计网学习笔记十七.局域网

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ARP协议

MAC地址

ARP: 地址解析协议

ARP协议: 同一局域网内

寻址: 从一个LAN路由至另一个LAN

有了IP，为什么还要MAC

以太网

物理拓扑

不可靠、无连接服务

以太网CSMA/CD算法

以太网帧结构

802.3以太网标准: 链路与物理层

交换机

交换机: 多端口间同时传输

交换机转发表：交换表

交换机: 自学习

交换机: 帧过滤/转发

自学习与转发过程举例

交换机互联

多交换机自学习举例

组织机构(Institutional)网络

交换机 vs. 路由器

网络设备对比

虚拟局域网(VLAN)

VLANs: 动机

VLANs

跨越多交换机的VLAN

PPP协议

点对点数据链路控制

PPP设计需求[RFC 1557]

PPP无需支持的功能

PPP数据帧

字节填充(Byte Stuffing)

802.11无线局域网

IEEE 802.11

体系结构

主机如何连接上无线局域网过程

802.11：多路访问控制

802.11 MAC帧结构

最近家里买了个路由器

ARP协议

MAC地址

mac地址全球唯一，固化在网卡中。如果用软件修改，一定要保证在局域网中唯一

mac地址和ip的区别

• mac地址是链路层的地址，ip是网络层的地址
• mac地址在网卡，机器换个局域网依然可以用这个mac地址，可以携带。ip肯定不行，依赖子网 

ARP: 地址解析协议

LAN：局域网

• 每个主机和路由器，都会维护一个表，mac和ip的关系
• TTL时间后会丢弃，防止ip修改

ARP协议: 同一局域网内

AB结点在同一局域网，如何建立ARP表的过程。TTL超时后重复执行过程。

寻址: 从一个LAN路由至另一个LAN

AB结点不在同一局域网，如下图所示，假设A给B建立连接，发送数据

1. A构造的IP报文，其中源IP地址是A的IP地址，目的IP地址是B的IP地址
2. 但是A还要构造 链路层的帧，把A到B的IP报文封装到帧，帧上添加的源MAC地址是A的MAC地址，目的MAC地址是 R(左)接口的MAC地址
3. (路由器不同接口有不同的ip地址和mac地址，估计是不同的网卡；且电脑A跟路由器一样，也是网络结点、也有路由表，所以A根据路由表会把数据下一跳到路由器R，但A不知道R的左侧接口mac地址，所以根据ARP协议A可以获得R的mac地址)

4.帧从A发送至R

5.R接收帧，提取IP数据报，传递给上层IP协议

6.R转发IP数据报（源和目的IP地址不变！）（这里A的IP不是私有IP，如果是私有IP，需要在路由器R进行NAT转换，把IP报文中的源IP地址转为路由器的IP，可以回顾上一章的NAT）

7.R创建链路层帧(路由器会解析帧到IP包，不会继续解析到传输层段，所以帧是路由器创建的，而不是在原来的帧上修改的)，其中源MAC地址是R(右)接口的MAC地址，目 的MAC地址是B的MAC地址，封装A到B的IP数据报。

创建了新的帧，源MAC地址再次改变，目的MAC也改变，路由器R根据路由表知道下一跳的地址就是B，又通过ARP知道了B的mac地址，于是可以创建新帧的源和目的mac地址。

有了IP，为什么还要MAC

我看没mac也可以。使用mac有两个场景，1数据包从局域网A去局域网B，2经过局域网网关发送到局域网内的一台主机。

1可以通过路由器路由表，决定下一跳到哪个路由器

2.通过NAT，路由器知道具体哪个主机。

可能是因为历史原因，IP和mac不是同时发明的，网上也说不清，有的说MAC在主机最开始动态获得IP时可以标志机器，但DHCP是靠广播的、不需要mac。

-------------------以上是没学以太网、交换机前的理解。学习了交换机就明白了。

• 局域网出入口只有一个路由器，局域网如果很大的话，主机不能直接和路由器通信、而是通过多个交换机。如果局域网很小，就几个主机的话，应该用路由器就够了，比如家里的宽带接一个路由器、几个手机连wifi就相当于在一个局域网。像大企业、大学就得用交换机，一个路由器肯定不够。
• 路由器是用IP工作(网络层设备)，交换机是用mac工作(链路层设备)，在以太网内必须用交换机和mac地址，所以IP和mac都必须存在。
• IP取代不了mac原因，就是以太网内不用路由器，用的是交换机，也许设计以太网的时候没有考虑因特网

