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
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    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)
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  • 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)
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    静态分配的特点:
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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
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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
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      单向传播延迟Delay:D
      冲突危险期:2D
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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

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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”
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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:
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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

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怎么能侦听到冲突:
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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

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各种CSMA的性能比较:
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2.2:受控访问

2.2.1:位图协议

位图协议(预留协议)图示:
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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
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二进制倒计数协议的信道效率分析:
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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

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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
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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
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三:以太网

3.1:以太网的前世今生

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3.2:经典以太网

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在这里插入图片描述
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3.3:交换式以太网

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快速以太网:
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千兆以太网:
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万兆以太网:
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40G-100G以太网:
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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。
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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
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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:
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发送帧的站MAC地址被学习:
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网桥构建MAC地址表的过程:
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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)
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Filtering(过滤)
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Flooding(泛洪)
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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

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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。

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现代LAN分段:直连PC,微分段,创建无冲突域
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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

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交换模式:从转发时机的角度

  1. 存储转发模式(Store and Forward)
  2. 直通模式(Cut-through)
  3. 无碎片模式(Fragment-free)
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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
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    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
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    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
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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。
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通过路由器或三层交换机进行VLAN间路由,实现VLAN间通信。
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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
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    基于MAC地址的VLAN:
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    基于协议的VLAN:
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基于IP子网的VLAN:
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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:
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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

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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

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5.3:无线局域网体系结构

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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)

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