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

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）
   

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）

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