第五章 链路、接入网和局域网
1、链路层概述
0)概述:
*结点:运行链路层协议的任何设备。
*链路:沿着通信路径连接相邻结点的通信信道。
*一个形象的类比:在游客运输的类比中,一个游客好比一个数据报,每个运输区段好比一条链路,每种运输方式好比一种链路层协议,而该旅行社好比路由选择协议。
1)链路层提供的服务:
*链路层的基本服务是将数据报通过单一通信链路从一个节点移动到相邻节点。
*链路层能够提供的可能服务包括:
a)成帧。在每个网络层数据报经过链路层传输之前,链路层协议要将其用链路层帧封装起来;
b)链路接入。媒体访问控制(MAC)协议规定了帧在链路上传输的规则;
c)可靠交付。链路层的可靠交付也通常是通过确认和重传机制实现的;
d)差错检测和纠正。因特网的运输层和网络层也提供了有限形式的差错检测,即因特网校验和。链路层的差错检测通常更复杂,并且用硬件实现。
2)链路层在何处实现:
*链路层的主体部分是在网络适配器(网络接口卡)中实现的。链路层控制器的许多功能是用硬件实现的。
*在发送端,控制器获得了由协议栈较高层生成并存储在主机内存中的数据报,在链路层帧中封装该数据报,然后遵循链路控制协议将该帧传进通信链路中。在接收端,控制器接收了整个帧,抽取出网络层数据报。
*部分链路层是在运行于主机CPU上的软件中实现的。链路层是硬件和软件的结合体。
2、差错检测和纠错技术
0)概述:
*在发送节点,为了保护比特免受差错,使用差错检测和纠正比特来增强数据。
*在传输中检测差错的三种技术:奇偶校验,检验和方法和循环冗余检测。
3、多路访问链路和协议
0)概述:
*两种网络链路类型:点对点链路,广播链路。
*“广播”:当任何一个节点传输一个帧时,信道广播该帧,每个其他节点都收到一个副本。以太网和无线局域网是广播链路层技术的例子。
*多路访问问题:如何协调多个发送和接收节点对一个共享广播信道的访问。其中一个中心问题是谁在什么时候获得说话权利。
*多路访问协议:在计算机网络中,节点通过多路访问协议来规范他们在共享的广播信道上的传输行为。
*多路广播协议的类型:信道划分协议,随机接入协议和轮流协议。
4、交换局域网
1)链路层寻址和ARP——MAC地址:
*链路层交换机运行在链路层,它们交换链路层帧,不识别网络层地址。
*主机或路由器的
适配器(即网络接口)具有链路层地址。
*MAC地址:链路层地址的通常称呼。长度为6字节,每个字节被表示为一对十六进制数。
*适配器的MAC地址与人的社会保险号相似,具有扁平寻址结构,且无论人到哪里该号码都不会变化。IP地址与一个人的邮政地址相似,它是有层次的,当人搬家时该地址会随之改变。一台主机具有一个网络层IP地址和一个链路层MAC地址。
*当适配器接收到一个帧时,会检查该帧中的目的MAC地址是否与它自己的MAC地址匹配。如果匹配,则适配器提取出封装的数据报,并将该数据报延协议栈向上传递。如果不匹配,则适配器丢弃该帧,而不会向上传递该网络层数据报。
1)链路层寻址和ARP——地址解析协议:
*因为存在网络层地址和链路层地址,所以需要在它们之间进行转换。对于因特网而言,这是地址解析协议(ARP)的任务。
*发送主机向它的ARP模块提供IP地址,并且其ARP模块返回了相应的MAC地址。
*DNS为在因特网中任何地方的主机解析主机名,而ARP只为在同一子网中的路由器和主机接口解析IP地址。
*每台主机或路由器在其内存中有一个ARP表,这张表包含IP地址到MAC地址的映射关系。
*ARP是即插即用的。
*一个ARP分组封装在链路层帧中,因而其在体系结构上位于链路层之上。然而一个ARP分组具有包含链路层地址的字段。所以最好把ARP看成是跨越链路层和网络层边界两边的协议。
2)以太网:
*以太网几乎占领着现有的有线局域网市场。
*使用总线拓扑的以太网是一种广播局域网,即所有传输的帧传送到与该总线连接的所有适配器并被其处理。
*以太网帧结构:
a)数据字段(46~1500字节)。这个字段承载了IP数据报。以太网的最大传输单元(MTU)是1500字节,这以为这如果IP数据报超过了1500字节,则主机必须将该数据报分片(网络层干这个事儿);
b)目的地址,源地址;
c)类型字段。类型字段允许以太网复用多种网络层协议;
d)CRC。冗余循环检测字段的目的是使得接收适配器检测帧中是否引入了差错;
f)前同步码。
*所有的以太网技术都像网络层提供无连接服务。
*以太网技术向网络层提供不可靠服务。缺乏可靠的传输有助于使得以太网简单和便宜,但它也意味着传递到网络层的数据报流能够有间隙。
3)链路层交换机——概述:
*交换机的任务是接收入链路层帧并将它们转发到出链路。
*交换机自身对子网中的主机和路由器是透明的:即某主机/路由器向另一个主机/路由器寻址一个帧,顺利地将该帧发送进局域网,并不知道某交换机会接收到该帧并将其转发到另一个节点。
*交换机输出接口设有缓存。
3)链路层交换机——转发和过滤:
*
过滤是决定一个帧应该转发到某个接口还是应当将其丢弃的交换机功能。
*
转发是决定一个帧应该被导向哪个接口,并把该帧移动到那些接口的交换机功能。
*交换机的过滤和转发借助于
交换机表完成:
a)如果没有对于目的地址的表项,交换机广播该帧;
b)有对应的表项,该帧被转发至所对应接口相连的局域网网段;
c)只要交换机的表是完整和准确的,交换机无需任何广播就可以向着目的地转发该帧。
3)链路层交换机——自学习,性质,和路由器比较:
*交换机具有令人惊奇的特性,那就是它的表是自动、动态和自制地建立的,即没有来自网络管理员和来自任何配置协议的干预。
*性质:它不同于如“总线”或“基于集线器的星形拓扑”那样的广播链路
a)消除碰撞。交换机缓存帧并且不会在网段上同时传输多于一个帧;
b)异质的链路。交换机将链路彼此隔离,因此局域网中的不同链路能够以不同速率运行并且能够在不同的媒体上运行。
c)管理。
*交换机和路由器比较:
a)交换机是第二层的分组交换机,路由器是第三层的分组交换机;
b)交换机对广播风暴不提供任何保护措施,为防止网络风暴,交换网络的拓扑被限制为一颗生成树;
c)路由器没有生成树限制,它们允许以丰富的拓扑结构构建因特网;
d)路由器的最重要缺点是它不是即插即用的,需要人为的配置IP地址;
f)路由器对每个分组的处理时间通常比交换机更长,因为它必须处理第三层的字段。
4
)虚拟局域网:
*现代机构的局域网常常是配置为等级结构的,每个工作组(部门)有自己的交换局域网,经过一个交换机等级结构与其他工作组的交换局域网互联。
*支持VLAN的交换机允许经一个单一的物理局域网基础设施定义多个虚拟局域网。在一个VLAN内的主机彼此通信,仿佛他们与交换机连接。
*在一个基于端口的VLAN中,交换机的端口由网络管理员划分为组。每个组构成一个VLAN,在每个VLAN中的端口形成一个广播域,即来自一个端口的广播流量仅能到达该组中的其他端口。