[网络协议]计算机网络微课堂——第三章—数据链路层（下）

第三章 数据链路层（下）

• 5.4 随机接入——无线局域网协议：CSMA/CA

载波监听多址接入/碰撞避免 CSMA/CA

（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）

无线局域网中，碰撞发生在接收的时候而不是发送时，谁都无法检测到碰撞，所以不再采取碰撞检测，而是碰撞避免。

• • 5.4.1 CSMA/CA工作原理：

搞懂下图这几个帧间间隔各有什么作用？

• 问：源站为什么在检测到信道空闲后还要再等待一段时间DIFS？
  答：考虑到可能有 更高优先级 的帧也要发送，若有，就人家先发。
• 问：目的站为何正确接收数据帧后还要等待一段时间SIFS才发送ACK帧？
  答：一来接收完以后需要时间从 接收方式 切换为 发送方式，二来SIFS是最短的
  ??帧间间隔，用于分隔一次对话中的各个帧。
  

那…DCF是啥？
刚刚上面的例子用的就是 分布式协调功能DCF。

好，现在接着上面的例子

• 问：目的站和源站收发完数据，信道由忙变为空闲 且 经过DIFS时间后，其他站想
  ??发送为何还要退避一段随机时间呢？
  答：刚结束DIFS，肯定一堆人盯着信道，如果都等DIFS结束就发送，那不是全都
  ??碰撞在一起了？所以为避免多个站点同时发送，就设置了随机的退避时间。
  

• • 5.4.2 退避算法

算法原理

案例辅助理解：

• • 5.4.3 信道预约

预约：提前用一个很短的，不容易发生碰撞的帧(RTS)，通知好接收方，一会的一段时间内只和我通信，不要理会别人。

就像这样：

说明：

载波监听：

• 这也是预约机制很巧妙地一点：RTS，CTS，数据帧 里面都含有本次预约的通信要持续的时间，所以其他站接收到了这些帧中的任何一个，就都能腾出合适的时间等他结束，自己再找时间传输。相当于减少了碰撞。

• • 5.4.4 习题 顺便总结一下MAC协议方面的知识

理解题干中说的“对正确收到的数据帧进行确认”

• CDMA虽是MAC协议，但收到帧后并没有确认操作。

6、MAC地址 IP地址 ARP协议

• 6.1 概述

尽管IP地址和ARR协议属于网际层，MAC地址属于数据链路层，但三者之间存在联系，所以放在一起学习。

• 6.2 MAC地址

MAC地址用于标识一条广播信道上的各主机，一般固化存储在网卡的EEPROM中。因此，也被称为硬件地址，或物理地址。（不要以为物理地址就是物理层。）

• • 6.2.1 IEEE 802局域网的MAC地址格式

MAC地址发送顺序：

• 字节：第一字节 → 第六字节

• 比特：0比特 → 7比特

拓展：可以在IEEE的官方网站查看已分配的组织唯一标识符OUI。

如果已知MAC地址，也可以查询他的厂商信息。

• • 6.2.2 MAC地址类型

单播MAC地址举例：单对单传播

广播MAC地址：单对多传播，目标任意

多播MAC地址：单对多，目标有限制

D的多播组列表中找不到该多播地址，所以丢弃该帧。

拓展：


随机MAC地址：当前已有如下设备采用了随机MAC地址

• 6.2 浅析IP地址

本篇主要学习IP地址与MAC地址的联系，IP地址的作用，在网络层进行深入讲解。

• • 6.2.1 IP地址的作用

• 因特网中，不同网络的编号必须各不相同。

• 在一个IP地址中，哪部分是主机编号，哪部分是网络编号不是确定的，不都和上图的例子相同。

• • 6.2.2 IP地址与MAC地址

从网络体系结构看IP地址与MAC地址：

数据包转发过程中IP地址与MAC地址的变化情况：

• • 6.2.3 地址解析协议ARP

引入：一段链路中，两个主机想要互相通信，但是他们只知道对方的IP，不知道MAC地址，导致链路层无法封装MAC帧，此时地址解析协议ARP就能解决这个问题。

ARP协议原理：B要给C发送数据包。

• 每个主机中(或路由器等)都有一张ARP高速缓存表，里面记录有之前使用过的IP地址及其对应的MAC地址。当主机要和某IP地通信时，查找ARP表有无其对应的MAC地址。如果没有则需要发送ARP请求报文，来获取对方的IP地址。

• ARP请求报文封装在MAC帧中，只不过其目的地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF，总线上的所有主机都能收到该帧，并根据帧的内容发送ARP响应。

