《计算机网络技》 课件 第4章 数据链路层与局域网交换技术

第4章数据链路层与局域网交换技术让每一帧都找到正确的出口成帧→寻址→访问→交换→隔离第4章数据链路层与局域网交换技术02学习路径用五个问题理解局域网二层通信从帧到广播域形成完整逻辑链01帧怎样形成？02地址怎样找到？03谁可以发送？04交换机怎样选择？05广播怎样隔离？核心能力：看懂帧｜推演ARP｜解释交换｜规划VLAN｜验证配置第4章数据链路层与局域网交换技术034.1数据链路层概述物理层只传比特，二层如何让传输变得有边界、可识别？链路与帧→五项功能→LLC/MAC14.1数据链路层概述044.1.1数据链路层功能链路是物理线路，数据链路是加入协议后的逻辑通道相邻结点之间，一段一段完成可靠交付链路两个相邻结点之间的物理线路数据链路链路加上控制传输的硬件与软件帧网络层分组经过封装后的二层协议单元4.1数据链路层概述054.1.1数据链路层功能数据链路层承上启下：上接分组，下接比特流发送端封装，接收端解封装发送端接收网络层分组添加帧头与帧尾形成帧后交给物理层接收端接收物理层比特流识别帧边界并检错解封装后交给网络层4.1数据链路层概述06核心职责五项功能共同把“比特通路”变成“可控链路”边界、地址、差错、流量、访问封装与解封装定义帧边界并承载网络层分组物理寻址使用源和目的MAC标识局域网结点差错检测与控制FCS检测损坏，特定链路可确认重传流量控制协调发送速率，避免接收端过载访问控制共享介质上决定谁可以发送4.1数据链路层概述07封装过程帧头负责识别与分派，帧尾负责完整性检查数据链路层为网络层分组加上可传输边界网络层分组待交付的数据加帧头源/目的MAC与类型加帧尾FCS校验值形成帧交给物理层发送4.1数据链路层概述08功能协作可靠链路不是一个机制完成，而是多机制协作不同介质对可靠性的实现程度不同检错CRC/FCS发现传输错误控速避免发送速度超过接收处理能力争用共享信道需协调发送时机链路管理建立、维持并释放逻辑连接4.1数据链路层概述094.1.2两个子层LLC向上提供统一接口，MAC向下控制介质一个屏蔽差异，一个解决共享与寻址LLC子层逻辑链路管理、流量与差错控制、协议复用MAC子层介质访问、MAC寻址、帧封装与差错检测分工关系LLC更靠近网络层，MAC更靠近物理层4.1数据链路层概述104.2MAC地址与以太网帧局域网中的设备如何识别彼此，并把数据装成标准帧？MAC结构→地址类型→帧字段→MTU24.2MAC地址与以太网帧114.2.1物理地址MAC地址用48bit标识局域网接口前24bit表示厂商，后24bit由厂商分配格式6字节，常写成12位十六进制OUI前24bit由IEEE分配给制造商设备标识后24bit由厂商保证产品范围内唯一软件覆盖操作系统可逻辑修改或随机化显示地址4.2MAC地址与以太网帧12地址类型单播、广播、组播决定帧的接收范围一对一、一对全体、一对一组单播目的MAC指向一台特定设备广播FF:FF:FF:FF:FF:FF，广播域内全部接收组播目的MAC代表一个成员组，仅组成员处理4.2MAC地址与以太网帧13组播标识组播地址用首字节最低位标记“一对一组”标志位帮助网卡快速识别接收范围标志位第一个字节最低位为1表示组播处理方式交换机转发到相关成员端口应用价值比广播更精确，比逐个单播更高效4.2MAC地址与以太网帧144.2.2以太网帧以太网把IP分组装入统一的二层信封帧结构让接收端知道给谁、是什么、是否损坏目的MAC接收者源MAC发送者类型上层协议数据IP分组FCS完整性检查4.2MAC地址与以太网帧15以太网V2帧字段长度固定，数据字段在46—1500字节之间最小帧长64字节，MTU通常为1500字节地址字段目的和源MAC各6字节类型字段2字节，标识上层协议数据与FCS数据46—1500字节，FCS4字节4.2MAC地址与以太网帧16字段职责接收端按字段逐步完成过滤、分派与检错字段不是库存清单，而是一条处理链看目的MAC是否接收看类型交给哪个上层协议取出数据得到网络层分组核对FCS错误则丢弃4.2MAC地址与以太网帧17MTUMTU限制帧中有效载荷的最大长度以太网常见MTU为1500字节不超过MTU一个网络层分组可直接装入数据字段超过MTU需要由网络层分片或采用其他适配机制4.2MAC地址与以太网帧184.3数据链路层核心协议地址怎样解析？