以太网

局域网技术中，最有统治力的技术，绝大数的局域网都是以太网

物理拓扑

星型不会长途，每个结点有个单独的冲突域，冲突是上一章学过的链路层冲突

不可靠、无连接服务

可靠性不管，是更上层协议的事

以太网CSMA/CD算法

连续冲突次数越多，平均等待时间越长。

以太网帧结构

• 前导码一般不关注
• 目的mac 源mac各6字节
• 数据最少46字节，如果不够，需要自己填充。
• 数据有差错，直接丢弃

802.3以太网标准: 链路与物理层

不同以太网协议相同，物理介质不同

交换机

透明、自学习

交换机: 多端口间同时传输

• 主机和交换机之间链路，是主机独享的
• 因为是独享，所以不会有冲突，而且全双工
• 交换机可以并行和多个主机传输

交换机转发表：交换表

交换机: 自学习

交换表：目标主机mac地址---交换机对应接口

交换机: 帧过滤/转发

1. 收到帧后，交换机先进行学习，记录帧来源mac和接口 对应关系到交换表。如果表中已经记录，就不管
2. 利用交换表，找到目标mac地址对应的交换机接口
3. 如果目标接口和来源接口 是一个交换机接口，则丢弃，否则就正常转发
4. 如果在交换表中检索不到 目标mac和接口对应关系，就泛洪：把这个帧转发给出源接口的所有接口！

自学习与转发过程举例

1. 交换表为空，第一次发送，从A到A'
2. 交换机收到第一个帧，第一次学习，A和接口1对应
3. 交换机不知道目标A'，所以泛洪，转发到所有接口
4. A'给A发送数据，交换机知道A在哪，直接转发，并且学习到A'对应接口4

交换机互联

多交换机自学习举例

S123不知道怎么转发，就泛洪即可。收到帧就学习。

组织机构(Institutional)网络

• 蓝色的范围内，里面不再有路由器，只有外部一个路由器，说明这是一个IP子网
• 当子网广播地址收到一个帧，交换机会把它转发给所有主机，比如DHCP广播、ARP广播。所以蓝色范围又称广播域

交换机 vs. 路由器

看到这就明白了，为什么有了IP还得要mac。

• 局域网出入口只有一个路由器，局域网如果很大的话，主机不能直接和路由器通信、而是通过多个交换机。
• 局域网内可能有交换机，路由器是用IP工作(网络层设备)，交换机是用mac工作(链路层设备)，所以IP和mac都必须存在

交换机和路由器区别：

• 看图，交换机只解析数据包到链路层帧，路由器要解析到网络层报

网络设备对比

集线器是物理层设备，交换机和网桥都是第二层链路层设备。

网桥和交换机都能隔离冲突域，就是让主机独享一条链路。不能隔离广播域的意思是，连接同一个交换机的所有主机在同一个广播域，交换机一旦广播会广播到所有连接它的主机。

路由器能隔离广播域，是连接路由器的所有主机不一定在一个广播域、不一定是同一个子网。路由器可能连接多个子网、局域网，路由器广播只会给一个子网广播地址发数据

虚拟局域网(VLAN)

VLANs: 动机

• 交换机一旦广播，会把整个蓝色范围的广播域广播
• 如果CS计算机系的主机指向广播CS的范围，怎么办？可以给CS单独连个路由器，把上面的大交换机换成路由器，这样CS EE各自是个单独的子网。但路由器不是唯一的办法

VLANs

一个交换机，可以把端口1-8划分成一个虚拟局域网，把9-16划分为一个虚拟局域网VLAN。利用软件实现、改动交换表，广播只能广播本虚拟局域网

• 除了用端口划分VLAN，也可以用mac地址区分
• 端口可动态分配，猜测是软件上可以做，有页面进行分配
• VLAN之间如果通信，会结合路由器，在第三层网络层做转发。实际中，交换机会内嵌一个路由器

