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2.3、多种局域网协议及技术.md
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2.3、多种局域网协议及技术.md
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# 以太网及交换机
* LAN: Local Area Network
* 将物理位置邻近的计算机连接起来，资源共享和信息交换，地理范围和主机数目均有限
## 以太网
* 以太网是目前为止最流行的有线局域网
* 第一个广泛部署的高速局域网
* 相比令牌环网，FDDI，ATM，组网简单，设备较为便宜
* 以太网不断提高数据率，以太网交换机的出现，进一步提高了有效数据率
* 物理拓扑
* 总线(bus): 上世纪90年代中期前流行
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20210112193046618.png" alt="image-20210105000457799" width="20%"/>
* 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
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* 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)
* 不可靠、无连接服务
* 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**
* 1、NIC从网络层接收数据报，创建数据帧。
* 2、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。
* 3、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！
* 4、如果NIC检测到其他结点传输数据，则中止发送，并发送干扰信号 (jamsignal)
* 5、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, …, $2^n -1$}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**
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* 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。
* 10base-5网络中：R=10Mbps，$RTT_{max}$ =512μs，$L_{min}$ / R =$RTT_{max}$
因为要符合最短帧长，所以 $L_{min}$ = 512bits=64B，$Data_{min}$ = $L_{min}$ -18=46B
* CRC (4B):
* 循环冗余校验码
* 丢弃差错帧
## 交换机
以太网交换机
* 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
* 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)
* 交换机无需配置
多端口间同时传输
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* 主机利用独享(dedicated)链路直接连接交换机
* 交换机缓存帧
* 交换机在每段链路上利用CSMA/CD收发帧，但无冲突，且可以全双工
* 每段链路一个独立的冲突域
* 交换(switching): A-A’与B-B’的传输可以同时进行，没有冲突
交换表
* 每个交换机有一个交换表(switch table)：(主机的MAC地址, 到达主机的接口, 时间戳)
* 自学习
* 交换机通过自学习，获知到达主机的接口信息
* 当收到帧时，交换机“学习”到发送帧的主机（通过帧的源MAC地址），位于收到该帧的接口所连接的LAN网段
* 将发送主机MAC地址/接口信息记录到交换表中
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/2021011219321937.png" alt="image-20210105001207513" width="20%" />
帧过滤/ 转发
* 当交换机收到帧
* 记录帧的源MAC地址与输入链路接口
* 利用目的MAC地址检索交换表
```
if 在交换表中检索到与目的MAC地址匹配的入口(entry)
then {
if 目的主机位于收到帧的网段
then 丢弃帧
else 将帧转发到该入口指向的接口
}
else 泛洪(flood) /* 向除收到该帧的接口之外的所有接口转发 */
```
* 自学习与转发过程举例（如上表）
* 目的MAC地址A’，位置未知：泛洪
* 目的MAC地址A，位置已知：选择性转发
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(每个新上线节点根据 OSPF 协议都会发送 HELLO 报文)
* 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
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20210112193243967.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="image-20210105001925249" width="40%" />
# 其他局域网
## 无线局域网
### IEEE 802.11
分类
* 802.11b
* 2.4-2.5GHz免费频段 (unlicensed spectrum)
* 最高速率：11 Mbps
* 物理层采用直接序列扩频(DSSS)技术
* 所有主机使用相同的码片序列
* 802.11a
* 5-6 GHz频段
* 最高速率：54 Mbps
* 802.11g
* 2.4-2.5 GHz频段
* 最高速率：54 Mbps
* 802.11n: 多天线(MIMO)
* 2.4-2.5 GHz频段
* 最高速率：600 Mbps
异同
* 均使用CSMA/CA 多路访问控制协议
* 均有基础设施( 基站) 网络模式和特定网( 自组网) 网络模式
* 对比
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20210112193306255.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="image-20210105003305904" width="50%" />
体系结构
* 无线主机与基站通信
* 基站(base station) = 访问点(access point-AP)
* 基本服务集BSS(Basic Service Set) ，也称为单元(cell)
* 基础 设施网络式 模式：无线主机、AP（基站）
* 自组网(ad hoc) 模式：只有主机
信道与AP 关联
* 802.11b: 2.4GHz-2.485GHz频谱划分为11个不同频率的信道
