prefacio

En una LAN conmutada , todos los sitios están conectados a un concentrador de conmutación o conmutador LAN. Un concentrador de conmutación o un conmutador LAN tiene una función de conmutación. Cuando las estaciones de trabajo necesitan comunicarse, un concentrador de conmutación o un conmutador LAN puede conectar muchos puertos al mismo tiempo y coordinar estas estaciones de trabajo para que cada par de puertos pueda transmitir datos sin conflicto como si fuera un medio de comunicación exclusivo.

Direccionamiento de capa de enlace y ARP

MAC

Sabemos que los hosts, enrutadores y enrutadores tienen direcciones de capa de enlace. De hecho, son sus adaptadores los que tienen direcciones de capa de enlace. Por lo tanto, un host o enrutador con múltiples interfaces de red tendrá múltiples direcciones de capa de enlace correspondientes. Pero los conmutadores de capa de
enlace no tienen direcciones de capa de enlace correspondientes a sus interfaces, porque la tarea del conmutador es transportar datagramas entre el host y el enrutador y realizar esta tarea de forma transparente, sin que el host o el enrutador tengan que dirigirse explícitamente al conmutador intermedio, entonces el El conmutador, naturalmente, no necesita el atributo de la dirección de la capa de enlace.

Hay muchas formas de referirse a las direcciones de la capa de enlace: dirección LAN, dirección física o dirección MAC . Entre ellas, la dirección MAC es la más popular. La dirección MAC
tiene 6 bytes de longitud y hay 2⁴⁸ direcciones MAC posibles en total. Las direcciones suelen estar en notación hexadecimal, es decir, cada byte se representa como un par de números hexadecimales. Aunque la dirección MAC está diseñada para ser permanente, es posible cambiar la dirección MAC de un adaptador en el software.

Algunas propiedades de las direcciones MAC

No hay dos adaptadores que tengan la misma dirección MAC y IEEE administra el espacio de direcciones MAC para garantizar esta propiedad. Cuando una empresa quiere producir un adaptador, necesita comprar un espacio de direcciones que consta de 24 direcciones y luego la propia empresa genera una combinación única de los últimos 24 bits para cada adaptador ^.
La dirección MAC tiene una estructura plana (a diferencia de una estructura jerárquica) y no cambia sin importar dónde se use el adaptador. Por ejemplo, una computadora portátil con una interfaz Ethernet siempre tiene la misma dirección MAC, sin importar dónde se encuentre la computadora. . Por el contrario, la dirección IP tiene una estructura jerárquica, es decir, la parte de la red más la parte del host, y cuando el host se mueve, su dirección IP debe cambiar, es decir, cambiar la red a la que está conectado.

Envío y recepción de tramas

Cuando un adaptador quiere enviar una trama a algún adaptador de destino, el adaptador de envío inserta la dirección MAC del adaptador de destino en la trama y envía la trama a la LAN.

Un adaptador puede recibir una trama que no está dirigida a él porque un conmutador ocasionalmente transmite una trama entrante a todas sus interfaces. Entonces, cuando el adaptador recibe una trama, verificará si la dirección MAC de destino en la trama coincide con su propia dirección MAC. Si coincide, extraerá el datagrama encapsulado y lo pasará a la pila de protocolos; si no coincide, lo descartará el marco

Cuando el adaptador emisor realmente quiere que todos los demás adaptadores de la LAN reciban y procesen la trama que está a punto de enviar, inserta una dirección de transmisión MAC especial (FF-FF-FF-FF-FF) en el campo de destino de la trama. -FF)

¿Por qué las interfaces de host y enrutador tienen direcciones MAC además de direcciones de capa de red?

Primero, las LAN están diseñadas para cualquier protocolo de red, no solo IP e Internet. Si al adaptador se le asigna solo una dirección IP y ninguna dirección MAC "neutral", el adaptador no admitirá fácilmente otros protocolos de capa de red.
En segundo lugar, si el adaptador usa una dirección de capa de red en lugar de una dirección MAC, su dirección de capa de red debe almacenarse en la RAM del adaptador y reconfigurarse cada vez que se mueve el adaptador; otra opción es no usar ninguna dirección en el adaptador. El problema con hacer que el adaptador pase cada datagrama que recibe y dejar que la capa de red verifique que las direcciones de red coincidan, es que el host será interrumpido por cada trama enviada en la LAN, incluso si el destino está en la misma LAN de transmisión. nodos de
En resumen, la especificación requiere que para que cada capa de la arquitectura de red se convierta en bloques de construcción extremadamente independientes, las diferentes capas deben tener su propio esquema de direccionamiento.

