只有交换机会使用VLAN字段Q:谁来产生VLAN字段A:由第一个接收帧、且支持VLAN的交换机添加VLAN字段,由路径上最后一个这样的交换机去掉VLAN字段Q:帧长度不够怎么办A:802.
1Q将帧的最大长度提高到1522字节VLAN以太网与已有以太网共存TransitionfromlegacyEthernettoVLAN-awareEthernet.
TheshadedsymbolsareVLANaware.
Theemptyonesarenot.
三层交换机和路由器不同子网间或VLAN间通过路由器转发,太慢!
三层交换机:具有三层转发功能、又有二层转发速度的交换机专为加快大型局域网内部的数据交换而设计但在安全、协议支持等方面不如专业路由器机构网络中三层交换机和路由器的使用:三层交换机:通常用在机构网络的核心层,连接不同的子网或VLAN专业路由器:连接机构网络与外网三层交换机为什么快路由器转发IP包的过程:用目的IP地址查找转发表,获得下一跳IP地址及端口利用ARP获得下一跳MAC地址用下一跳MAC地址构造链路层帧,发送三层交换机转发IP包的过程:将以上第1、第2步的结果缓存到本地三层转发表中用目的IP地址查找三层转发表:1)若命中,直接用下一跳MAC地址构造链路层帧,发送2)若未命中,执行以上第1、2、3步三层交换机转发速度快的原因:一次选路,多次转发10GCERNET2.
5G出口网络信息中心东校区西校区南校区服务器群超级计算平台CNCNET100M出口中国科学技术大学校园网络示意图1G100M1G1G2GCERNET22.
5G出口CHINANET1G出口力三楼力二楼力一楼南区教学楼MBA中心软件学院南区图书馆南区实验楼南区学生宿舍防火墙防火墙防火墙西区学生宿舍力四楼南区汇聚节点东区学生宿舍行政办公楼理化中心大楼理化一号楼大礼堂微尺度物理楼数学楼教一楼教二楼化学楼艺术楼出版社东区活动中心继续教育学院加速器火灾科学实验室西区活动中心信息学院生命科学学院教三楼图书馆电四楼电三楼10G科研楼东区核心节点网络中心核心节点计算中心汇聚节点西区核心节点路由器要求理解的知识点VLAN的工作原理802.
1Q5:DataLinkLayer5-*LinkLayer5-*Linklayer,LANs:outline5.
1introduction,services5.
2errordetection,correction5.
3multipleaccessprotocols5.
4LANsaddressing,ARPEthernetswitchesVLANS5.
5linkvirtualization5.
6datacenternetworking5.
7adayinthelifeofawebrequest5:DataLinkLayer5-*TheInternet:virtualizingnetworks1974:多个不连通的网络ARPAnetdata-over-cablenetworkspacketsatellitenetwork(Aloha)packetradionetwork它们在以下方面不同:编址方法包格式差错恢复选路ARPAnetsatellitenet"AProtocolforPacketNetworkIntercommunication",V.
Cerf,R.
Kahn,IEEETransactionsonCommunications,May,1974,pp.
637-648.
5:DataLinkLayer5-*TheInternet:virtualizingnetworksARPAnetsatellitenetgatewaynetworkofnetworks用网关连接不同的物理网络:在逻辑层上选路到下一个网关将IP包封装在本地网络帧中,发送到下一个网关在物理网络上增加一个逻辑层次(IP层)在逻辑层上统一编址、统一包格式互联在一起的网络看起来像一个网络5:DataLinkLayer5-*Cerf&Kahn'sInternetworkArchitecture两级编址:IP网络,物理网络IP层提供统一的网络视图:地址,包格式底层可以是任意的物理网络:cablesatellite56Ktelephonemodemtoday:ATM,MPLS…物理网络对于IP层是不可见的,对于IP来说物理网络只是一条虚拟链路而已!
5:DataLinkLayer5-*Chapter5:Summary数据链路层服务原理:差错检测与纠正共享广播信道:多址技术链路层编址链路层技术实例:以太网虚拟局域网作业习题:5,8,11,13,23,24,25,26实验:Ethernet-ARP提交时间:11月29日5:DataLinkLayer5-*