* 每个AP选择一个频率(信道)
* 存在干扰可能: 相邻的AP可能选择相同的信道！
* 主机: 必须与某个AP关联(associate)
* 扫描信道，监听包含AP名称(服务集标识符-SSID )和MAC地址的信标(beacon)帧
* 选择一个AP进行关联
* 可能需要进行身份认证
* 典型情形：运行DHCP获取IP地址等信息
* 被动扫描与主动扫描
* 被动扫描(scanning):
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20210112193332862.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="image-20210105004048150" width="30%" />
* 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:
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20210112193407297.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="image-20210105004108039" width="30%" />
* 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
**帧格式**
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20210112193428168.png" alt="image-20210105012054392" width="50%" />
* 帧主体就是 IP 数据报
* 802.11数据帧有4个地址字
* 地址 4 用于自组网络
* 地址1~地址3：
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20210112193451114.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_7" alt="image-20210105011719816" width="40%" />
* 传送过程
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20210112193519463.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="image-20210105011937186" width="40%" />
### CSMA/CA
多路访问控制
* 避免冲突: 2 + 结点同时传输
* 802.11: CSMA – 发送数据前监听信道
* 避免与正在进行传输的其他结点冲突
* 802.11: 不能像CSMA/CD那样，边发送、边检测冲突！
* 无线信道很难实现（有线通过监测信号强度）
* 无法侦听到所有可能的冲突：隐藏站、信号衰落
* 目标: 避免冲突(avoid collisions)-CSMA/C(ollision)A(voidance)
CSMA 实现
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20210112193543105.png" alt="image-20210105010006206" width="20%" />
* 802.11 sender
* ```
1、if 监听到信道空闲了DIFS 时间
then 发送整个帧(无同时检测冲突，即CD)
```
* ```
2、if 监听到信道忙
then 执行退避算法，在此期间继续侦听信道
当信道空闲时，计时器倒计时
退避值减到0（信道空闲），发送帧
if 没有收到ACK
then 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)
```
CA（冲突避免） 实现
* 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AP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)
* AP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
* 发送端可以发送数据帧
* 其他结点推迟发送
* 冲突避免(CA): RTS-CTS 交换
* 利用很小的预约帧彻底避免了数据帧冲突
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20210112193609211.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="image-20210105010418311" width="40%" />
## 虚拟局域网
动机
* 考虑一下情形:
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20210112193830597.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="image-20210105013100168" width="30%"/>
* CS用户迁移到EE，但是希望连接至CS交换机，怎么办？
* 单一广播域 :
* 所有第2层广播流量(ARP,DHCP, 未知目的MAC地址位置)必须穿越整个LAN
* 安全/隐私、效率问题
虚拟局域网(Virtual Local Area Network)
* 支持VLAN 划分的交换机 ， 可以在一个物理 理LAN 架构上配置 、定义多个VLAN
基于端口的VLAN
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20210112193853517.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="image-20210105013556724" width="30%" />
* 流量隔离(traffic isolation):去往/来自端口1-8的帧只到达端口1-8
* 也可以基于MAC地址定义VLAN, 而不是交换端口
* 动态成员: 端口可以动态分配给不同VLAN
* 在VLAN间转发: 通过路由(就像在独立的交换机之间)实践中，厂家会将交换机与路由器集成在一起
跨越多交换机的VLAN
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20210112193916106.png" alt="image-20210105013700777" width="50%" />
* 多线缆连接
* 每个线缆连接一个VLAN
* 中继端口(trunk port): 在跨越多个物理交换机定义的VLAN承载帧
* 为多VLAN转发802.1帧容易产生歧义 (必须携带VLAN ID信息)
* 802.1q协议为经过中继端口转发的帧增加/去除额外的首部域
802.1Q VLAN帧格式
<img src="开发.assets/image-20210105013730096.png" alt="image-20210105013730096" width="40%" />