Skip to content

3.2 以太网

:material-circle-edit-outline: 约 2953 个字 :material-clock-time-two-outline: 预计阅读时间 10 分钟

以太网及数据链路层交换

241024

PPT

经典以太网

  • 使用曼彻斯特编码，主机运行 CSMA/CD 协议
  • 采用双绞线的以太网，采用星形拓扑
    • 在星形的中心增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器 (hub)。
    • 例如，星形以太网 10BASE-T
      • 速率为 10 Mbit/s
      • BASE 基带
      • T 双绞线

采用同轴电缆的传统以太网，采用总线形拓扑结构

  • 集线器的一些特点
    • 集线器工作在物理层，很像一个多接口的转发器
    • 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。
    • 使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。

image-20241024104601061

以太网的信道利用率

多个站在以太网上同时工作就可能会发生碰撞，当发生碰撞时，信道资源实际上是被浪费了

扣除碰撞所造成的信道损失后，以太网总的信道利用率并不能达到 100%

假设：单程端到端传播时延 = \(\tau\)，则争用期长度 = \(2\tau\) 。检测到碰撞后不发送干扰信号。

设：帧长 = \(L\) (bit)，数据发送速率 = \(C\) (bit/s)，则帧的发送时间 \(T_0 = L/C\) (s)。

image-20241024105836735

要提高以太网的信道利用率，就必须减小 \(\tau\) 与 \(T_0\) 之比。

在以太网中定义了参数 \(a\) = 以太网单程端到端时延 \(\tau\) 与帧的发送时间 \(T_0\) 之比 $$ a =\tau /T_0 $$

  • \(a\) → 0，表示一发生碰撞就立即可以检测出来， 并立即停止发送，因而信道利用率很高。
  • \(a\) 越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。

为提高利用率，以太网的参数 \(a\) 的值应当尽可能小些。

  • 当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 \(\tau\) 的数值会太大。
  • 以太网的帧长不能太短，否则 \(T_0\) 的值会太小，使 \(a\) 值太大。

信道利用率的最大值 \(S_{max}\)

image-20241024110016846

以太网的 MAC 层

MAC 层的硬件地址

硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址，是指局域网上的每一台计算机中固化在适配器的 ROM 中的地址

是 IEEE 802 标准为局域网规定了一种 48 位的全球地址

适配器具有过滤功能

每收到一个 MAC 帧，先用硬件检查帧中的 MAC 地址。

如果是发往本站的帧则收下，否则就将此帧丢弃

MAC 帧具体长什么样

略，看 PPT

扩展的以太网

在物理层扩展以太网

  • 使用光纤扩展以太网，主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器
  • 使用集线器扩展，用多个集线器连成更大的以太网
    • 使原来属于不同碰撞域（冲突域）的计算机能够跨碰撞域通信，扩大了覆盖的地理范围。
      • 但碰撞域增大了，总的吞吐量未提高。
    • 碰撞域（collision domain）又称为冲突域，指网络中一个站点发出的帧会与其他站点发出的帧产生碰撞或冲突的那部分网络。
      • 碰撞域越大，发生碰撞的概率越高。

在数据链路层扩展以太网

更为常用

使用以太网交换机进行拓展，其实质上是一个多接口网桥，每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。

以太网交换机具有并行性，能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信

每一个端口和连接到端口的主机构成了一个碰撞域

image-20241024113423874

接口有存储器，其内部的帧交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。

这种交换表就是一个内容可寻址存储器 CAM (Content addressable Memory)

交换机每个用户独享带宽，增加了总容量

image-20241024113600108

以太网交换机的交换方式

  • 存储转发方式
    • 把整个数据帧先缓存，再进行处理
  • 直通 (cut-through) 方式
    • 接收数据帧的同时立即按数据帧的目的 MAC 地址决定该帧的转发接口
    • 缺点：不检查差错就直接将帧转发出去，有可能转发无效帧

以太网交换机的自学习功能

表里没有发送者的 MAC 地址就存交换表里

表里没有接收者就进行广播，让各主机自己看是不是自己的

有接收者就不用广播

image-20241024114548309

image-20241024114559740

image-20241024114605124

注意交换表有个有效时间，结束了就删除这一项，因为接口可能换主机，或者主机可能换网卡（网络适配器）

image-20241024114640196

2 台以太网交换机互连

交换机也当成主机

image-20241024115328725

存在的问题：回路

  • 如果 S1 和 S2 的交换表都是空的，主机 A 向主机 E 发送一帧，这样就会来回广播，永无止境

消除回路：使用生成树协议 STP (Spanning Tree Protocol)

  • 不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象

虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)

广播风暴

广播域（broadcast domain）：指这样一部分网络，其中任何一台设备发出的广播通信都能被该部分网络中的所有其他设备所接收。

一个以太网是一个广播域

交换机之间的冗余链路形成广播风暴，就是上面说的回路问题，在交换机之间无限广播

交换机每个接口都处于一个独立的碰撞域（或冲突域）中，但所有计算机都处于同一个广播域中，无法隔离不同主机的通信

虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)

每个虚拟局域网是一个广播域。

利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)

