5.0 链路层和局域网

5.1 引论和服务

5.1.1 链路层：导论

• 主机和路由器是节点（网桥和交换机也是）：nodes

• 沿着通信路径，连接个相邻节点通信信道的是链路：links
• 有线链路
• 无线链路
• 局域网，共享性链路

• 链路层协议数据单元帧frame，封装数据报
• 路由器来了一个分组，决定通过这个网卡把分组打出去。
• 那么分组需要封装成网卡对应标准的帧

5.1.2 链路层：上下文

• 数据报（分组）在不同的链路上以不同的链路协议传送：
• 第一跳链路：以太网
• 中间链路：帧中继链路
• 最后一跳802.11：

• 不同的链路协议提供不同的服务
• 例如在链路层上提供（或没有）可靠数据传送

• 传输类比
• 从Princeton到Lausanne
• 轿车：Princeton到JFK
• 飞机：JFK to Geneva
• 火车：Geneva to Lausanne

• 旅行者=数据报datagram

• 交通段=通信链路communication link

• 交通模式=链路层协议：数据链路层和局域网protocol

• 票务代理=路由算法routing algorithm

5.1.3 链路层服务

• 成帧，链路接入：
• 将数据报封装在帧中，加上帧头，帧尾部
• 如果采用的是共享性介质，信道接入获得信道访问权
• 在帧头部使用“MAC”（物理）地址来标示源和目的
• 不同于IP地址

• 在（一个网络内）相邻两个节点完成可靠数据传递
• 已经学过了（第三章）
• 在低出错率的链路上（光纤和双绞线电缆）很少使用
• 在无线链路经常使用：出错率高

• 一般化的链路层服务，不是所有的链路层都提供这些服务
• 一个特定的链路层只是提供其中一部分的服务（总服务的子集）
• 比如以太网就无法进行可靠数据传输

• 在相邻节点间（一个子网内）进行可靠的转发
• 我们已经学习过（见第三章）！
• 在低差错率链上很少使用（光纤，一些双绞线）
• 出错率低，没有必要在每一个帧中做差错控制的工作，协议复杂
• 发送端对每一帧进行差错控制编码，根据反馈做相应的动作
• 接收端进行差错控制解调，反馈给发送端（ACK，NAK）
• 在本层放弃可靠控制的工作，在网络层或者是传输层做可靠控制的工作，或者根本就不做可靠控制的工作
• 在高差错链路层链路上需要进行可靠的数据传送
• 高差错率：无线链路；
• Q: 为什么要在采用无线链路的网络上，链路层做可靠数据传输工作？还要在传输层做端到端的可靠工作？
• 原因：出错率高，如果在链路层不做差错控制工作，漏出去的错误比较高；到了上层如果需要可靠控制的数据传输代价会很大（反向回答，如果不做会造成…影响）
• 如不做local recovery 工作，总体代价大

• 流量控制：
• 使得相邻的发送和接收方节点的速度匹配

• 错误检测：
• 差错由信号衰减和噪声引起
• 接收方检测出的错误：
• 通过发送端进行重传或丢弃

• 差错纠正：
• 接收端检查和纠正bit错误，不通过重传来纠正错误，接收方根据网络编码直接纠错

• 半双工和全双工：
• 半双工：在半双工模式，链路的两个节点都可以发送数据，但是不能同时发送

5.1.4 网卡：链路层功能在哪里实现？

• 在每一个主机上，也在每个路由器上，也在交换机的每个端口上
• 每个主机/路由器上插入多个网卡，每个网卡上实现了链路层和相应物理层功能

• 链路层功能在“网络适配器”上实现（aka network interface card NIC）或者在一个芯片组上（称为网卡）
• 以太网卡，802.11 网卡；以太网芯片组
• 实现链路层和相应的物理层功能

• 接到主机的系统总线上（上电自动运行）

• 硬件、软件和固件的综合体

• 发送方：
• 上面来了分组，通过系统总线（网卡驱动）到网卡上
• 将分组（数据报）封装为帧
• 加上差错控制编码，实现RDT和流量控制功能等
• 借助网卡物理层的功能，将帧中每个bit/bit组打出去

