《计算机网络：自顶向下方法》Chapter5(上:以太网)：链路层：链路、接入网和局域网

摘要：这一章其实就讲了一件事，就是分组交互网络。前一章讲分组在广域网上的传输，这一章讲分组在局域网内的传输，前一章分组转发的设备是路由器，这一章分组转发的设备是交换机。更确切的说讲以太网的分组交换方式。
关键词：以太网；分组交换网络；ARP；
目录：
  1 以太网简介
  2 分组交换网的核心：ARP协议
    2.1 广播分组
    2.2 交换机自学习能力
    2.3 物理地址适用范围

1 以太网简介

以太网到底是个什么，其实就是个高速布置的局域网，而且是有线的，目前有线局域网绝大多数都是以太网，由于我也不知道其他非以太网的有线网是什么样的，所以我不好来给以太网一个定性的描述，以及他为什么叫以太网，这也许涉及到其发展史。

以太网目前主要是交换以太网，也就是局域网内用交换机来存储和转发分组，据说以前还有总线类型的以太网后来又有集线器以太网，直到今日才有了交换机以太网。

既然是交换机以太网，那么其核心设备肯定就是交换机了。路由器用来再广域网内转发分组，而交换机则是用再局域网中转发分组。

前面我们学习了路由器的体系结构及其如何转发分组的，这章则主要讲交换机如何转发分组，但不会涉及到其体系结构。

2 分组交换的核心：交换机

交换机工作原理大致上和路由器原理差不多，路由器中有路由转发表，交换机中也有个转发表，只不过目的地写的不是子网，而是写的物理地址。局域网内任何设备之间的通信都要经过交换机，他就如同一个局域网的枢纽一样，是每个分组的必经之地。我们直到，每个设备除了有ip地址之外，还有物理地址。物理地址是链路层的，而ip地址是网络层的。也就是说交换机根据物理地址进行转发而不管目的地的ip地址是多少。所以每台主机在发送报文出去之前，都必须要直到目的主机ip地址对应的MAC地址是多少，然后将该地址封装到链路层头部信息中，交换机会检查物理地址，将其推送到对应的输出端口。这就是物理地址解析协议ARP。

这中间就会有三个问题，

• 第一，我怎么直到目的主机的MAC地址是多少，他又没告诉我；
• 第二，同样的道理，交换机又是怎么知道局域网中各个与之相连的设备的地址呢。
• 第三，如果我要把我的分组发到外网去，是不是得直到外网目的主机的MAC地址。
  为了回答这三个问题，使用三个小节。

2.1广播分组

第一个问题涉及到ARP协议的广播功能，当你不知道目的主机的MAC时，你可以要交换机帮你广播一个APR查询报文，此时将MAC地址写为FF-FF-FF-FF-FF-FF。这个广播的查询报文会发送到子网中的每台主机，主机收到报文后，查看里面的ip是不是自己的，如果是就会回复他。这样就获得了目的主机的MAC地址了。

2.2 交换机自学习能力

既然所有的分组都要通过交换机来转发，那么交换机怎么获得所有设备的MAC地址呢？其实很简单，你一旦发送帧给交换机的时候，你的帧里面就包含了你自己的ip地址和MAC地址，交换机就记录下来了。比如最开始的时候，所有设备都不知道彼此的MAC地址，当第一个设备发送ARP查询时候，交换机得到了第一个设备的MAC地址，然后交换机广播该查询，当目的主机收到之后，回复该查询的时候，他也要发送帧给交换机，这样交换机又知道了第二个设备的MAC地址。只要设备发送帧，他就已经把他的MAC告诉交换机了。

同时交换机会定期维护这个ARP表，避免过期

2.3 物理地址适用范围

广域网内的ip地址用于广域网寻址，局域网内MAC地址用于局域网寻址，所以物理地址只能用来在局域网内寻址，如果你要给外网的设备通信，那么你需要在局域网内把分组发给路由器，所以此时应该写上路由器的MAC地址，路由器检查之后确认是外网的，会将其推向输入端，然后查路由表确定其出口，当最终该分组到达目的设备的局域网路由器上的时候，路由器上的NAT协议将ip地址转变成了局域网ip地址，然后发送到路由器上的网络适配器，开始该分组的在局域网的链路层转发，同样的他首先检查ARP表，然后加上目的主机的MAC地址，交给交换机，然后交换机最后送达给目的主机。

我们第五章和第六章讨论的都是局域网内的技术，第五章是以太网，第六章是无线网络。

Q&A

链路层在很大篇幅上讲述了如何在避免碰撞。而没有讲清楚这些问题是如何产生的。所以，需要先知道一下背景。

1. 数据在传输中，是使用什么模拟信号传输的？这些信号碰撞之后会发生什么情况？
2. 在链路中一个节点发送数据和接收数据是共享同一个传输介质吗？如果共享，那么发送数据和接收数据为什么不会干扰？如果不共享，是个节点与另目的节点都有自己的线路，还是这些节点共用一个线路联系目的节点？如果都有自己的线路，那么碰撞点应该实在接收方处发生，接收方是如何知道发生碰撞了的？接收方发现碰撞之后，怎么让发送知道的，然后使得发送方重传这些碰撞的帧？既然在接收方处发生了碰撞，那么为什么不在接收方处设置一个关卡，这个关卡一次只能处理一条线路，轮流的输出不同线路的帧，那么这些帧就不会混在一起产生碰撞了？
3. 多路访问很常见吗？为什么要着重讲广播？不是广播的情况难道就不会产生碰撞问题吗？
4. 在一个局域网网络中，一个路由器连接了两个子网，其中一个子网时各个用户，另一个子网接入到光纤到户的网关路由器上，当某用户通过该路由器发送目的ip不属于该子网的报文时，是用户端通过网关判断其是外网，然后直接发送给路由器，而不是发送给子网中的其他用户，还是路由器会通过他的网关判断这是送到外网的？此时路由器由于只有一个出端口，这个通往外网的分组在入端口出会先查路由表，反正都只有一个出口，路由表还有意义吗？如果该分组是通网路由器下的另一个局域网，那么路由表中会包含局域网下路由信息吗，如果该路由器下有多个局域网呢，路由表似乎就不得不将局域网的路由信息写到路由转发表了？当一个分组从出端口出来的时候，会先通过网关判断这是子网的还是外网的，如果是子网的就查ARP表，外网的直接用路由器MAC地址？当这个分组经过最后一个局域网路由器，要送到广域网的时候，他已经没有ARP表可查了，因为后面没有交换机了，都是路由器直接互联了，那么该路由器出口端的网关不就没有作用了吗?对于一个目的ip地址，到底是先查路由表还是先查ARP表？
5. 子网掩码在报文从源到目的之间传输的过程中，具体起到 了哪些作用？
6. 连接到交换机上的多条链路的公平性如何？