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计算机网络学习

2016-07-16 20:51 253 查看
2016-07-16第三章 数据链路层

一、点对点信道的数据链链路层

数据链路层协议的三个基本问题：

1、封装成帧（在数据的前后分别添加首部和尾部）

2、透明传输（不管从键盘上输入什么字符都可以放在帧中传输过去）

3、错检测（循环冗余检验CRC）

二、PPP

PPP协议的帧格式

1、字段意义

7EFF037E
标志地址控制协议域信息域校验标志
1B1B1B2B缺省1500B2B1B
2、字节填充

(1)、把信息字段中出现的每一个0x7E字符转变成2个字节序列(0x7D,0x5E)

(2)、若信息字段中出现一个0x7D的字节(即出现了和转义字符相同的比特组合)，则把0x7D转义成2个字节序列(0x7D,0x5D).

(3)、若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。

3、零比特填充

PPP协议的工作状态

链路静止、链路建立、鉴别、网络层协议、链路打开、链路终止。

2016-07-17三、使用广播信道的数据链路层

1、局域网

a.两个标准：逻辑链路控制LLC/媒体接入控制MAC

b.适配器

2、CSMA/CD协议

a.通信方式：无连接工作方式、使用曼彻斯特编码的信号

b.协调方法：CSMA/CD（载波监听多点接入/碰撞检测）



截断二进制指数退避算法：

i.确定基本退避时间，它就是争用期。以太网把争用期定为51.2us。对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。也可以说争用期是512比特时间。1比特时间就是发送1比特所需要的时间。所以这种时间单位与数据率密切相关。

ii.从离散的整数集合[0,1,…,(2^k-1)]中随机取出一个数，记为r。重传应推后的时间就是r倍的争用期。上面的参数k按下面的公式计算：

k=Min[重传次数，10]

可见当重传次数不超过10时，参数k等于重传次数;但当重传次数超过10时，k就不在增大而一直等于10。

iii.当重传达16次仍不能成功时(这表明同时打算发送的数据站太多，以致连续发生冲突)，则丢弃该，并向高层报告。

例如，在第1次重传时，k=1，随机数r从整数{0,1}中选一个数。因此重传推迟的时间是0或争用期，在这两个时间中随机选择一个。若再发生碰撞，则重传时，k=2，随机数r就从整数{0,1,2,3}中选一个数。因此重传推迟的时间是在0,2 ,4 和6 这4个时间中随机抽取一个。同样，若在发生碰撞，则重传时k=3，随机数r就从整数{0,1,2,3,4,5,6,7}中选一个数。以此类推。

若连续多次发生冲突，就表明可能有较多的站参与争用信道。但使用退避算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数而增大（这也称为动态退避），因而减小发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定。

强化碰撞：

以太网规定帧间最小间隔为9.6μs

2016-07-23 四、使用广播信道的以太网

1、使用集线器（hub）的星型拓扑

2、以太网的利用率

3、以太网的MAC层

a.MAC地址：固化在适配器的ROM中的地址

MAC地址也叫物理地址、硬件地址或链路地址，由网络设备制造商生产时写在硬件内部。这个地址与网络无关，也即无论将带有这个地址的硬件(如网卡、集线器、路由器等)接入到网络的何处，它都有相同的MAC地址，MAC地址一般不可改变，不能由用户自己设定。

MAC地址的长度为48位(6个字节)，通常表示为12个十六进制数，每两个十六进制数之间用冒号隔开，如AA:BB:CC:DD:EE:FF就是一个MAC地址，其中前6位十六进制数08:00:20代表网络硬件制造商的编号，它由IEEE分配，而后3位十六进制数0A:8C:6D代表该制造商所制造的某个网络产品(如网卡)的系列号。每个网络制造商必须确保它所制造的每个以太网设备都具有相同的前三字节以及不同的后三个字节。这样就可保证世界上每个以太网设备都具有惟一的MAC地址。

b.MAC帧的格式



(1) 前导码：由7个8位字节组成，用于确保接收端的接收比特同步。前导码的56位比特序列是101010…10。

(2) 帧前定界符SFD：由一个8位的字节组成，其比特序列为10101011。前导码与帧前定界符构成62位101010…10比特序列和最后两位的11比特序列。设计时规定前62位1和0交替是比特序列的目的，是使收、发双方进入稳定的比特同步状态。接收端在收到后两比特1时，标志在它之后应是目的地址段。

(3) 目的地址DA：指明该帧的接收者，标准允许2字节和6字节两种长度的地址形式，但10M基带以太网只使用6字节地址。目的地址的最高位标识地址的性质，“0”代表这是一个普通地址，“1”代表这是一个群地址，用于实现多播通信(Multicast)。目的地址取值为全“1”则代表这是一个广播帧。

(4) 源地址SA：帧的发送节点地址，其长度必须与目的地址相同。

(5) 长度：由两个8位的字节组成，用来指示LLC数据字段的长度。当这个字段值大于0x0600（十进制1536）就表示“类型”。

(6) LLC数据：用于传送介质访问控制MAC子层的高层逻辑链路控制子层LLC的数据。IEEE 802.3协议规定LLC数据的长度在46～1500字节之间。如果LLC数据的长度少于46字节，则需要加填充字节，补充到46字节。