• 接收方：
• 每个bit的物理信号还原成数字信号
• 检查有无出错（判断帧头帧尾），执行RDT（可能实现可能不实现）和流量控制功能等
• 解封装数据报，通过系统总线将至交给上层

• 适配器是半自治的实现了链路和物理层功能

5.2 差错检测和纠正

5.2.1 EDDC检验

5.2.2 一比特奇偶校验

5.2.3 二维奇偶校验

• 特点:
• 可以检测并纠正单个比特差错(数据或校验位中)
• 能够检测(但不能纠正)分组中任意两个比特的差错

• 例题：





规定为奇数校验，那么每行/每列1的个数为奇数，通过校验，写0;
1的个数为偶数，那么没有通过校验，写1.
最右下角的奇偶校验位为最后一行（绿色）来决定



假设一个位出错（即发生位翻转），这个位所在的行横向校验出错，这个位所在的列，纵向校验出错。通过行号列号可以精准定位到出错位

5.2.3 Internet校验和方法

5.2.4 循环冗余校验（CRC）

1. 约定

5.2.5 差错检验方式比较

5.3 多点访问链路和协议

5.3.1 多路访问链路

• 点对点链路:链路两端各一个节点。一个发送和一个接收。
• 拨号访问的PPP
• 以太网交换机和主机之间的点对点链路

• 广播链路（共享线路或媒体）：多个节点连接到一个共享的广播信道。
• 传统以太网
• HFC上行链路
• 802.11无线局域网

• 广播:任何一个节点传输一帧时，信号在信道上广播，其他节点都可以收到一个拷贝。
• 常用于局域网LAN中，如早期的以太网和无线局域网。

• 本节主要学习广播链路的信道共享技术

• 多路访问问题:如何协调多个发送和接收节点对共享广播信道的访问。相关技术即是多路访问协议(也称多址访问协议)

5.3.2 多路访问协议

• 目的:协调多个节点在共享广播信道上的传输。
• 避免多个节点同时使用信道，发生冲突(碰撞)，产生互相干扰。

• 冲突(collide):两个以上的节点同时传输帧，使接收方收不到正确的帧(所有冲突的帧都受损丢失)
• 造成广播信道时间的浪费。
• 多路访问协议可用于许多不同的网络环境，如有线和无线局域网、卫星网等

• 单个共享的广播型链路（所有节点都采用这个共享介质发送接收）

• 2个或更多站点同时传送：冲突（collision）
• 多个节点在同一个时刻发送，则会收到2个或多个信号叠加

• 多路访问协议（介质访问控制协议：MAC）
• 分布式算法-决定节点如何使用共享信道，即：决定什么节点什么时候可以发送？

• 关于共享控制的通信必须用借助信道本身传输！（即数据发送接收，站点协商都在这一个信道内）
• 没有带外的信道，各节点使用其协调信道使用
• 用于传输控制信息

• 理想的多路访问协议
• 给定速率：Rbps的广播信道
• 必要条件：
• 当一个节点要发送时，可以R速率发送。
• 当M个节点要发送，每个可以以R/M的平均速率发送
• 完全分布的：
• 没有特殊节点（主节点）协调发送
• 没有时钟和时隙的同步
• 简单

• 信道划分协议
• 把信道划分成小片（时隙：时间、频率、编码）
• 分配片给每个节点专用

• 随机访问协议
• 不划分信道，允许冲突
• 冲突后恢复

• （依次）轮流协议
• 节点依次轮流
• 但是有很多数据传输的节点可以获得较长的信道使用权（要发送的节点越多使用时间越长）

5.3.3 信道划分协议

• 时分多路访问（TDMA: time division multiple access）
• 将时间划分为时间帧，每个时间帧再划分为N个时隙(长度保证发送一个分组，长度=帧传输时间)，分别分配给N个节点。每个节点只在固定分配的时隙中传输帧。
• TDMA特点：
• 避免冲突、公平:每个节点专用速率R/N
• 节点速率有限: R/N
• 效率不高:节点必须等待它的传输时隙
• 如果站点无帧传输，时隙空闲→浪费。
• 例如：6站LAN，1、3、4有数据报，时隙2、5、6空闲