每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机是属于哪一个 VLAN。

分虚拟局域网的方法

  • 基于交换机端口的方法
    • 属于在第 1 层划分虚拟局域网的方法
    • 缺点：不允许用户移动
  • 基于计算机网卡的 MAC 地址的方法
    • 属于在第 2 层划分虚拟局域网的方法
    • 根据用户计算机的 MAC 地址划分虚拟局域网
    • 缺点：需要输入和管理大量的 MAC 地址，如果用户的 MAC 地址改变了，则需要管理员重新配置 VLAN
  • 基于协议类型的方法
    • 属于在第 2 层划分虚拟局域网的方法
    • 根据以太网帧的第三个字段“类型”确定该类型的协议属于哪一个虚拟局域网
  • 基于 IP 子网地址的方法
    • 属于在第 3 层划分虚拟局域网的方法
    • 根据以太网帧的第三个字段“类型” 和 IP 分组首部中的源 IP 地址字段确定该 IP 分组属于哪一个虚拟局域网
  • 基于高层应用或服务的方法

*高速以太网

100BASE-T 以太网 又称为快速以太网 (Fast Ethernet)

这部分我没学，想看就看 PPT134 页之前

无线局域网

无线局域网 WLAN (Wireless Local Area Network)

  • 便携站：便于移动，但在工作时，其位置是固定不变的。
  • 移动站：不仅能够移动，还可以在移动的过程中进行通信。

IEEE 802.11

一个有固定基础设施的无线局域网的国际标准，凡使用 802.11 系列协议的局域网又称为 Wi-Fi

  1. 使用星形拓扑，中心叫做接入点 AP (Access Point)
    • 是一个链路层的设备
    • 也叫做无线接入点 WAP (Wireless Access Point)
    • 无线局域网中的站点对网内或网外的通信都必须通过 AP。
  2. 在 MAC 层使用 CSMA/CA 协议

BSS & ESS

基本服务集 BSS (Basic Service Set )是无线局域网的 最小构件，一个 BSS 包括一个接入点 AP 和若干个移动站。

image-20241031101934022

必须为该 AP 分配一个不超过 32 字节的服务集标识符 SSID (Service Set IDentifier) （和一个通信信道。

SSID 是该 AP 的无线局域网的名字，不是 AP 的，AP 自己的 MAC 地址是 BSSID

一个 BSS 所覆盖的 地理范围 叫做一个基本服务区 BSA (Basic Service Area)。

用户通常都知道所连接的无线局域网 SSID，但可以不知道其 BSSID。

一个 BSS 可以通过 AP 连接到一个分配系统 DS (Distribution System)，然后再连接到另一个 BSS，构成了一个扩展服务集 ESS (Extended Service Set)。

其它概念：BSSID，分配系统 DS (Distribution System)，扩展服务集 ESS (Extended Service Set)，扩展服务集标识符 ESSID，门户 (Portal)

关联 (association)

一个移动站若要加入到一个 BSS，就必须先与某个 AP 建立关联，创建一个虚拟线路

有两种办法

  • 被动扫描
    1. AP 周期性发出信标帧
    2. 移动站 A 选择向 AP2 发出关联请求帧 (Association Request frame)。
    3. AP2 同意并向移动站 A 发送关联响应帧 (Association Response frame)。
  • 主动扫描
    1. 移动站 A 主动发出广播的探测请求帧 (Probe Request frame)
    2. 两个 AP 都回答探测响应帧 (Probe Response frame)
    3. 重复上面的 2 和 3

移动自组网络

无固定基础设施 AP 的无线局域网

无线传感器网络 WSN (Wireless Sensor Network) ，例如物联网 IoT (Internet of Things)

802.11 局域网的 MAC 层协议

解决共享虚拟信道上的碰撞问题

无线局域网不能简单地搬用 CSMA/CD 协议，WLAN 里碰撞检测（CD）信号衰减过大

802.11 的 MAC 层

MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站何时可以发送或接收数据。包括两个子层：DCF 和 PCF。

  • 分布协调功能子层 DCF ，必须实现
  • PCF 子层，可选

image-20241031105254354

CSMA/CA 协议

增加碰撞避免 CA (Collision Avoidance) ：尽量减少碰撞发生的概率。

使用 CSMA/CA 的同时，使用停止等待协议：链路层确认，解决碰撞后重传。

image-20241031105400090

在完成发送后，必须再等待/监听一段很短的时间才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS (InterFrame Space)。

  • 分布协调功能帧间间隔 DIFS。
    • 站点必须等待 DIFS 后才能发送数据，如果期间信道都是空闲的就开始争用期
      • 这里的等待叫 推迟接入(defer access)
      • 争用窗口 CW (Contention Window)，由许多时隙 (time slot) 组成
    • 保证了确认帧 ACK 得以优先发送。
  • 短 (Short) 帧间间隔 SIFS。
    • 最短的帧间间隔，用来分隔属于一次对话的各帧。
    • 一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。

image-20241031105946988

“推迟接入”和“退避 (backoff)”的区别

  • 推迟接入发生在 NAV 内
  • backoff 发生在 DIFS 之后的空闲期

争用窗口&退避算法：略， PPT186 页

信道预约

信道预约不能完全避免碰撞

image-20241031113230434

802.11 局域网的 MAC 帧

802.11 帧共有三种类型：控制帧、数据帧和管理帧。