计算机网络——数据链路层之MAC子层
一：信道分配问题
-
信道：信号的通道， 比如：双绞线、铜缆、光纤、卫星、空气等
-
点到点信道：信道直接连接两个端点，比如：家中计算机通过modem连接到电信公司端局
-
多点访问信道：多用户共享一根信道，比如：下图是以太网的典型拓扑，早期星型拓扑是集线器，现在几乎都是交换机，当使用集线器或交换机工作在半双工模式的时候，它的逻辑拓扑是总线式的，信道是共享的
常见的局域网拓扑： -
总线拓扑、星型拓扑、环型拓扑
-
共同点：共享一根信道（别称：广播信道、多路访问信道、随机访问信道）
-
广播信道面临的问题：可能两个（或更多）站点同时请求占用信道
-
解决办法：介质的多路访问控制。在多路访问信道上确定下一个使用者（信道分配）
-
怎么介质访问控制（分配信道）
- 静态分配
- 动态分配
-
静态分配方法：TDM、FDM
-
静态分配的排队论分析（M/M/1排队系统模型）
静态分配的特点：
二：多路访问协议
随机访问协议：冲突不可避免
受控访问协议：克服了冲突
有限竞争协议：利用上述二者的优势
2.1：随机访问
2.1.1：ALOHA
ALOHA协议由夏威夷大学Norman Abramson及他的同事设计，有两个版本：
- 纯ALOHA协议
- 分隙ALOHA协议
纯ALOHA协议：
- 原理：想发就发
- 特点
- 冲突：两个或以上的帧
- 随时可能冲突
- 冲突的帧完全破坏
- 破坏了的帧要重传
单向传播延迟Delay：D
冲突危险期：2D
纯ALOHA信道的利用率最高为18.4%
分隙ALOHA：
- 分隙ALOHA是把时间分成时隙（时槽）
- 时隙的长度对应一帧的传输时间
- 帧的发送必须在时隙的起点
- 冲突只发生在时隙的起点
冲突危险期：D
分隙ALOHA信道的利用率最高为36.8%
2.1.2：CSNA
载波侦听多路访问协议（Carrier Sense Multiple Access）
特点：“先听后发”
非持续式CSMA：
- 特点：
- ①经侦听，如果介质空闲，开始发送
- ②如果介质忙，则等待一个随机分布的时间，然后重复步骤①
- 好处：等待一个随机时间可以减少再次碰撞冲突的可能性
- 缺点：等待时间内介质上如果没有数据传送，这段时间是浪费的
持续式(指1-持续式)CSMA：
- 特点：
- ①经侦听，如介质空闲，则发送
- ②如介质忙，持续侦听，一旦空闲立即发送
- ③如果发生冲突，等待一个随机分布的时间再重复步骤①
- 好处：持续式的延迟时间要少于非持续式
- 主要问题：如果两个以上的帧等待发送，一旦介质空闲就一定会发生冲突
持续式(指P-持续式)CSMA：
- 特点：
- ①经侦听，如介质空闲，那么以 p 的概率发送，以(1–p)的概率延迟一个时间单元发送
- ②如介质忙，持续侦听，一旦空闲重复①
- ③如果发送已推迟一个时间单元，再重复步骤①
- 注意：1-持续式是p-持续式的特例
如侦听到介质上无数据发送才发送，发送后还会发生冲突吗？肯定会，有以下两种情形：
- （1）同时传送
- （2）传播延迟时间
传播延迟对载波侦听的影响：
冲突窗口
- 即发送站发出帧后能检测到冲突（碰撞）的最长时间
- 是一个时间区间，即可能侦听到发出的帧遭到冲突（碰撞）
- 数值上：等于最远两站传播时间的两倍，即2D（D是单边延迟），2D相当于1个来回传播延迟RTT：Round Trip Time
怎么能侦听到冲突：
CSMA/CD概念模型：
- 传输周期：一个站点使用信道，其他站点禁止使用
- 竞争周期：所有站点都有权尝试使用信道，争用时间槽
- 空闲周期：所有站点都不使用信道
各种CSMA的性能比较：
2.2：受控访问
2.2.1：位图协议
位图协议（预留协议）图示：