• 频分多路访问（FDMA: frequency division multiple access）
• 信道的有效频率范围被分成一个个小的频段。每个站点被分配一个固定的频段。如总信道带宽位R bps，每个小频段带宽位R/N，分给N个节点
• FDMA特点：
• 避免冲突、公平:N个节点公平划分带宽;
• 节点带宽有限、效率不高:节点带宽为R/N.
• 分配给站点的频段如果没有被使用，则空闲
• 例如：6站LAN，1、3、4有数据报，频段2、5、6空闲

• 码分多路访问（CDMA：code division multiple access）
• 所有站点在整个频段上同时进行传输，采用编码原理加以区分
• 每个节点分配一个唯一的编码
• 每个节点用它唯一的编码来对它发送的数据进行编码
• 允许多个节点“共存”，信号可叠加，即可以同时传输数据而无冲突(如果编码 是“正交化”的)

• 总结（比方）
• TDM: 不同的人在不同的时刻讲话
• FDM: 不同的组在不同的小房间里通信
• CDMA: 不同的人使用不同的语言讲话

5.3.4 随机访问协议

• 以信道带宽的全部R bps发送（全速发送）

• 没有节点间的预先协调

• 两个或更多节点同时传输，会发生→冲突“collision”

• 随机访问协议规定：
• 如何检测冲突
• 如何从冲突中恢复（如：通过稍后的重传）

• 典型的随机访问协议
• ALOHA协议(纯ALOHA，时隙ALOHA)
• 载波监听多路访问CSMA协议
• 带冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD
• 带冲突避免的载波监听多路访问CSMA/CA

5.3.4.1 时隙ALOHA

• 要求各个节点在时间上保持同步，所有发送的帧等长，满足在一个时隙内能够发出。

• 假设
• 所有帧是等长的
• 时间被划分成相等的时隙
• 每个时隙可发送一帧
• 节点只在时隙开始时发送帧
• 节点在时钟上是同步的
• 如果两个或多个节点在一个时隙传输，所有的站点都能检测到冲突

• 运行
• 当节点获取新的帧，在下一个时隙开始时传输
• 传输时没有检测到冲突，成功
• 节点确定下一时刻发送新帧
• 检测时如果检测到冲突，失败
• 节点在每一个随后的时隙以帧率p（概率）重传帧直到成功

5.3.4.2 纯ALOHA(非时隙)

• 无时隙ALOHA:简单、无须节点间在时间上同步

• 当有帧需要传输:马上传输

• 如果与其他帧产生冲突，在该冲突帧传完之后
• 以概率p立即重传该帧;
• 或等待一个帧的传输时间，再以概率p传输该帧，或者以概率1-p等待另一个帧的时间。

• 冲突的概率增加:
• 帧在t0发送，和其它在[t0-1,to+1]区间内开始发送的帧冲突
• 和当前帧冲突的区间(其他帧在此区间开始传输)增大了一倍

5.3.4.3 CSMA（载波侦听多路访问carrier sense)

• 载波侦听CS：某个节点在发送之前，先监听信道。
• 信道忙：有其他节点正往信道发送帧，该节点随机等待（回退）一段时间，然后再侦听信道。（推迟传送）
• 信道空：该节点开始传输整个数据帧。

• 冲突检测 CD：边发送边监听，即节点在传输同时侦听信道。
• 如果检测到有其他节点正在传输帧，发生冲突，立即停止传输，并用某种方法来决定何时再重新传输。

• 人类类比: 自己说话之前，先听一下有没有其他人正在说话，不要打断他人说话!

• CSMA的特点：
• 发前监听，可减少冲突。（不可避免冲突）
• 由于传播时延的存在，仍有可能出现冲突，并造成信道浪费。

• CSMA冲突
• 冲突仍然可能发生：由传播延迟造成，两个节点可能侦听不到正在进行的传输
• 节点依赖本地的信道使用情况，来判断全部信道的使用情况（即我在听我脚底下的信号，但对方信号可能没到我脚底，局部探知窥探全局）
• 冲突：整个冲突帧的传输时间都被浪费了，是无效的传输（红黄区域）
• 注意：传播延迟（距离）决定了冲突的概率

5.3.4.4 带冲突检测的CSMA(CSMA/CD)