• 本例中A自然不用做出回应，而C需要发送ARP响应。

• C除了发送ARP响应外，还要把B的IP地址和MAC地址记录在自己的ARP高速缓存中。

B收到ARP响应报文后，链路层MAC地址匹配成功，交由上层处理，上层ARP进程解析ARP报文，将其中C的IP地址和MAC地址记录到自己的ARP高速缓存表中。

动态类型的记录中，IP地址和MAC地址的对应不是固定不变的，如：网卡坏了，换了一张新的网卡，此时IP地址没变，而MAC地址变了。所以，生命周期设为两分钟，两分钟之后自动删除。

7、交换机(SWITCH)与集线器(HUB)的区别

• 7.1 集线器（HUB）

在集线器之前使用的是无源同轴电缆将主机与各总线连接。后来采用集线器+双绞线的方式连接成总线网。

集线器可以在物理层面扩展以太网：

• 原来三个系互相独立，互不连通，无法通信，不过此时竞争总线的主机少，碰撞域小。

• 再加一个集线器，连通三个系，虽然可以互相通信，但竞争总线的主机也变多了，碰撞域增大。

• 7.2 交换机（SWITCH）

使用集线器的以太网逻辑上共享总线，用CSMA/CD协议协调各主机征用总线，所以是一种半双工通信。

• 7.3 集线器与交换机的区别

单主机发送广播帧无区别。

单主机发送单播帧：集线器转发给其余所有主机，交换机只发给目的主机。

多主机发送单播帧：

• 集线器：发生碰撞
• 交换机：逐一缓存，转发给目的主机

扩展总线：

8、交换机自学习和转发帧的流程

案例：

• 假设各主机都知道目的机的MAC地址（无需进行ARP）

• 开始时帧交换表中没有任何信息

• A→B；B→A；E→A；G→A

要点：

• 登记：每个帧在进入接口后，若帧交换表中没有源的MAC地址，则要先记录该帧源的MAC地址及其对应的接口号。即使是从另一个交换机转发过来的也要记录转发用的接口号。

• 盲目转发：转发的时候，帧交换表中找不到目标MAC地址，就向所有接口都发送

• 若一个帧从某接口进入交换机，则绝不会再从该接口出交换机。

• 例题：

本题重点要理解PDU的概念

9、以太网交换机的生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）

• 9.1 引入

当两个交换机之间的链路发生故障，无法通信该怎么办？如何提高以太网的可靠性？

我知道我知道，添加一条冗余链路就可以提高以太网的可靠性了，就像这样：

但是，冗余链路会形成网络环路！网络环路有很多负面效应！就比如：一个广播帧，会被无限制套娃式传播。

所以引入生成树协议 STP。

• 9.2生成树协议STP

• 本来，所有接口都正常的话，这个以太网有很多环路，根据STP协议计算出拓扑网络，人为阻塞一些接口，使得以太网没有环路的同时还能连通所有接口。

• 若某接口发生故障，则STP协议会重新计算拓扑网络。

重新计算后：

10、虚拟局域网VLAN

• 10.1 概述 + 引入

这仅仅是一个主机发了一个广播帧，全网就都要接收，太耗CPU了，哪能受的住这样折腾？而偏偏很多协议都会经常使用到广播。要想办法解决这个问题：分割广播域。

• 10.2 虚拟局域网VLAN（Virtual Local Area Network）

VLAN1的广播数据包不会传到VLAN2，VLAN2的广播数据包也不会传到VLAN1。

要实现虚拟局域网VLAN，需要交换机实现两个功能：

• 交换机能处理带有VLAN标记的帧，也就是IEEE 802.1Q帧

• 交换机的各端口可以支持不同的端口类型，不同类型端口对帧的处理方式不同

• • 10.2.1 IEEE 802.1Q帧（也称Dot One Q帧）

• 扩展MAC帧格式，插入4字节VLAN标记，最后12比特为VLAN标识符VID，标志该帧属于哪个VLAN

• 主机处理不了802.1Q帧，主机收到带有VLAN标记的帧直接丢弃

• • 10.2.2 交换机的端口类型

• Access端口：

• Access端口只能接收未打标签的帧，发送VID与PVID相同的帧

利用Access端口处理帧的特性，就能实现划分VLAN2 与 VLAN3 两个广播域：

• Trunk端口：

发送：

• VID = PVID：去标签发

• VID !=PVID：直接发

接收：

• 没标签：打标签接收

• 有标签：直接接收

当两个相连Trunk的PVID相等时，Trunk的特性使得帧经过Trunk后不改变其VID的值。

Trunk端口能转发和接收各种VID的帧。

• 华为私有的交换机Hybrid端口类型：

Hybrid相比于Trunk只增加了去标签列表这一个特性。

隔离两个主机，要保证任何一方的PVID值都不出现在对方的去标签列表中，以便使对方收到带标签的帧，然后对方就识别不出来了。