共享介质上的设备怎样协调发送？ARP→CSMA/CD→CSMA/CA34.3数据链路层核心协议194.3.1ARPARP只做一件事：在本地网络把IP解析成MAC已知逻辑地址，寻找二层交付地址已知目标IP来自上层通信需求查ARP缓存优先使用近期映射广播请求询问谁拥有该IP单播应答目标返回自己的MAC4.3数据链路层核心协议20ARP流程先判断是否同网段，再查询目标或网关的MACARP不跨越广播域工作同网段查询目标主机MAC不同网段查询默认网关MAC缓存命中直接封装帧，避免重复广播4.3数据链路层核心协议21ARP请求ARP请求使用广播：让局域网内所有设备都听到问题询问“谁拥有这个IP？”主机A缓存没有目标映射广播帧目的MAC全F所有主机接收只有目标IP主机响应交换机泛洪请求进入广播域其他端口4.3数据链路层核心协议22ARP应答ARP应答使用单播：答案只返回给询问者请求广而问，应答精准回请求阶段Host1广播查询Host2的MAC应答阶段Host2单播返回自身MAC缓存更新Host1保存IP—MAC映射4.3数据链路层核心协议23本地与远程访问远程主机时，帧的目的MAC是网关而不是远端主机IP目标不变，逐跳二层地址会改变同一局域网ARP解析目标主机MAC帧直接交给目标主机不同局域网ARP解析默认网关MAC帧先交给路由器4.3数据链路层核心协议24RARP到DHCPRARP解决“已知MAC求IP”，DHCP进一步完成主机配置技术演进来自配置需求的扩展RARP根据MAC获取IPBOOTP引导阶段提供网络参数DHCP动态分配IP、掩码、网关、DNS4.3数据链路层核心协议254.3.2CSMA/CD共享有线介质遵循“先听后说，边说边听”载波侦听、多路访问、冲突检测载波侦听先判断信道是否空闲多路访问所有站点平等竞争介质冲突检测发送同时持续监听随机退避冲突后等待随机时间重发4.3数据链路层核心协议26冲突处理检测到冲突后，停止发送、发阻塞信号、随机退避退避减少下一次再次相撞的概率立即停止避免继续浪费介质发送阻塞让所有站点明确冲突随机退避每个站点等待不同时间重新侦听信道空闲后再次尝试4.3数据链路层核心协议27现代意义交换式全双工以太网基本消除了冲突CSMA/CD仍是理解共享以太网的重要基础集线器时代共享总线、半双工、存在冲突域交换机时代端口独享链路、全双工、基本无冲突4.3数据链路层核心协议284.3.3CSMA/CA无线难以可靠检测冲突，因此尽量在发送前避免冲突先听、等待、预约、确认载波侦听先听信道帧间间隔按优先级等待随机退避错开竞争时间RTS/CTS与ACK预约并确认可靠交付4.3数据链路层核心协议29隐藏站问题A和B互相听不到，却可能同时向AP发送发送端无法感知对方，冲突发生在接收端根因两个站点不在彼此覆盖范围冲突点两路信号在AP处重叠缓解RTS/CTS预约信道并结合ACK确认4.3数据链路层核心协议30协议对比CSMA/CD检测冲突，CSMA/CA避免冲突介质不同，访问控制策略也不同CSMA/CD传统共享有线以太网能边发送边检测冲突冲突后停止并退避CSMA/CA无线局域网难以可靠检测冲突通过等待、预约和ACK降低冲突4.3数据链路层核心协议314.4数据链路层设备交换机如何学习、选择、转发或过滤数据帧？独立冲突域→MAC学习→泛洪/转发/过滤44.4数据链路层设备324.4.1交换机的诞生交换机为每个端口建立独立通信路径从共享冲突域走向端口级并发端口独享每个端口形成独立冲突域并发通信多组主机可同时传输安全提升单播帧不再无差别广播给所有端口4.4数据链路层设备33Hub与Switch集线器复制信号，交换机依据MAC选择端口差别不只是速度，而是是否理解帧地址集线器Hub物理层设备收到信号复制到其他端口一个冲突域、共享带宽交换机Switch数据链路层设备读取目的MAC选择端口每端口独立冲突域4.4数据链路层设备344.4.2工作原理交换机通过源MAC自学习建立地址表