• CSMA:
• 载波侦听CSMA：和在CSMA中一样发送前侦听信道
• 没有传完一个帧就可以在短时间内检测到冲突
• 冲突发生时则传输终止，减少对信道的浪费

• 冲突检测CD技术，有线局域网中容易实现：
• 检测信号强度，比较传输与接收到的信号是否相同
• 通过周期的过零点检测
• 边说边听：发送同时进行冲突检测：一旦检测到冲突就立即停止传输， 尽快重发。

• 人类类比：礼貌的对话人

5.3.5 轮流协议(Taking Turns)

• 共享信道在高负载时是有效和公平的（已用时隙多）

• 在低负载时效率低下（空闲时隙多）
• 只能等到自己的帧开始发送或者利用1/N的信道频率发送
• 当只有一个节点有帧传时，也只能够得到1/N个带宽分配

• 在低负载时效率高，单个节点可以完全利用信道全部带宽（完全传输，冲突概率低）

• 高负载时：冲突开销较大，效率低，时间很多浪费在冲突中

• 论询
• 主节点邀请从节点依次传送
• 从节点一般比较“dumb”
• 优点：
• 高负载的时候，问到就发，利用整个信道带宽，利用率高，也没有碰撞。低负载的时候也是问到就发利用整个信道带宽，利用率高，也没有碰撞。
• 缺点：
• 轮询开销：轮询本身消耗信道带宽
• 等待时间：每个节点需等到主节点轮询后开始传输，即使只有一个节点，也需要等到轮询一周后才能够发送
• 单点故障：主节点失效时造成整个系统无法工作
• 在网络中忌讳单点故障点，可靠性不高，一崩全崩

• 令牌传递
• 控制令牌(token)循环从一个节点到下一个节点传递
• 令牌报文：特殊的帧
• 优点:
• 高低负载利用率高，且没有冲突。
• 高不过信道划分，低不过随机。
• 缺点：
• 令牌开销：本身消耗带宽
• 延迟：只有等到抓住令牌，才可传输
• 单点故障(token)
• 令牌丢失系统级故障，整个系统无法传输
• 复杂机制重新生成令牌
• 令牌标志位1表示令牌，0表示数据。有数据发，就抓住令牌（即修改令牌标志位1变为0），在令牌后面加上数据。此时令牌帧变为数据帧。
• 数据帧绕圈一周，会碰到目标节点copy。一边收（目标节点拷贝）一边转（发送）。最后绕往一周，原节点吸收。
 

5.3.7 MAC协议（多路访问协议）总结

• 信道划分：按时间、频率或者编码
• TDMA、FDMA、CDMA

• 随机访问（动态）
• ALOHA、S-ALOHA、CSMA、CSMA/CD
• 载波侦听：在有些介质上很容易（wire：有线介质），但在有些介质上比较困难（wireless：无线）
• CSMA/CD：802.3 Ethernet中使用
• CSMA/CA、802.11WLAN中使用

• 依次轮流协议：
• 集中：由一个中心节点轮询；
• 分布：通过令牌控制
• 蓝牙、FDDI、令牌环

5.4 交换局域网LANs

5.4.1 常见的网络拓扑结构

5.4.2 链路层寻址

• 网络层地址：节点在网络中分配的一个唯一地址（IP地址）。
• 用于把分组送到目的IP网络。
• 长度为32比特（IPv4）。
• 前n-1跳（数据报到达目标IP子网网络号），最后一跳，完成最后一个路由器到目标主机的分组传递（主机号）

• 链路层地址：又叫做MAC地址或物理地址、局域网地址。
• 用于把数据帧从一个节点（网卡）传送到另一个节点（网卡）(一个网络内部)。
• 主机内部

• MAC地址（LAN地址、物理地址）：
• 节点“网卡”本身所带的地址（唯一）。
• MAC地址长度通常为6字节(48比特)，共248个。
• 6字节地址用16进制表示，(48位对应12个十六进制数)。
• 网卡的MAC地址是永久的（生产时固化在其ROM里）

• 局域网地址
• 局域网中每个网卡都有唯一的局域网地址

• MAC地址分配
• 由专门机构IEEE管理物理地址空间
• 负责分配六个字节中的前三个字节（高24位，地址块）
• MAC 地址是平面结构
• 带有同一网卡的节点，在任何网络中都有同样的MAC地址。
• IP地址具有层次结构
• 当节点移动到不同网络时，节点的IP地址发生改变。

