一、MAC地址/IP地址
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32位IP地址：
- 接口的網絡層地址
- 用於標識網絡層(第3層)分組， 支持分組轉發
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MAC地址 (或稱LAN地址，物理地址，以太網地址) :
- 作用：用於局域網內標識一個幀從哪個接口發出，到達哪個物理相連的其他接口；
- 48位MAC地址(用於大部分LANs)， 固化在網卡的ROM中，有時也可以軟件設置；
- e.g. 1A-2F-BB-76-09-AD（十六進制）。
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局域網中的每塊網卡都有一個唯一的MAC地址。
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MAC地址由IEEE統一管理與分配。
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網卡生產商購買MAC地址空間(前24比特)。
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類比：
- MAC地址: 身份證號
- IP地址: 郵政地址
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MAC地址是“平面”地址 → 可“攜帶”
- 可以從一個L .AN移到另一個LAN
IP地址是層次地址 → 不可“攜帶”
- IP地址依賴於結點連接到哪個子網
二、ARP協議（地址解析協議）
問題: (在同一個LAN內)如何在已知目的接口的IP地址前提下確定其MAC地址?
ARP表：LAN中的每個IP結點(主機、路由器)維護一個表
- 存儲某些LAN結點的IP/MAC地址映射關係: < IP地址; MAC地址; TTL>
- TTL (Time To Live): 經過這個時間以後該映射關係會被遺棄(典型值爲20min)
1. ARP協議：同一局域網內
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A想要給同一局域網內的B發送數據報；
- B的MAC地址不在A的ARP表中.
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A廣播ARP查詢分組，其中包含B的IP地址；
- 目的MAC地址= FF-FF-FF-FF-FF-FF
- LAN中所有結點都會接收ARP查詢
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B接收ARP查詢分組，IP地址匹配成功，向A應答B的MAC地址；
- 利用單播幀向A發送應答
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A在其ARP表中，緩存B的IP-MAC地址對，直至超時；
- 超時後，再次刷新
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ARP是“即插即用”協議: 結點自主創建ARP表，無需干預。
2. ARP協議：尋址（從一個LAN路由至另一個LAN）
通信過程：A通過路由器向B發送數據報
- 關注尋址：IP地址（數據報中）和MAC地址（幀中）
三、以太網（ETHERNET）
1. 地位：“統治地位”的有線LAN技術
- 造價低廉(NIC不足100.00)
- 應用最廣泛的LAN技術
- 比令牌局域網和ATM等，簡單、便宜
- 滿足網絡速率需求:10Mbps-10Gbps
2. 物理拓撲
- 總線(bus)：上世紀90年代中期前流行
- 所有結點在同一衝突域(collision domain) (可能彼此衝突)
- 同軸電纜
- 星型(star)：目前主流網絡拓撲
- 中心交換機(switch)
- 每個結點一個單獨衝突域(結點間彼此不衝突)
3. 不可靠、無連接服務
- 無連接(connectionless)：發送幀的網卡與接收幀的網卡間沒有“握手”過程。
- 不可靠(unreliable)：接收網卡不向發送網卡進行確認。
- 差錯幀直接丟棄，丟棄幀中的數據恢復依靠高層協議(e.g., TCP)，否則，發生數據丟失
- 以太網的MAC協議：採用二進制指數退避算法的CSMA/CD。
4. 幀結構
發送端網卡將IP數據報(或其他網絡層協議分組)封裝到以太網幀中：
- 前導碼(Preamble)(8B)：用於發送端與接收端的時鐘同步
- 目的MAC地址、源MAC地址(各6B)
- 類型(Type)(2B)：指示幀中封裝的是哪種高層協議的分組(如，IP數據報、Novell IPX數據報、Apple Talk數據報等)
- 數據(Data)(46-1500B)：指上層協議載荷。
- CRC(4B)：循環冗餘校驗碼。
5. 以太網交換機
- 鏈路層設備：
- 存儲-轉發以太網幀
- 檢驗到達幀的目的MAC地址，選擇性(selectively)向一一個或多個輸出鏈路轉發幀
- 利用CSMA/CD訪問鏈路，發送幀
- 透明(transparent)：主機感知不到交換機的存在。
- 即插即用(plug-and-play)
- 自學習(self-learning)：不需要配置。
交換機：多端口間同時傳輸
- 主機利用獨享(dedicated)鏈路直接連接交換機
- 交換機緩存幀
- 交換機在每段鏈路上利用CSMACD收發幀，但無衝突，且可以全雙工
- 每段鏈路一個獨立的衝突域
- 交換(switching): ’A-A’與‘B-B’的傳輸可以同時進行，沒有衝突
交換機轉發表：交換表
- 每個交換機有一個交換表，每個入口：主機的MAC地址，到達主機的接口，時間戳。
