[计算机网络005]局域网

一、ARP协议：

1.MAC地址:

又称为LAN地址，物理地址，以太网地址。MAC地址（Media Access Control Address），也称为物理地址或硬件地址，是由网络设备制造商生产时烧录在网卡的EPROM中。

(1)作用：用于局域网内标识一个帧从哪个接口出发，到达哪个物理相连的其他接口。每个网络设备的MAC地址都是唯一的，用于在局域网内标识和定位设备，MAC地址在数据帧的头部包含源MAC地址和目的MAC地址，确保数据能够准确地被传送到目标设备。

(2)结构：它由48位二进制数组成，通常表示为12个十六进制数字，每两个十六进制数之间用冒号、破折号或点分隔。对于局域网之中的每一块网卡都有一个唯一的MAC地址。其中高24位代表了生产厂商。

在以太网环境中，数据的传输所依懒的是MAC地址而非IP地址，而将已知IP地址转换为MAC地址的工作是由ARP协议来完成的。

2.ARP协议：

引入一个问题：在同一个LAN（局域网（LAN）是指在相对较小的地理区域内，通过传输介质连接的一组计算机及其外围设备的网络）之中如何在已知目的接口的IP地址前提下确定其MAC地址？

对于LAN之中的每一个IP节点(z主机、路由器)都会维护一个表：存储某些LAN节点的IP/MAC地址的映射关系<IP地址 ,MAC地址，TTL>，在这里的TTL标识这个映射关系的生存时间。

 接下来我们看在同一个局域网之中的情况：

当A希望给同一个局域网内B发送数据报，B的MAC地址不在A的ARP表之中。A广播ARP查询分分组，分组之中含有B的IP地址其中MAC地址以:FFFFFFFFFFFF表示，LAN之中的所有节点都会收到ARP查询，随后B成功接收ARP查询分组，IP地址匹配成功，向A应答B的MAC地址（利用单播帧向A发送应答），A在其ARP表之中，缓存B的IP-MAC地址对，直至超时（超时以后再次刷新）

接下来我们看从一个LAN路由到另一个LAN：

即通过使用路由器两个节点实现通信。

①首先节点A构造IP数据报，其中源IP地址是A的IP地址，目的IP地址是B的IP地址。

②A构造链路层帧，其中源MAC地址是A的MAC地址，目的MAC地址是路由器R左侧接口的MAC地址，封装A到B的数据报。

③随后该帧从A发送到R，R接收帧，提取IP数据报，传递个给上层IP协议。

④R转发IP数据报（源和目的IP地址不变）

⑤R创建链路数据帧，其中源MAC地址为路由器的右侧R接口的MAC地址，目的MAC地址是B的MAC地址，封装A到B的数据报。

二、以太网： 

以太网作为一种协议，它规定了如何在局域网中传输数据帧（Frames），这些帧包含了源地址、目的地址、数据和错误校验等信息。以太网协议定义了一系列软件和硬件标准，从而将不同的计算机设备连接在一起。在物理层，以太网使用双绞线、光纤或同轴电缆等介质进行数据传输。在数据链路层，以太网使用CSMA/CD（载波监听多路存取及碰撞检测）技术来管理对共享传输介质的访问。

1.内容：

NIC:以太网的NIC是网络接口卡（Network Interface Card）。网络接口卡，通常被称为网卡或局域网接收器，是一种硬件设备，用于将计算机连接到局域网（LAN）。它允许计算机通过网络与其他设备进行通信。NIC在OSI模型中主要涉及物理层和数据链路层。物理层负责数据的传输和接收，包括电信号和光信号的处理；数据链路层则负责数据帧的构建、错误检测和纠正等。

无连接：发送帧的网卡和接受帧1的网卡之间没有握手的过程。

不可靠：接受网卡不向发送网卡进行确认。差错帧直接丢弃，对于数据丢失则寄希望于高层协议TCP。

以太网的MAC协议：采用二进制制数退避算法的CSMA/CD

2.以太网的CSMA/CD算法： 

①NIC从网络层接收数据报，创建数据帧，

②监听信道，如果NIC监听到信道空闲，那么就开始发送帧。如果监听到信道忙，则一直等待到信道空闲，然后发送帧。

③NIC发送完整个帧以后，而没有检测到其他节点的数据发送，则NIC确认帧发送成功。

④如果NIC检测到其他节点发送数据帧，则中止发送，并且发送堵塞信号。

⑤中止发送以后，NIC进入二进制指数退避：第m次连续冲突以后，取n=Min(m,10),随后我们从{0，1，2，.......二的n次减去1}之中随机选择一个数据K，随后NIC等待K*512比特的传输延迟时间，再返回第二步。

3.以太网的MAC帧的格式：

 

其中的目的地址和源地址均为6位的MAC地址。类型指出数据域携带的数据应该交给哪个协议实体处理，FCS：4字节，检验范围从目的地址段一直到数据段的末尾，采用32位的CRC。 