• 地址之间如何进行转换：主机名→IP地址→MAC地址
• DNS域名系统：将主机名解析到IP地址。
• DNS为在因特网中任何地方的主机解析主机名。
• ARP地址解析协议：将IP地址解析到MAC地址。
• ARP只为在同一个LAN上的节点解析IP地址。

1. IP地址和MAC地址的作用不同 a) IP地址是分层的
• 一个子网所有站点网络号一致，路由聚集，减少路由表
• 需要一个网络中的站点地址网络号一致，如果捆绑需要定制网卡非常麻烦
• 希望网络层地址是配置的；IP地址完成网络到网络的交付
• ARP协议：IP地址到MAC地址的转换，从而才能使得PDU封装成为帧，从输入端口到目标端口。
b) MAC地址是一个平面的
• 网卡在生产时不知道被用于哪个网络，因此给网卡一个唯一的标示，
• 用于区分一个网络内部不同的网卡
• 可以完成一个物理网络内部的节点到节点的数据交付

1. 分离好处 a) 网卡坏了，ip不变，可以捆绑到另外一个网卡的mac上 b) 物理网络（链路层实体）还可以除IP之外支持其他网络层协议，链路协议为任意 上层网络协议，如IPX等

2. 捆绑的问题 a) 如果仅仅使用IP地址，不用mac地址，那么它仅支持IP协议 b) 每次上电都要重新写入网卡IP地址； c) 另外一个选择就是不使用任何地址；不用MAC地址，则每到来一个帧都要上传到IP层次，由它判断是不是需要接受，干扰一次

• MAC地址由IEEE管理和分配

• 制造商购入MAC地址空间（保证唯一性）

• 类比： (a) MAC地址：社会安全号 (b) IP地址：通讯地址

• MAC平面地址 → 支持移动
• 可以将网卡到接到其它网络

• IP地址有层次→不能移动
• 依赖于节点连接的IP子网，与子网的网络号相同（有与其相连的子网相同的网络前缀）

5.4.3 ARP(地址解析协议)

• 在局域网上的每个节点（主机、路由器）都有一个ARP表

• ARP表：局域网节点IP←→MAC地址的映射
• <IP address: MAC address: TTL>
• TTL时间:存活时间，是指地址映射时失效（被删除：适应变化缓存：用的快）的时间（通常为20min）

• A主机要发送数据报给B主机，B的IP地址（已知），但B的MAC地址不在A的ARP表中

• A广播包含B的IP地址的ARP查询包
• 目标MAC地址: FF-FF-FF-FF-FF-FF
• LAN上的所有节点都会收到该查询包

• B接收到ARP包，回复A自己的MAC地址
• 包含B的MAC地址的帧发送给A
• 用A的MAC地址（单播，选择性定向传播。前面的广播是泛洪）

• 主机A在自己的ARP表中，缓存IP-to-MAC地址映射关系（地址对），直到信息超时
• 软状态：靠定期刷新维持的系统状态，信息超时会被删除
• 定期刷新周期之间维护的状态信息可能和原有系统不一致

• ARP是即插即用的
• 节点自己创建ARP的表项
• 无需网络管理员的干预

5.4.4 以太网(Ethernet)

• 到目前为止，以太网是最为著名的有线局域网技术

• 以太网的物理拓扑结构
• 总线(bus): 一直流行到90年代中期
• 同轴电缆，总线传播，每个节点都可以听到所有节点都属于相同的冲突域
• 所有节点在一个碰撞域内，一次只允许一个节点发送
• 可靠性差，如果介质破损，截面形成信号的反射，发送节点误认为是冲突，总是冲突
• 星形(star):目前最主流
• 连接选择: hub 或者 switch
• 中心是交换机
• 每个端口运行一个独立的以太网协议(节点相互之间不发生碰撞)

5.4.4.1 以太帧结构

• 发送方适配器在以太网帧中封装IP数据报，或其他网络层协议数据单元

• 常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准
• DIX Ethernet V2 标准(最常用的MAC帧是以太网V2的格式。)
• IEEE的802.3 标准