位图协议的信道利用率分析：
假设有N个用户，需N个时隙，每帧d比特
- 信道利用率
- 在低负荷条件下：d/(d+N) （N越大，站点越多，利用率越低）
- 在高负荷条件下：d/(d+1)，接近100%
- 缺点：位图协议无法考虑优先级
2.2.2：二进制倒计数
站点：编序号，序号长度相同
竞争期：有数据发送的站点从高序号到低序号排队，高者得到发送权
特点：高序号站点优先
二进制倒计数协议的信道效率分析：
2.2.3：令牌
令牌：发送权限
- 令牌的运行：发送工作站去抓取，获得发送权，除了环，令牌也可以运行在其它拓扑上，如令牌总线
- 发送的帧需要目的站或发送站将其从共享信道上去除；防止无限循环
- 缺点：令牌的维护代价
2.3：有限竞争
自适应树搜索协议，比喻：二战时美军士兵的病毒检测
自适应树搜索协议（Adaptive Tree Walk Protocol）
- 在一次成功传输后的第一个竞争时隙，所有站点同时竞争。
- 如果只有一个站点申请，则获得信道。
- 否则在下一竞争时隙，有一半站点参与竞争（递归），下一时隙由另一半站点参与竞争
- 即所有站点构成一棵完全二叉树
三：以太网
3.1：以太网的前世今生
3.2：经典以太网
3.3：交换式以太网
快速以太网：
千兆以太网：
万兆以太网：
40G-100G以太网：
3.4：以太网的未来
25/50G和第二代100G以太网：25G以太网标准（IEEE 802.3by）是由IEEE和IEEE-SA于2014年发布，该标准弥补了10G以太网的低带宽和40G以太网的高成本缺陷。25G以太网采用了25Gb/s单通道物理层技术，可基于4个25Gbps光纤通道实现100G传输。
2017年，由IEEE P802.3bs工作组使用与100GbE大致相似的技术开发的400GbE和200GbE标准获得批准。
- 保留以太网帧格式
- 保留以太网最小帧长和最大帧长
2020年，以太网技术联盟（Ethernet Technology Consortium）宣布开发800G以太网规范，以满足数据中心网络不断增长的性能需求
以太网联盟的2020技术路线图预计2020年-2030年之间，800Gbps和1.6Tbps的速度将成为IEEE标准。
四：数据链路层交换
4.1：数据链路层交换原理
物理层设备扩充网络——扩大了冲突域，性能降低，安全隐患
理想的网桥是透明的
- 即插即用，无需任何配置
- 网络中的站点无需感知网桥的存在与否
MAC地址表的构建-逆向学习源地址：
发送帧的站MAC地址被学习：
网桥构建MAC地址表的过程：
MAC地址表的构建
- 增加表项：帧的源地址对应的项不在表中
- 删除表项：老化时间到期
- 更新表项：帧的源地址在表中，更新时间戳
网桥通过逆向学习帧的源地址，获知主机所处的位置
网桥通过逆向学习帧的源地址，构建MAC地址表
网桥对于入境帧的处理过程（forwarding、filtering、flooding）
forwarding（转发）：
Filtering（过滤）：
Flooding（泛洪）：
两种目的地址的帧，需要泛洪：
- 广播帧：目的地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的数据帧
- 未知单播帧：目的地址不在MAC地址转发表中的单播数据帧
4.2：链路层交换机
执行数据链路层交换算法：
- 多端口透明网桥，网桥的现代名称
- 一种即插即用设备
PoE（Power over Ethernet）交换机）（PoE交换机并不常见）：
- 常接：网络摄像机、IP电话等
- 主要优点：无需电源（受电端）、无需专门布线
传统LAN分段
- 交换机端口通常与集线器连接；