(7) 帧校验FCS：采用32位的CRC校验。校验的范围是目的地址、源地址、长度、LLC 数据等。

五、扩展的以太网

1、在物理层扩展以太网

a.使用光纤和一对光纤调制解调器扩展主机和集线器之间的距离

b.使用多个集线器扩展以太网覆盖范围

2、在数据链路层扩展以太网

使用网桥扩展数据链路层

网桥的层次结构：

网桥的内部结构：

与集线器的不同点：

集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。

网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。

2、透明网桥

a.特点：即插即用设备

b.透明网桥算法

1.从端口x收到无差错的帧，在转发表中查找目的站MAC地址。

2.如有，则查找出到此MAC地址应当走的端口d，然后到3，否则，到5；

3.如到这个MAC地址去的端口d=x，则丢弃此帧，否则，从端口d转发此帧；

4.转到6；

5.向网桥除x以外的所有端口转发此帧；

6.如源站不在转发表中，则将源站MAC地址加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口号，设置计时器，然后转到8；如源站在转发表中，则执行7；

7.更新计时器；

8.等待新的数据帧，转至1。

透明网桥算法中使用生成树算法避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子，浪费网络资源。

支撑树的构成：

支撑树算法：以序列号最小的网桥为根，按照最短路径，动态求出支撑树，保证任意两个LAN之间只有一条通路，无环路

3、源路由网桥

特点：由源站负责路由选择，路由信息放在帧首

选路方法：源站向目的站发送探测帧，该帧在扩展的LAN中沿所有可能路由传送；每个探测帧都记录下它所经过的路由；这些探测帧在到达目的站后，再沿各自的路由返回源站；由源站选择其中的最佳路由，作为发送帧中的路由信息

4、多接口网桥—— 以太网交换机

利用以太网交换机可以很方便地 实现虚拟局域网 ：

虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。

这些网段具有某些共同的需求。

每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。

虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。

虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。

VLAN的工作原理：

LAN可以是由少数几台家用计算机构成的网络，也可以是数以百计的计算机构成的企业网络。VLAN所指的LAN特指使用路由器分割的网络——也就是广播域。

在此让我们先复习一下广播域的概念。广播域，指的是广播帧（目标MAC地址全部为1）所能传递到的范围，亦即能够直接通信的范围。严格地说，并不仅仅是广播帧，多播帧（Multicast Frame）和目标不明的单播帧（Unknown Unicast Frame）也能在同一个广播域中畅行无阻。

本来，二层交换机只能构建单一的广播域，不过使用VLAN功能后，它能够将网络分割成多个广播域。

下面是一些常见的广播通信：

ARP请求：建立IP地址和MAC地址的映射关系。

RIP：一种路由协议。

DHCP：用于自动设定IP地址的协议。

NetBEUI：Windows下使用的网络协议。

IPX：Novell Netware使用的网络协议。

Apple Talk：苹果公司的Macintosh计算机使用的网络协议。

如果整个网络只有一个广播域，那么一旦发出广播信息，就会传遍整个网络，并且对网络中的主机带来额外的负担。因此，在设计LAN时，需要注意如何才能有效地分割广播域。

在一台未设置任何VLAN的二层交换机上，任何广播帧都会被转发给除接收端口外的所有其他端口（Flooding）。例如，计算机A发送广播信息后，会被转发给端口2、3、4。1234交换机广播帧交换机收到广播帧后，转发到除接收端口外的其他所有端口。

如果在交换机上生成红、蓝两个VLAN；同时设置端口1、2属于红色VLAN、端口3、4属于蓝色VLAN。再从A发出广播帧的话，交换机就只会把它转发给同属于一个VLAN的其他端口——也就是同属于红色VLAN的端口2，不会再转发给属于蓝色VLAN的端口。

同样，C发送广播信息时，只会被转发给其他属于蓝色VLAN的端口，不会被转发给属于红色VLAN的端口。

需要VLAN间通信时怎么办

再次回忆一下：VLAN是广播域。而通常两个广播域之间由路由器连接，广播域之间来往的数据包都是由路由器中继的。因此，VLAN间的通信也需要路由器提供中继服务，这被称作“VLAN间路由”。

交换机的端口可以分为以下两种：

访问链接（Access Link）

汇聚链接（Trunk Link）

访问链接，指的是“只属于一个VLAN，且仅向该VLAN转发数据帧”的端口。在大多数情况下，访问链接所连的是客户机。

通常设置VLAN的顺序是：

1 生成VLAN

2 设定访问链接（决定各端口属于哪一个VLAN）

3 设定访问链接的手法，可以是事先固定的、也可以是根据所连的计算机而动态改变设定。前者被称为“静态VLAN”、后者自然就是“动态VLAN”了。

静态VLAN

静态VLAN又被称为基于端口的VLAN（Port Based VLAN）。顾名思义，就是明确指定各端口属于哪个VLAN的设定方法。

汇聚链接（Trunk Link）指的是能够转发多个不同VLAN的通信的端口。

汇聚链路上流通的数据帧，都被附加了用于识别分属于哪个VLAN的特殊信息。

现在再让我们回过头来考虑一下刚才那个网络如果采用汇聚链路又会如何呢？用户只需要简单地将交换机间互联的端口设定为汇聚链接就可以了。这时使用的网线还是普通的UTP线，而不是什么其他的特殊布线。图例中是交换机间互联，因此需要用交叉线来连接。

具体看看汇聚链接是如何实现跨越交换机间的VLAN的。

A发送的数据帧从交换机1经过汇聚链路到达交换机2时，在数据帧上附加了表示属于红色VLAN的标记。

交换机2收到数据帧后，经过检查VLAN标识发现这个数据帧是属于红色VLAN的，因此去除标记后根据需要将复原的数据帧只转发给其他属于红色VLAN的端口。这时的转送，是指经过确认目标MAC地址并与MAC地址列表比对后只转发给目标MAC地址所连的端口。只有当数据帧是一个广播帧、多播帧或是目标不明的帧时，它才会被转发到所有属于红色VLAN的端口。

蓝色VLAN发送数据帧时的情形也与此相同。

2016-7-24第四章 网络层

一、网络层提供的两种服务

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