• 前同步码(8字节)
• 前7字节：10101010，最后一个字节：10101011
• 用来同步接收方和发送方的时钟速率
• 使得接收方将自己的时钟调到发送端的时钟
• 从而可以按照发送端的时钟来接收所发送的帧
• 接收方一旦收到连续的8字节前同步码，可确定有帧传过来。
• 前同步码是“无效信号”，接收方收到后删除，不向上层传送。
• CRC的校验范围不包括前同步码。
• 地址:各6字节：源MAC地址，目标MAC地址
• 如:帧目标地址=本站MAC地址，或是广播地址，接收，递交帧中的数据到网络层
• 否则，适配器忽略该帧
• 类型
• 指出高层协议(大多情况下是TP，但也支持其它网络层协议Novell IPX和AppleTalk)
• 以太网可以“多路复用”（支持）多种网络层协议。通过“类型”字段区分。
• 发送方填入网络层协议“类型”编号；
• 接收适配器根据“类型”字段，将数据字段传递给相应的网络层协议。
• 数据字段(46～1500 字节)
• 携带网络层传来的IP数据报
• 以太网的最大传输单元MTU是1500字节：若IP数据报超过1500字节，必须将该数据报分段。
• 最小长度是46字节：如果IP数据报小于46字节，必须填充为46字节。接收方网络层去除填充内容。
• CRC（4字节）:在接收方校验。如果没有通过校验，丢弃错误帧
• 发送主机计算CRC：范围包括目的地址、源地址、类型、数据字段的比特，结果放入帧CRC字段。
• 接收主机进行CRC校验：接收主机对收到的帧进行同样计算，并校验结果是否和CRC字段的内容相等。若计算结果不等于CRC字段的值(CRC校验失败)，该帧有差错。

5.4.4.2 以太网服务

• 以太网:无连接、不可靠的服务
• 无连接:帧传输前，发送方和接收方适配器之间没有握手
• 不可靠:接收方适配器不发送ACKS或NAKS给发送方
• 递交给网络层的数据报流可能有gap（比特差错）
• 如上层使用像传输层TCP协议这样的rdt，gap会被补上(源主机，TCP实体)
• 否则，应用层就会看到gap
• 收到正确帧，不发确认帧
• 收到出错帧，丢弃该帧，不发否定帧。
• 发送适配器不会重发出错帧。
• 以太网的MAC协议:采用二进制退避的CSMA/CD介质访问控制形式

5.4.4.3 以太网使用CSMA/CD

• 以太网使用CSMA/CD
• 发送前先监听，边发边监听。发生冲突放弃，隔一个时间后尝试重发。如果再冲突，碰撞窗口加倍，随机选择一个值，间隔时间后再重发，
• 没有时隙
• 载波侦听carrier sense：NIC如果侦听到其它NIC在发送就不发送:
• 冲突检测collision detection：发送时，适配器当侦听到其它适配器在发送就放弃对当前帧的发送，
• 随机访问random access：冲突后尝试重传，重传前适配器等待一个随机时间，

• 以太网技术
• Base：采用基带信号
• 节点连接达到HUB上：物理上星型
• 逻辑上总线型，盒中总线
• T：双绞线，绝缘线扭合，反向电势小，传输速率高

5.4.5 链路层网路交换设备：Hub和交换机（Switch）

• Hub：集线器



• 一个铁盒子里面含有很多端口。设备可以通过双绞线接在这些端口上。下面也可以级联其他的Hub。一个设备通过一个端口发送信号，这个Hub能将这个端口发出的信号向其他端口同时散发。物理上星型，逻辑上总线。盒中总线
• 本质上是物理层的中继器:从一个端口收，转发到所有其他端口；速率一致；没有帧的缓存
• 不允许两个端口上的设备同时发送。
• 网段(LAN segments)：可以允许一个站点发送的网络范围（也叫一个碰撞域）
• 在一个碰撞域，同时只允许一个站点在发送
• 如果有2个节点同时发送，则会碰撞
• 通常拥有相同的前缀，比IP子网更详细的前缀
• 所有以hub连到一起的站点处在一个网段，处在一个碰撞域
• 骨干hub将所有网段连到了一起
• 即所有连hub的设备都在一个碰撞域内。
• 在hub端口上没有CSMA/CD机制，适配器检测冲突
• 高负载的情况下CSMA/DA，碰撞反复发生，信道利用率低
• 通过hub可扩展节点之间的最大距离
• 通过HUB，不能将10BaseT和100BaseT的网络连接到一起

