ARP协议

MAC地址

IP地址:
• 接口的网络层地址
• 用于标识网络层(第3层)分组，支持分组转发
MAC地址(或称LAN地址,物理地址,以太网地址) :
• 作用：用于局域网内标识一个帧从哪个接口发出，到达哪个物理相连的其他接口
• 48位MAC地址(用于大部分LANs)，固化在网卡的 ROM中，有时也可以软件设置，e.g.: 1A-2F-BB-76-09-AD，局域网中的每块网卡都有一个唯一的MAC地址，在链路层只认MAC地址，不认IP地址（我的理解是，IP地址可以理解为辽宁省铁岭市象牙山村赵国强（尼古拉斯赵四），如果你要找这个IP，也就是这个人，那么IP地址可以将你引导到象牙山村，但你说IP地址赵国强没人认识，这就由路由器/交换机接口广播谁是赵国强，然后就有人回应我是我是，然后就找到了，赵国强告诉你他的MAC地址是赵四，以后直接找赵四就找到他了）

ARP地址解析协议

同一个局域网内
A想要给同一局域网内的B发送数据报，但B的MAC地址不在 A的ARP 表中，A广播ARP查询分组，其中包含B的IP地址，目的MAC地址 = FF-FF-FF-FF-FF-FF，LAN中所有结点都会接收ARP查询，B接收ARP查询分组，IP地址匹配成功，向A应答B的MAC 地址，利用单播帧向A发送应答，A在其ARP表中，缓存B的IP-MAC地址对，直至超时后（每个缓存的MAC地址都有生命期，到了生命期会删除），再次刷新，ARP是“即插即用”协议，结点自主创建ARP表，无需干预
在不同的局域网内
如下图所示，主机A要给主机B发送数据，但是A仅知道B的IP地址，并不知道B的MAC地址，然后A将数发给了A的默认网关，也就是R的左侧接口，然后根据路由器的转发表，将数据发送到了右侧接口，然后在局域网内进行广播，接下来和在同一个局域网内操作一样

交换机

链路层设备
• 存储-转发以太网帧
• 检验到达帧的目的MAC地址，选择性(selectively) 向一个或多个输出链路转发帧
• 利用CSMA/CD访问链路，发送帧，如下图所示，AA’之间和BB’之间发送数据没有冲突
透明(transparent)
• 主机感知不到交换机的存在
即插即用(plug-and-play)
自学习(self-learning)
当接收到一段数据帧，交换机会选择在转发表查找，如果没找到交换机就会向所有接口转发这段数据，也就是如果找不到MAC地址对应的接口，交换机就会向所有接口转发

虚拟局域网
通过交换机管理软件将不同端口隔离，比如将123和456隔离，从而使得1只能发给23，不能发给456
交换表
如下图所示，交换表初始为空，当A结点从接口1发送过来数据，交换机就会在交换表记录下1接口对应结点A的MAC地址
交换机.VS.路由器
两者均为存储-转发设备:
• 路由器: 网络层设备 (检测网络层分组首部)
• 交换机: 链路层设备 (检测链路层帧的首部)
二者均使用转发表:
• 路由器: 利用路由算法(路由协议)计算(设置), 依据IP地址
• 交换机: 利用自学习、泛洪构建转发表, 依据MAC地址
网络设备对比

以太网

物理拓扑结构

总线(bus): 上世纪90年代中期前流行，所有结点在同一冲突域(collision domain) (可能彼此冲突)
星型(star): 目前主流网络拓扑
• 中心交换机(switch)
• 每个结点一个单独冲突域(结点间彼此不冲突)

以太网服务

无连接(connectionless): 发送帧的网卡与接收帧的网卡间没有“握手”过程
不可靠(unreliable): 接收网卡不向发送网卡进行确认，差错帧直接丢弃，丢弃帧中的数据恢复依靠高层协议 (e.g., TCP)，否则，发生数据丢失
以太网的MAC协议: 采用二进制指数退避算法的CSMA/CD

以太网CSMA/CD算法

NIC从网络层接收数据报，创建数据帧。
监听信道：
• 如果NIC监听到信道空闲，则开始发送帧；
• 如果NIC监听到信道忙，则一直等待到信道空闲，然后发送帧。
NIC发送完整个帧，而没有检测到其他结点的数据发送，则NIC确认帧发送成功！
如果NIC检测到其他结点传输数据，则中止发送，并发送堵塞信号(jam signal)
中止发送后，NIC进入二进制指数退避：
• 第m次连续冲突后：
• 取n = Min(m, 10)
• NIC 从{0,1,2, …, 2n-1}中随机选择一个数K
• NIC等待K·512比特的传输延迟时间，再返回第2步
连续冲突次数越多，平均等待时间越长

以太网帧结构

前导码(Preamble)(8B):
• 7个字节的10101010，第8字节为10101011
• 用于发送端与接收端的时钟同步
目的MAC地址、源MAC地址(各6B):
• 如果网卡的MAC地址与收到的帧的目的MAC地址匹配，或者帧的目的MAC地址为广播地址(FF-FF-FF-FF-FF-FF)，则网卡接收该帧，并将其封装的网络层分组交给相应的网络层协议。
• 否则，网卡丢弃(不接收)该帧。
类型(Type)(2B): 指示帧中封装的是哪种高层协议的分组 (如，IP数据报、Novell IPX数据报、AppleTalk数据报等)
数据(Data)(46-1500B): 指上层协议载荷。
• R=10Mbps，RTTmax=512μs，Lmin / R = RTTmax
• Lmin=512bits=64B，Datamin=Lmin-18=46B
CRC(4B): 循环冗余校验码

802.11无线局域网

系列协议

## 信道与AP关联（手机搜wifi） 1. 被动扫描(scanning): • 各AP发送信标帧 • 主机(H1)向选择的AP发送关联请求帧 • AP向主机(H1)发送关联响应帧主动扫描: • 主机(H1)主动广播探测请求帧(Probe Request Frame) • AP发送探测响应帧(Probe Response Frame) • 主机(H1)向选择的AP发送关联请求帧 • AP向主机(H1)发送关联响应帧

CSMA/CA协议

伪代码：

	//802.11 sender
	if 监听到信道**空闲了DIFS时间**
		发送整个帧(无同时检测冲突，即CD)
	else if 监听到信道忙
		开始随机退避计时
		当信道空闲时，计时器倒计时
		当计时器超时时，发送帧
	if 没有收到ACK
		增加随机退避间隔时间
		重复第2步
	//802.11 receiver
	if 正确接收帧
		**延迟SIFS时间**后，向发送端发送ACK (由于存在隐藏站问题)

允许主机预约信道
基本思想：允许发送端“预约”(reserve)信道，而不是随机发送数据帧，从而避免长数据帧的冲突
• 发送端首先利用CSMA向BS发送一个很短的RTS (request-to-send)帧
• RTS帧仍然可能彼此冲突 (但RTS帧很短)
• BS广播一个CTS(clear-to-send)帧作为对RTS的响应
• CTS帧可以被所有结点接收，消除隐藏站影响（告诉其他主机信道被预约了），发送端可以发送数据帧，其他结点推迟发送