Protocolo de resolución de direcciones ARP

Protocolo de resolución de direcciones ( $Dirección\ Resolución\ Protocolo$ convertir entre una dirección de capa de red, como una dirección IP, y una dirección de capa de $enlace$ $,$ $que$ $es$ $una$ $dirección$ $MAC$ $.$

En la misma subred , si el host de origen desea enviar un datagrama al host de destino, el origen debe proporcionar no solo el datagrama IP sino también la dirección MAC del host de destino a su adaptador, y luego el adaptador de envío puede construir un paquete. que contiene el destino.marco de capa de enlace con la dirección MAC y lo envía a la LAN.
Entonces, el problema aquí es cómo determinar la dirección MAC del host de destino: el módulo ARP del host de origen tomará como entrada cualquier dirección IP en el misma LAN y luego devolverá el correspondiente. Específicamente, cada host o enrutador tiene una , y esta tabla contiene la relación de mapeo de la dirección IP a la dirección MAC
en su memoriatabla ARP Además de estos dos campos, cada registro de la tabla también contiene un valor TTL de por vida, que indica el momento en que se elimina cada asignación de la tabla. El tiempo de caducidad habitual de una entrada de la tabla es de 20 minutos desde el momento en que se coloca en una tabla ARP.

Cuando un host necesita enviar un datagrama a otro host o enrutador en esta subred, necesita obtener la dirección MAC del host de destino con una dirección IP determinada.
Si la tabla ARP del remitente tiene una entrada correspondiente al nodo de destino, entonces El El valor de esta dirección MAC se puede obtener directamente
. Si no hay una entrada correspondiente en la tabla, en este caso, el remitente utilizará el protocolo ARP para resolver la dirección:

Primero, el remitente construye un paquete especial llamado paquete ARP . Un paquete ARP tiene varios campos, incluida la dirección IP y la dirección MAC de los hosts emisor y receptor. Los paquetes de consulta ARP y los paquetes de respuesta tienen el mismo formato.
Luego, el remitente pasa el paquete de consulta ARP a su adaptador, indicando que el adaptador debe usar la dirección de transmisión MAC para enviar el paquete.
Luego, el adaptador encapsula el paquete ARP en la capa de enlace, utiliza la dirección de transmisión como dirección de destino de la trama y transmite la trama a la subred.
La trama que contiene la consulta ARP puede ser recibida por todos los demás adaptadores de la subred. La recepción no significa recepción, pero debido a la función de la dirección de transmisión, cada adaptador recibirá y pasará el paquete ARP en la trama hacia arriba al módulo ARP. .
Cada módulo ARP verifica si su dirección IP coincide con la dirección IP de destino en el paquete ARP. El que coincida enviará de vuelta un paquete de respuesta ARP con la asignación deseada al host que realiza la consulta.
El host que realiza la consulta puede luego actualizar su tabla ARP y enviar sus datagramas de acuerdo con el mapeo.

Enviar datagrama fuera de la subred

Para enviar un datagrama con una dirección de destino en una subred diferente, primero se debe enviar el datagrama al enrutador de primer salto, encontrar la dirección MAC correspondiente a la IP del enrutador a través del protocolo ARP y luego enviar la trama que contiene el datagrama. al enrutador.

El enrutador encuentra la interfaz para reenviar el datagrama consultando la tabla de reenvío y envía el datagrama al enrutador de la subred de destino a través de uno o más reenvíos. Luego, el enrutador encuentra la dirección MAC de la dirección IP de destino del datagrama a través de ARP y lo reenvía. al destino. El host IP es suficiente

Ethernet

La tecnología Ethernet proporciona servicios sin conexión y servicios no confiables a la capa de red. Solo realiza verificaciones CRC en las tramas y no envía una trama de reconocimiento cuando la trama pasa la verificación. Cuando la trama no pasa la verificación, no se produce ningún reconocimiento negativo. descartar el marco. Por lo tanto, el adaptador emisor no sabe si la trama que transmite ha llegado al adaptador receptor y si ha pasado la verificación CRC.

La entrega confiable de datos solo puede garantizarse mediante el protocolo de capa superior, como la capa de transporte que utiliza el protocolo TCP. En este caso, los datos faltantes o descartados llegarán nuevamente al adaptador receptor. En este sentido, Ethernet sí retransmite los datos. , aunque no sabe si está transmitiendo un datagrama nuevo o un datagrama que ha sido transmitido al menos una vez.

estructura del marco

El curso de vida de una trama es aproximadamente el siguiente: el adaptador del host que envía la trama encapsula un datagrama IP en una trama Ethernet y pasa la trama a la capa física; el adaptador receptor recibe la trama de la capa física y extrae la trama. Informe de datos IP y pase el datagrama IP a la capa de red

ilustración

Datos : este campo tiene una longitud de 46 ~ 1500 bytes y contiene el datagrama IP.

La unidad de transmisión máxima MTU de Ethernet es de 1500 bytes, lo que significa que la longitud máxima del datagrama IP solo puede alcanzar los 1500 bytes, si excede los 1500 bytes, el host debe fragmentar el datagrama.