学习源地址，转发目的地址初始状态MAC表为空学习动作记录源MAC与入端口持续更新每个新帧都会刷新学习结果4.4数据链路层设备35泛洪目的MAC未知时，交换机向除入端口外的其他端口泛洪未知单播与广播都会触发泛洪未知单播MAC表没有目的地址记录广播帧目的地址为全F关键边界不会沿原入端口回送4.4数据链路层设备36转发与过滤已知目的MAC后，交换机只在必要端口转发同端口则过滤，不同端口则定向转发读取目的MAC查询MAC地址表记录不存在泛洪记录在其他端口定向转发记录在入端口过滤丢弃4.4数据链路层设备37工作模式存储转发更可靠，直通转发更低时延现代交换机以存储转发为主存储转发接收完整帧并通过CRC后转发直通转发读到目的地址即可转发，时延低但不检错碎片无冲突读完最小有效长度后转发，折中处理4.4数据链路层设备384.5虚拟局域网如何把一套物理网络划分成多个逻辑广播域？广播域→VLAN→802.1Q→Access/Trunk54.5虚拟局域网394.5.1广播域交换机隔离冲突域，却默认不会隔离广播域网络越大，广播消耗的带宽与CPU越多广播传播ARP等广播会经过多台二层交换机性能影响占用链路并唤醒大量终端处理治理目标把一个大广播域拆成多个小广播域4.5虚拟局域网40VLAN价值VLAN在一套物理网络上划分多个逻辑广播域灵活分组、限制广播、提升安全逻辑隔离同一交换机端口可属于不同VLAN广播控制广播帧只在所属VLAN内部传播组织灵活可按部门、业务或安全等级划分通信边界不同VLAN不能直接二层互通4.5虚拟局域网414.5.2划分方法基于端口的VLAN最直观：端口归属决定广播域终端接入哪个端口，就进入哪个VLANVLAN表记录VLANID与成员端口Access端口通常连接终端，只属于一个业务VLAN优点规划清晰、配置简单、易于验收4.5虚拟局域网424.5.3802.1Q802.1Q在以太网帧中加入4字节VLAN标签交换机根据VLANID控制帧的传播范围TPID标识这是带802.1Q标签的帧TCI包含优先级、CFI与VLANIDVLANID12bit，可表示4096个编号空间4.5虚拟局域网43端口类型Access连接终端，Trunk在交换机之间承载多个VLAN标签何时添加、保留、剥离由端口规则决定Access端口面向不识别VLAN标签的终端入方向按PVID归类出方向通常剥离标签Trunk端口面向交换机等网络设备可允许多个VLAN通过多数业务帧保留标签4.5虚拟局域网44跨VLAN通信不同VLAN之间必须借助三层转发二层隔离，三层互通先交网关主机发现目标位于其他网段三层转发网关在VLAN间路由数据包重新封装到达目标VLAN后生成新的二层帧4.5虚拟局域网454.6TCP/IP模型中的网络接口层实际互联网模型如何融合二层与物理层能力？ARP与成帧→编码与传输64.6TCP/IP模型中的网络接口层464.6网络接口层TCP/IP网络接口层融合OSI的数据链路层与物理层从实践出发，把成帧与信号传输视为一个接入层数据链路功能ARP解析、MAC寻址、以太网封装、FCS检错物理层功能编码、信号传输、接口与介质4.6TCP/IP模型中的网络接口层474.7VLAN配置实验怎样证明配置不仅存在，而且真正实现了隔离目标？规划→配置→查看→连通性验证74.7VLAN配置实验484.7.1基本配置实验VLAN实验先规划，再配置，最后用连通性验证隔离配置命令必须服务于明确的网络目标规划PC1/PC3进VLAN10，PC2/PC4进VLAN20配置创建VLAN并把Access端口加入对应VLAN验证同VLAN互通，不同VLAN不通4.7VLAN配置实验49Access配置逻辑创建VLAN、进入接口、设为Access、加入VLAN理解命令层级比死记命令更重要创建VLANvlan10/vlan20进入接口interface...设为Accessportlink-typeaccess指定VLANportdefaultvlan...4.7VLAN配置实验504.7.2部门隔离实验Trunk让同一VLAN跨越多台交换机交换机互连链路需要同时承载多个VLAN互连端口配置为Trunk允许列表明