三、交换机：

1.交换机的定义：

用于存储-转发以太网帧的数据链路层设备。交换机主要用于在同一局域网（LAN）内连接多台设备，负责将数据帧转发到目的设备。它通过设备的MAC地址来决定如何转发数据，确保高效地实现设备之间的通信。

2.交换机的工作方式：

交换机是一种网络设备，主要作用是在局域网中实现数据的转发和交换。交换机的工作过程如下：

1. 接收数据帧：交换机通过网卡接口接收到来自网络中的数据帧。

2. 解析目的MAC地址：交换机从数据帧中读取目的MAC地址，并将该地址与自己的MAC地址表进行比较。

3. 查找目的MAC地址：如果目的MAC地址在MAC地址表中已经存在，则交换机根据表中对应的端口将数据帧发送到目的主机。

4. 广播数据帧：如果目的MAC地址在MAC地址表中不存在，则交换机会将数据帧广播给所有连接的端口，以便寻找目的主机。

5. 学习源MAC地址：当交换机接收到数据帧时，会将来源MAC地址添加到MAC地址表中，以便下次转发时可以直接找到该地址。

6. 转发数据帧：根据目的MAC地址的查找结果，交换机将数据帧发送到目的主机所在的端口。

7. 更新MAC地址表：如果目的MAC地址不在MAC地址表中，则交换机会将源MAC地址和接收到数据帧的端口添加到MAC地址表中，以便将来转发时可以直接找到该地址。

通过以上工作过程，交换机可以实现数据的快速转发和交换，提高局域网的传输效率和安全性

 3.对比交换机和路由器：

1. 工作层次

   • 路由器：工作在OSI模型的第三层（网络层）。
   • 交换机：工作在OSI模型的第二层（数据链路层）。

2. 数据转发

   • 路由器：根据IP地址进行数据包的路由和转发。它通过查找路由表确定数据包的最佳路径，并将数据包发送到下一个路由器或目的网络。
   • 交换机：根据MAC地址进行数据帧的转发。交换机会建立MAC地址表，将数据帧直接转发到目的设备的端口。

3. 应用场景

   • 路由器：主要用于连接不同的网络，如局域网和广域网之间的连接。常见于公司内部网络与互联网的连接，或者不同部门之间的网络连接。
   • 交换机：主要用于同一网络内的多个设备之间的连接。例如公司内部的服务器、计算机、打印机等设备的连接。
4. 总而言之：路由器主要用于不同网络之间的连接和路由选择，而交换机则专注于同一网络内的数据传输和管理。

四、VLAN 技术：

1.定义：

VLAN是一种将一个物理的LAN在逻辑上分割成多个广播域的通信技术。VLAN内的主机可以直接通信，而VLAN间的主机则不能直接互通，从而限制了广播报文的范围，提高了网络的性能和安全性。（因为有时候只要目的计算机能收到数据帧就万事大吉了。可是事实上，数据帧却传遍整个网络，导致所有的计算机都收到了它。如此一来，一方面广播信息消耗了网络整体的带宽，另一方面，收到广播信息的计算机还要消耗一部分CPU时间来对它进行处理。造成了网络带宽和CPU运算能力的大量无谓消耗）

2.原理：

首先，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。

这时，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。

 就这样，VLAN通过限制广播帧转发的范围分割了广播域。上图中为了便于说明，以红、蓝两色识别不同的VLAN，在实际使用中则是用“VLAN ID”来区分的。

VLAN之间的路由：

根据目前为止学习的知识，我们已经知道两台计算机即使连接在同一台交换机上，只要所属的VLAN不同就无法直接通信。接下来我们将要学习的就是如何在不同的VLAN间进行路由，使分属不同VLAN的主机能够互相通信。

首先，先来复习一下为什么不同VLAN间不通过路由就无法通信。在LAN内的通信，必须在数据帧头中指定通信目标的MAC地址。而为了获取MAC地址，TCP/IP协议下使用的是ARP。ARP解析MAC地址的方法，则是通过广播。也就是说，如果广播报文无法到达，那么就无从解析MAC地址，亦即无法直接通信。

计算机分属不同的VLAN，也就意味着分属不同的广播域，自然收不到彼此的广播报文。因此，属于不同VLAN的计算机之间无法直接互相通信。为了能够在VLAN间通信，需要利用OSI参照模型中更高一层——网络层的信息（IP地址）来进行路由。

利用路由器实现：

在使用路由器进行VLAN间路由时，与构建横跨多台交换机的VLAN时的情况类似，我们还是会遇到“该如何连接路由器与交换机”这个问题。路由器和交换机的接线方式，大致有以下两种：

（1）将路由器与交换机上的每个VLAN分别连接

（2）不论VLAN有多少个，路由器与交换机都只用一条网线连接

最容易想到的，当然还是“把路由器和交换机以VLAN为单位分别用网线连接”了。将交换机上用于和路由器互联的每个端口设为访问链接（Access Link），然后分别用网线与路由器上的独立端口互联。如下图所示，交换机上有2个VLAN，那么就需要在交换机上预留2个端口用于与路由器互联；路由器上同样需要有2个端口；两者之间用2条网线分别连接。