• 交换机（Switch）
• 外观和hub类似也是一个盒子，从一个端口收，将这个帧存下来（是一个存储转发的设备）可以选择性地从另外一个端口发送（并不是向所有其他端口发送）
• 选择性是因为：要根据帧头帧尾的地址选择端口，转发之前需要使用CSMA/DA机制，所以可以认为每个端口是一个网段
• 这两个端口发送接收，同时，另外两个端口就可以发送和接收
• 就像这两个端口之间有个瞬间交换的设备
• 链路层设备：扮演主动角色（端口执行以太网协议）
• 对帧进行存储和转发
• 对于到来的帧，检查帧头，根据目标MAC地址进行选择性转发
• 当帧需要向某个（些）网段进行转发，需要使用CSMA/CD进行接入控制
• 通常一个交换机端口一个独立网段
• 透明：主机对交换机的存在可以不关心
• 很多子网很多子网（网络层的n-1跳），最后一跳（同一子网内部）：目标路由器将分组交给目标主机（网络层看作一跳）
• 但是从链路层的角度来看，采用交换机实现多跳（端口）。
• 主机对交换机的存在可以不关心：意思是主机、路由器是网络层面的东西，而交换机是多个端口的集合，只要把帧mac地址标注好，无论如何通过交换机，通过多少个交换机，目标路由器（主机）都不关心，知道能到达目标主机即可。（透明：不关心）
• 通过交换机相联的各节点好像这些站点是直接相联的一样
• 有MAC地址，无IP地址（端口的盒子：MAC地址 ）
• 即插即用，自学习：
• 交换机无需配置
• 交换表/站表：决定转发的目标端口，交换机自学习而来

• 主机有一个专用和直接到交换机的连接
• 这个叫做点到点的连接。主机直接接到某个交换机到达端口上
• 如果是一个交换机下面接一个hub然后再接主机，就不是点到点连接。

• 交换机缓存到来的帧

• 对每个帧进入的链路使用以太网协议（端口有协议：CSMA/CD，没有碰撞；全双工
• 专用直接连接：没有碰撞
• 每条链路都是一个独立的碰撞域
• MAC协议在其中的作用弱化了（载波侦听）
• 发和收的时候都没有人和它抢，所以MAC协议的作用减弱了

• 交换，A-to-A’ 和 B-to-B’ 可以同时传输，没有碰撞

• 有点像路由协议？

• 交换机通过学习得到哪些主机（mac地址）可以通过哪些端口到达
• 当接收到帧，交换机学习到发送站点所在的端口（网段）
• 记录源MAC地址/进入端口映射关系，在交换表中
• 时戳：到时将对应关系删除
• 存储是为了快，删是为了适应网络的变化
• 对应关系可能会变

 

A发送给A’

• 此时交换机知道A主机传给1端口，就记录表项A,1,TTL=60

• 这个时候帧到达交换机
• 交换机不知道A’的端口号，不知道A’位置：泛洪（向所有端口进行转发）
• 知道目标A对应的链路：选择性发送到那个端
 

• 交换机：过滤/转发算法
• 当交换机收到一个帧，记录进入链路，发送主机的MAC地址
• 使用目标MAC地址对交换表进行索引查询
• 查到了
• 如果目标端口是源端口/或者说已经到达过的端口/进入端口，那么丢掉该帧（过滤）
• 如果通过目标端口转，那么转（转发）
• 没有查到
• 泛洪:除了帧到达的网段，向所有网络接口

• 交换机级联
• 和Hub级联不同：Hub级联，所有设备在一个碰撞域内
• Q:A to G的发送-交换机S1如何知道经过从S3和S4最终达到F?
• A:泛洪和自学习(和在一个交换机联接所有站点-样!)
• 多交换机自学习的例子