- 交換機通過自學習，獲知到達主機的接口信息。
幀過濾/轉發
交換機互聯
6. 交換機 Vs 路由器
兩者均爲存儲-轉發設備：
- 路由器：網絡層設備(檢測網絡層分組首部)；
- 交換機：鏈路層設備(檢測鏈路層幀的首部)。
二者均使用轉發表：
- 路由器：利用路由算法(路由協議)計算(設置)，依據IP地址；
- 交換機：利用自學習、泛洪構建轉發表，依據MAC地址。
7. 虛擬局域網(VLANs，VirtualLocal Area Networks)
- 支持VLAN劃分的交換機，可以在一個物理LAN架構上配置、定義多個VLAN；
- 流量隔離
- 動態成員：端口可以動態分配給不同的VLAN；
- 在VLAN間轉發：通過路由。
- 在實踐中，路由器和交換機集成在一起。
四、PPP協議（Point-to-Point Protocol，點對點協議）
1. 點對點數據鏈路控制
一個發送端，一個接收端，一條鏈路：比廣播鏈路容易
- 無需介質訪問控制(Media Access Control)
- 無需明確的MAC尋址
- e.g. 撥號鏈路, ISDN鏈路
常見的點對點數據鏈路控制協議:
- HDLC: High Level Data Link Control
- PPP：Point-to-Point Protocol
2. PPP設計需求[RFC 1557]
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組幀：將網絡層數據報封裝到數據鏈路層幀中
- 可以同時承載任何網絡層協議分組(不僅IP數據報)
- 可以向上層實現分用(多路分解)
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比特透明傳輸：數據域必須支持承載任何比特模式
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差錯檢測：(無糾正)
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連接活性(connection liveness)檢測：檢測、並向網絡層通知鏈路失效
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網絡層地址協商：端結點可以學習/配置彼此網絡地址
3. 無需支持的功能（由上層協議實現即可）
- 無需差錯糾正/恢復
- 無需流量控制
- 不存在亂序交付
- 無需支持多點鏈路
4. PPP數據幀
- 標誌(Flag)：定界符(delimiter) ，如果數據中也有這個標誌，再加一個標誌。
- 地址(Address)：無效(僅僅是一個選項)
- 控制(Control)：無效；未來可能的多種控制域
- 協議(Protocol)：上層協議(eg, PPP-LCP, IP, IPCP, etc)
- 信息(info)：：上層協議分組數據
- **校驗(check)：**CRC校驗，用於差錯檢測
5. PPP數據控制協議
在交換網絡層數據之前，PPP數據鏈路兩端必須：
- 配置PPP鏈路
- 最大幀長
- 身份認證(authentication)
- etc.
- 學習/配置網絡層信息
- 對於IP協議:通過交換IPCP協議(IP Control Protocol )報文(IP分組首部的“上層協議”字段取值: 8021)，完成IP地址等相關信息配置。
五、IEEE 802.11 無線局域網
1. 分類
802.11b
- 2.4-2.5GHz免費頻段(unlicensed spectrum)
- 最高速率: 11 Mbps
- 物理層採用直接序列擴頻(DSSS)技術
- 所有主機使用相同的碼片序列
802.11a
- 5-6 GHz頻段
- 最高速率: 54 Mbps
802.11g
- 2.4-2.5 GHz頻段
- 最高速率: 54 Mbps
802.11n:
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多天線(MIMO)
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2.4-2.5 GHz頻段
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最高速率: 600 Mbps
均使用CSMA/CA多路訪問控制協議；
均有基礎設施(基站)網絡模式和特定網(自組網)網絡模式。
2. 體系結構
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無線主機與基站通信
- 基站(base station) = 訪問點(access point-AP)
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基本服務集BSS(Basic Service Set)，也稱爲單元(cell)
3. 信道與AP關聯
- 802.11b: 2.4GHz-2 .485GHz頻譜劃分爲11個不同頻率的信道
- 每個AP選擇一個頻率(信道)
- 存在干擾可能：相鄰的AP可能選擇相同的信道!
- 主機：必須與某個AP關聯(associate)。
4. 802.11：多路訪問控制MAC協議——載波偵聽多路訪問/衝突避免（CSMA/CA）
- 避免衝突: 2+結點同時傳輸
- 802.11: CSMA-發送數據前監聽信道
- 避免與正在進行傳輸的其他結點衝突
- 802.11:不能像CSMA/CD那樣，邊發送、邊檢測衝突!
- 無線信道很難實現
- 無法偵聽到所有可能的衝突:隱藏站、信號衰落
- 目標：避免衝突——採用CSMA/CA（載波偵聽多路訪問/衝突避免）
- 基本思想：允許發送端“預約”(reserve)信道，而不是隨機發送數據幀，從而避免長數據幀的衝突。
- 數據幀MAC地址：802.11數據幀有4個地址字段。