- 使用交换机把LAN分段为更小的冲突域。
现代LAN分段：直连PC，微分段，创建无冲突域
交换方式：从带宽的角度
- 对称交换：出和入的带宽相同。例如：交换机上全为1000Mb/s速率端口
- 非对称交换：出和入的带宽不同。交换机上有100Mb/s、1000Mb/s等多种速率端口
交换模式：从转发时机的角度
- 存储转发模式（Store and Forward）
- 直通模式（Cut-through）
- 无碎片模式（Fragment-free）
交换模式1：存储转发：
- 特点：转发前必须接收整个帧、执行CRC校验
- 缺点：延迟大
- 优点：不转发出错帧、支持非对称交换
交换模式2：直通交换 - 特点：一旦接收到帧的目的地址，就开始转发
- 缺点：可能转发错误帧、不支持非对称交换
- 优点：延迟非常小，可以边入边出
交换模式3：无碎片交换 - 特点：接收到帧的前64字节，即开始转发
- 缺点：仍可能转发错误帧，不支持非对称交换
- 优点：过滤了冲突碎片，延迟和转发错帧介于存储转发和直通交换之间
4.3：虚拟局域网
交换机可以分隔广播域吗？
- 可以！支持VLAN的交换机
- 一个VLAN（Virtual LAN）是一个独立的广播域；
- 交换机通过划分VLAN，来分隔广播域。
VLAN是一个在物理网络上根据用途，工作组、应用等来逻辑划分的局域网络，与用户的物理位置没有关系。
通过路由器或三层交换机进行VLAN间路由，实现VLAN间通信。
VLAN类型
- 基于端口的VLAN（最常见）
- 基于MAC地址的VLAN
- 基于协议的VLAN
- 基于子网的VLAN
基于端口的VLAN
- 创建VLAN
- 指定成员端口
基于MAC地址的VLAN：
基于协议的VLAN：
基于IP子网的VLAN：
VLAN优点：
- 有效控制广播域范围：广播流量被限制在一个VLAN内；
- 增强网络的安全性：VLAN间相互隔离,无法进行二层通信,不同VLAN需通过三层设备通信；
- 灵活构建虚拟工作组：同一工作组的用户不必局限于同一物理范围；
- 提高网络的可管理性：将不同的业务规划到不同VLAN便于管理。
五：无线局域网
5.1：无限局域网概述
无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN)：指以无线信道作为传输介质的计算机局域网
设计目标：
- 针对小的覆盖范围（受限的发射功率）
- 使用无需授权的频谱（ISM频段)
- 面向高速率应用
- 能够支持实时和非实时应用
两个重要组织：IEEE 802.11工作组、Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance，WFA）
IEEE 802.11无线局域网发展历程：
5.2：无线局域网组网模式
无线局域网组网模式：基础架构模式与自组织模式（Ad hoc）
基础架构模式：
- 分布式系统（DS）
- 访问点（AP）
- 站点（STA）
- 基本服务集（BSS）
- 扩展服务集（ESS）
- 站点之间通信通过AP转发
自组织模式（Ad hoc）
- 站点（STA）
- 独立基本服务集（IBSS）
- 站点之间直接通信
- 共享同一无线信道
5.3：无线局域网体系结构
无线局域网需要解决的问题：
- 有限的无线频谱带宽资源
- 通道划分、空间重用
- 提高传输速率，解决传输问题
- 提高抗干扰能力和保密性
- 共享的无线信道
- 介质访问控制方法（CSMA/CA）
- 可靠性传输、安全性
- 组网模式管理
- BSS构建、认证、关联
- 移动性支持（漫游）
- 睡眠管理（节能模式）
如果有兴趣了解更多相关内容，欢迎来我的个人网站看看：瞳孔的个人空间