跨越多交换机的VLAN

• 多线缆连接，实际中不采用
• 中继端口，其实课程没细讲具体是如何通过中继端口通信的，只是说跨VLAN的帧802.1q和VLAN内帧802.1不同，需要多携带一些信息，比如来源的VLANID

PPP协议

点对点数据链路控制

上章讲过，多路访问mac有两种链路，广播和点对点，广播比如无线局域网、冲突的协议，点对点比如交换机到主机的这一段没冲突。

如果是点对点，要用到这节讲的

PPP设计需求[RFC 1557]

PPP无需支持的功能

PPP数据帧

字节填充(Byte Stuffing)

就像是java字符串想表示 /  ,只能用 // ，它不知道/ 是标志还是真的数据

802.11无线局域网

无线局域网就是我们常用的wifi

IEEE 802.11

以下几个都是802.11中常用的无线局域网技术，各自有所区别，如占用频率、速率，但都蚕蛹CSMA/CA的mac协议

优缺点比较

体系结构

基站AP，无线主机通过基站连接互联网。 AP就是平常wifi中的路由器。

主机如何连接上无线局域网过程

一个手机能检测到多个wifi，不同的wifi可能用的信道频率相同，如果主动扫描  就是手机主动选择一个wifi连接

主动扫描和被动扫描，不管主动还是被动，最后两步相同，主机像AP发送关联请求帧，AP向主机发送关联响应帧，从而连上wifi。

，

802.11：多路访问控制

wifi是怎么应对信道冲突的？

无线信道不同于上一章的信道，不能监听到所有的冲突

• 下图假设AC之间有物理原因信号屏蔽了，A C都想发消息给B，A在发送，C也检测不到
• 随着距离变多，信号衰减，导致无法互相检测信道冲突

• 发送方监听到信道空闲，不会立刻发送
• 等DIFS后，再次监听
• 如果信道空闲，一次发送所有数据，
• 接收端，收到数据后，等待SIFS后 ACK

• 发送端在发送前，发送一个RTS 预约信道，AP觉得可以就广播CTS，发送端1就可以发送数据了，其他发送端23都得继续预约。但这似乎跟上面讲的没什么关系。

802.11 MAC帧结构

• 主机H1到wifi AP时，mac帧结构 有三个地址，按照上表有目的地址、AP地址、源地址。
• 当AP 到R1路由器时，mac帧结构改变，是以前学过的 目的mac和源mac
• 两个过程用的mac协议应该不同

最近家里买了个路由器

最近家里安装了个路由器，正好把学到的无线局域网知识串起来了。

首先明确概念，生活中常说的路由器是 本节的AP，不是上图中的R1。

我家的猫是光纤入户，物理层用光纤，网速很快，但猫本身的wifi功能很弱，是用来测试猫的，速率低、范围小，所以需要个路由器做wifi。

在京东一搜索，眼花缭乱。看到了一款wifi6，好像很新，有的路由器写着wifi5，有啥区别？

查询结果,很熟悉的协议802.11，是个新版的802.11ax,简称wifi6，这章计网没有提过它，经查询wifi6必须客户端也支持才能连接，因为我的手机不支持wifi6，所以买了个wifi5的路由器。

又查了下wifi5

我又注意到了广告中的2.4GHz和5GHz,查了下笔记，前面有表格说明、每个协议的所用频率和各自特点，2.4GHz远距离传播强但速率低，5GHz远距离弱但速率高。

那如何设置2.4GHz和5GHz？有的手机可以在连接时选择。我的路由器在管理员页面，可以看到哪个终端是用的5g还是2.4g，并且路由器可以设置是否开启5g、是否同时开启两个功能。

在手机连wifi上，可以看到所使用的频率。

后来又想到了手机热点，其实就是把手机当做一个AP，手机打开热点功能时，有高级选项，里面就能设置使用2.4还是5、使用哪个信道、允许最大连接用户数。

本文标签： 局域网 学习笔记