• 交换机的交换特点
• 识别目的MAC地址，根据交换表进行端口选择
• 识别源MAC地址更新交换表
Q:在识别目的MAC地址和源MAC地址的过程中是否需要接收并缓存完整的帧呢?
A:不一定需要。
• 交换机的交换方式:
• 存储转发(缓存整个帧后再转发)
• 快速分组又称直通交换(识别出目的地址直接转发)

• 交换机的交换方式讨论
• 存储转发：具有差错检测功能，转发时延较大，适用于出错率高的链路。
• 快速分组又称直通交换：不具有差错检测功能，转发时延较小，适用于时延要求高，出错率低的链路。

• 三层交换机
• 三层交换是相对于传统的交换概念而提出的
• 传统的交换技术是在OSI网络参考模型中的第二层（即数据链路层）进行操作的，通常称做“二层交换机”。
• 三层交换技术能够在网络模型中的第三层实现数据包的高速转发。
• 简单地说，三层交换技术就是二层交换技术+三层转发技术，三层交换机就是“二层交换机+基于硬件的路由器”
• 工作原理：
• 发送站点A在开始发送时，把自己的IP地址与B站的IP地址比较，判断B站是否与自己在同一子网内。
• 若目的站B与发送站A在同一子网内，则进行二层的转发。
• 若两个站点不在同一子网内，则发送站A要向“缺省网关”发出ARP请求，请求获得B的MAC地址。
• 如果三层交换机知道B的MAC地址，则向A回复B的MAC地址。
• 否则三层交换机根据路由信息向B站广播一个ARP请求，B站得到此ARP请求后向三层交换机回复其MAC地址，三层交换机将B站的MAC地址保存到二层交换引擎的MAC地址表中，并回复给发送站A。
• A直接用B的MAC地址封装数据帧，三层交换机接收到数据后直接进行二层交换。

• 交换机 vs. 路由器
• 两者都是存储转发设备：
• 路由器: 网络层设备(检查网络层头部)
• 交换机：链路层设备(检查链路层头部)
• 两者都有转发表：
• 路由器：使用路由算法计算转发表，基于IP地址转发
• 交换机：通过泛洪、自学习来学习转发表，基于MAC地址转发
• 交换机的优缺点
• 即插即用：不需网络管理员干预（自学习和泛洪）；
• 较高的分组过滤和转发率：二层数据处理；
• 拓扑结构限制为一棵生成树： 防止广播帧循环。
• 较大的ARP表产生可观的ARP流量和处理量；可能产生“广播风暴”：
• eg：某台主机失控，并传输无穷的以太网广播帧流，交换机将转发所有这些帧，导致整个以太网的崩溃。
• 路由器的优缺点
• 网络寻址是层次的；（IP地址是层次的）
• 若网络中存在冗余路径，分组不会在路由器中循环。
• 无生成树限制，使用路由器构建因特网可以采用大量丰富的拓扑结构。
• 可以使用源和目的之间的最佳路径。为第二层的广播风暴提供防火墙保护。
• 非即插即用：路由器及主机都需配置IP地址。
• 每个分组的处理时间比交换机长。

5.4.6 VLANS（Virtual Local Area Network）

• 利用支持VLAN的交换机，可以在一个实际的物理局域网内，定义多个虚拟的局域网

• 基于端口的VLAN
• 基于端口的VLAN:利用交换机内置的管理软件，将端口分组，使得一个单独的交换机像多个交换机那样工作(一个局域网虚拟成多个局域网，为什么说虚拟，因为物理上还在一个局域网，这里是通过软件分组)
• 流量隔离：从1-8号端口进/出的帧，只能访问1-8号端口
• 动态成员：端口可以在VLAN之间动态调整（软件管理，设置参数）
• VLAN间转发：通过路由完成（在实际中，厂商会将路由功能和交换功能都整合在一台设备中）

• 跨越多个交换机的VLAN
• Trunk Port（干线端口）: 每台交换机上的一个特殊端口被配置为干线端口，干线端口属于所有VLAN，发送到任何VLAN的帧经过干线链路转发到其他交换机。
• 干线端口承载定义在多个物理交换机之上的VLAN间的流量
• 某一个VLAN内的流量帧，如果要跨域物理的交换机，需使用802.1q格式（带有VLAN ID 信息）
• 802.1q协议的作用：实现VLAN间的帧传输，对干线端口之间传输的帧，添加/移除额外的头部字段