Si la longitud del datagrama IP es inferior a 46 bytes, se debe rellenar a 46 bytes. Cuando se utiliza el relleno, los datos pasados a la capa de red contendrán el datagrama IP y la parte de relleno. La capa de red utiliza el encabezado del datagrama IP. Campo de longitud para eliminar el relleno
Dirección de destino : este campo tiene 6 bytes de longitud y contiene la dirección MAC del adaptador de destino y, por supuesto, la dirección de transmisión. Si la dirección de destino de la trama recibida por el adaptador receptor es su propia dirección MAC o dirección de transmisión, pasará el contenido del campo de datos de la trama a la capa de red; si es cualquier otra dirección MAC, la trama será descartado.
Dirección de origen : la misma longitud de 6 bytes, el contenido es la dirección MAC del adaptador de envío
Tipo : longitud de 2 bytes, este campo permite que Ethernet multiplexe múltiples protocolos de capa de red. Un host puede admitir múltiples protocolos de capa de red. Por lo tanto, cuando una trama llega a un adaptador receptor, el adaptador necesita saber a qué protocolo de capa de red desea pasar el campo de datos de la trama. IP y otros protocolos de capa de red tienen los suyos propios. escriba números. . Si la trama entrante contiene un paquete ARP, es decir, el valor del campo tipo es 0806 en hexadecimal, el paquete ARP se descompondrá en el protocolo ARP.

Este tipo de campo es similar al campo de protocolo en el datagrama de la capa de red y al campo de número de puerto en el segmento de la capa de transporte. Todos están diseñados para combinar un determinado protocolo en una capa con un determinado protocolo en la siguiente capa.
CRC : longitud 4 bytes El propósito de la detección de redundancia cíclica es permitir que el adaptador receptor detecte si se han introducido errores de bits en la trama.
Preámbulo : La trama Ethernet comienza con un campo de preámbulo de 8 bytes. Los primeros 7 bytes del código de sincronización son todos 10101010 y el último byte es 10101011.

Los primeros 7 bytes se utilizan para "despertar" los adaptadores de recepción y sincronizar sus relojes con el reloj del remitente. Debido a que es difícil para el adaptador de envío transmitir tramas a la velocidad nominal exacta, siempre hay cierta desviación en relación con la velocidad nominal. , y LAN Otros adaptadores en la red ciertamente no tienen forma de conocer esta deriva de antemano. Al bloquear los primeros 7 bytes del preámbulo, el adaptador receptor puede bloquear el reloj del adaptador transmisor.

Los dos últimos bits del código de sincronización se utilizan para indicarle al adaptador receptor que viene el "contenido importante", es decir, otras partes de datos.

LAN virtual

Con el desarrollo de las LAN conmutadas, se ha hecho posible que todos los hosts de la misma LAN estén interconectados. La ventaja es que cualquier host puede comunicarse directamente con otros hosts. La desventaja es la falta de aislamiento del tráfico . debe enviarse a través de toda la red de la organización a Para cada host, esto generará una gran cantidad de tráfico de transmisión y afectará el rendimiento de la LAN; lo que es más importante, es por motivos de seguridad o privacidad limitar el tráfico de transmisión de la LAN y prohibir la comunicación aleatoria entre cualquier host.

Las LAN virtuales pueden solucionar este problema. Los conmutadores habilitados para VLAN permiten definir varias LAN virtuales en una única infraestructura de LAN física. Los hosts en una VLAN se comunican entre sí

En la VLAN basada en puertos, el administrador de la red divide los puertos del switch en grupos. Cada grupo forma una VLAN. Los puertos en cada VLAN forman un dominio de transmisión. El tráfico de transmisión desde un determinado puerto solo puede llegar a este grupo. En otros puertos , las tramas enviadas entre diferentes grupos están aisladas entre sí. Además, en este caso, incluso los hosts de diferentes grupos se pueden conectar al mismo conmutador sin temor a que el tráfico se propague entre sí, lo que mejora la tasa de utilización de un único conmutador.

En el caso de este aislamiento entre grupos, cómo lograr la comunicación entre diferentes grupos. Una forma es conectar un puerto del conmutador VLAN a un enrutador externo. Los datagramas que un grupo quiere enviar a otro grupo primero llegan al enrutador a través de su propia VLAN, y luego el enrutador reenvía la VLAN a través de otro grupo para llegar a otro grupo. anfitrión de destino en el grupo

Otro problema es cómo comunicarse entre diferentes conmutadores, la solución a este problema es VLAN $VLAN\ Trunking$ , un puerto especial en cada conmutador se configura como un puerto troncal y diferentes conmutadores utilizan puertos troncales para conectar líneas troncales para la interconexión. Este puerto troncal pertenece a todas las VLAN y las tramas enviadas a cualquier VLAN se reenvían a otros conmutadores a través del enlace troncal.

[Red informática] -LAN conmutada por capa de enlace