網絡學習筆記(數據鏈路層2)

“名字指出我們所要尋找的資源,地址指出那個資源在何處,路由告訴我們如何到達該處。”

嚴格來說,“以太網”指符合DIX Ethenet V2標準的局域網。但1983年IEEE在前者基礎上制定的802.3以太網標準與其只有很小的差別,因此一般不嚴格區分它們。

當初爲了使數據鏈路層更好的適應多種局域網標準,IEEE 802委員會就把局域網的數據鏈路層拆成兩個子層:邏輯鏈路控制LLC(Logical Link Control)子層和媒體介入控制MAC(Medium Access Control)子層。但隨着時代的發展,TCP/IP體系經常使用的局域網只剩下DIX Ethenet V2,802.3中制定的LLC作用已經消失了,現在大多適配器上僅裝有MAC協議。

計算機與外界局域網的鏈接是通過通信適配器(常說的網卡)。適配器的而一個重要功能就是要進行數據串行傳輸(適配器和局域網之間的通信)和並行傳輸(適配器和計算機之間)的轉換。能對數據進行緩存,還要能夠實現以太網協議。
計算機的硬件地址在適配器的ROM中,而軟件地址——IP地址在存儲器中。

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection):載波監聽多點接入/碰撞檢測。使用該協議的以太網智能進行半雙工通信。

  • 多點接入說明是總線型網絡。協議實質是載波監聽碰撞檢測
  • 載波監聽就是利用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機發送的數據信號;
  • 碰撞檢測就是“邊發送邊監聽”,檢測信道上的電壓變化,判斷是否有其他站也在發送數據。

如果記兩個端點在總線上單程端到端傳播時延爲τ,在發送數據幀後最多2τ 時間就可以知道所發送的數據幀是否遭遇了碰撞。這個2τ 被稱爲爭用期,又稱爲碰撞窗口。經過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞,才能肯定這次發送不會發送碰撞。
以太網使用截斷二進制指數退避(truncated binary exponential backoff)算法來處理碰撞問題:

  1. 確定基本退避時間,就是爭用期,以太網定爲51.2μs 。對於10Mb/s以太網,爭用期內可發送512bit,即64字節,也就是說爭用期爲512比特時間;
  2. 從離散的集合[0,(2k1)] 中隨機取出一個整數記爲r,重傳退後r倍退避時間,k=Min[退,10]
  3. 重傳達到16次仍不能成功時(這表明同時打算髮送數的站太多),則丟棄該幀並報告。
  4. 適配器每發送一個新的幀,就要執行一次CSMA/CD算法。
  5. 如果發生衝突,一定是發送的前64字節內。因此以太網規定了最短有效幀長爲64字節。凡長度小於64字節的幀都是由於衝突而異常終止的無效幀。
  6. 強化碰撞:一旦發現發生了碰撞,除了停止發送外,還要繼續發送32或48比特的人爲干擾信號,以便讓所有用戶都知道已經發生了碰撞。

MAC層
局域網中,硬件地址又稱爲物理地址MAC地址。嚴格的說,這個“地址”是每一個站(適配器)的標識符。現在局域網適配器實際上使用的都是6字節的MAC地址。
IEEE的註冊管理機構RA(Registration Authority)是法定管理機構,負責分配地址前3個字節,稱爲組織唯一標識符OUI(Organizationally Unique Identifier),也叫公司標識符(一個公司可能有幾個OUI,也可能是幾個小公司合起來購買一個OUI)。地址後三個字段由廠家指派,稱爲擴展標識符。用這種方式得到48位地址稱爲MAC-48,通用名稱EUI-48(Extened Unique Identifier)
以太網MAC幀格式
當數據字段小於46字節時,MAC子層會在數據字段後面加入一個整數字字節的填充字段,保證MAC幀長不小於64字節。
實際傳送的數據要比MAC多8個字節,前7個字節叫前同步碼(0和1交替),接下來是幀開始定界符。
MAC幀的FCS字段檢驗範圍不包括前同步碼和幀開始定界符。
以太網在傳送時,各幀之間必須有一定的間隙。這樣,一般不需要使用幀結束定界符,也不需要字節插入來保證透明傳輸。

在數據鏈路層擴展以太網要使用網橋,網橋在轉發幀時,不改變幀的源地址。它有以下優缺點:

  1. 過濾通信量,增大吞吐量;
  2. 擴大了物理範圍;
  3. 提高了可靠性;
  4. 可互連不同的物理層、不同MAC子層和不同速率。

缺點:

  1. 增加了時延;
  2. 由於MAC層沒有流量控制,當網絡負荷很重時,網橋緩存可能溢出,導致幀丟失;
  3. 用戶較多的以太網中可能產生廣播風暴

網橋和集線器的重要區別:網橋是按存儲轉發方式工作的,一定是先把整個幀收下來再進行處理而不管其目的地址是什麼。但集線器或轉發器是逐個比特轉發。

在網絡轉發表中寫入的信息除了地址和接口外,還有幀進入該網橋的時間,以保證轉發表能反映最新的拓撲狀態。

以太網交換機工作在數據鏈路層,實質上是一個多借口的網橋。轉發器和集線器工作在物理層。

虛擬局域網VLAN是由一些局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組。VLAN只是局域網給用戶提供的一種服務。
VLAN示意圖

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