1.链路层和局域网

1.1网络层、链路层和物理层

1. 网络层：

   • 选路：路由器确定去往目的节点的下一跳
   • 转发：在路由器内部将数据报从输入端口转移到输出端口

2. 链路层：

   • 将数据报从一个节点传输到相邻的下一个节点

3. 物理层：

   • 多种类型的传输媒体
     传输原始比特流（无结构）
     容易产生传输错误

4. 一些术语

   • 节点：主机和路由器统称为节点
   • 链路：连接相邻节点的通信信道
     • 有线链路
     • 无线链路
     • 局域网
   • 帧：链路层分组称为帧

1.2链路层服务

1. 组帧（基本服务）
   • 发送：将数据报封装到帧中（加上帧头和帧尾）
   • 接收：从原始比特流中提取出完整的帧
2. 链路接入（广播链路需要）
   • 在广播信道上协调各个节点的发送行为
3. 差错检测（基本服务）
   • 检测传输错误
4. 差错纠正（有些提供）
   • 检测并纠正传输错误（不使用重传）
5. 可靠交付（部分协议提供）
   • 通过确认、重传等机制确保接收节点正确收到每一个帧（停-等、GBN、SR）
   • 低误码率链路（如光纤、某些双绞线）上很少使用，高误码率链路（如无线链路）应当使用
6. 流量控制:
   • 调节发送速度，避免接收节点缓存溢出
   • 提供可靠交付的链路层协议，不需要专门的流量控制
   • 不提供可靠交付的链路层协议，需要流量控制机制
7. 半双工和全双工：
   • 半双工通信时，提供收/发转换

1.3链路层在哪儿实现？

1. 路由器：链路层在线卡（line card）中实现
2. 主机：链路层主体部分在网络适配器（网卡）中实现
3. 线卡/网络适配器连接物理媒体，还实现物理层的功能
4. 链路层由硬件和软件实现：
   • 网卡中的控制器芯片：组帧、链路接入、检错、可靠交付、流量控制等
   • 主机上的链路层软件：与网络层接口，激活控制器硬件、响应控制器中断等

1.3.1网络适配器之间的通信

1. 发送侧:

   • 将数据报封装到帧中
   • 生成校验比特
   • （可选）执行可靠传输和流量控制

2. 接收侧：

   • 提取帧，检测传输错误
   • （可选）执行可靠传输和流量控制
   • 解封装数据报，交给上层协议

1.4检错和纠错

1. 传输出错的类型

   • 单个错：由随机的信道热噪声引起，一次只影响1位
   • 突发错：由瞬间的脉冲噪声引起，一次影响许多位，使用突发长度表示突发错影响的最大数据位数

2. 差错控制编码的类型

   • 检错码：只能检测出传输错误的编码，不能确定出错位置，通常与反馈重传机制结合进行差错恢复
   • 纠错码：能够确定错误位置并自行纠正的编码

1.5如何检测与纠正错误？

1. 码字（codeword）：由 m 比特的数据加上 r 比特的冗余位（校验位）构成
2. 有效编码集：由 2m 个符合编码规则的码字组成
3. 检错：若收到的码字为无效码字，判定出现传输错误
4. 海明距离（Hamming Distance）：两个码字的对应位取值不同的位数（比如，100和101的海明距离为1）
5. 纠错：将收到的无效码字纠正到距其最近的有效码字
   检错码与纠错码的能力都是有限的！

1.5.1编码集的检错与纠错能力

1. 编码集的海明距离：编码集中任意两个有效码字的海明距离的最小值
2. 检错能力：为检测出所有d比特错误，编码集的海明距离至少应为d+1
3. 纠错能力：为纠正所有d比特错误，编码集的海明距离至少应为2d+1

1.5.2差错检测的实施

1. 发送端对要保护的数据D（包括帧头字段）生成校验
   • 位EDC，添加在帧头（尾）中
2. 接收端对收到的数据D’计算校验位，与收到的校验位
   • EDC’比较，不同则判定有错

1.5.3奇偶校验

1. 单比特奇偶校验:
   • 可检测奇数个比特错误
   • 检错率为50%
   • 编码集海明距离为2

2. 二维奇偶校验:
   • 可检测2比特错和纠正单比特错
   • 编码集海明距离为3
   • 有利于检测突发错误
   • 

1.5.4循环冗余校验（CRC）

2. CRC是一种多项式编码，它将一个位串看成是某个一元多项式的系数，如1011看成是一元多项式X3 + X + 1的系数
3. 信息多项式M(x)：由m个信息比特为系数构成的多项式
4. 冗余多项式R(x)：由r个冗余比特为系数构成的多项式
5. 码多项式T(x)：在m个信息比特后加上r个冗余比特构成的码字所对应的多项式，表达式为T(x) = xr·M(x) + R(x)
6. 生成多项式G(x)：双方确定用来计算R(x)的一个多项式
7. 编码方法：R(x) = xr·M(x) ÷ G(x) 的余式（减法运算定义为异或操作）
8. 检验方法：若T(x) ÷G(x)的余式为0，判定传输正确
   CRC码检错能力极强，可用硬件实现，是链路层上应用最广泛的检错码

1.5.5 CRC举例

1. 例1：取G(X) = X3 + 1，对信息比特101110计算CRC码。

   • 解答：
   • 101110 000 ÷1001的余式为R=011 (CRC code)
   • 码字：101110 011

2. 例2：取G(X) = X3 + 1，接收端收到比特串1001001，问是否有错？
   解答：
   1001001÷1001的余式为001（不为0），有传输错误
   

1.5.6要求理解的知识点

1. 检错和纠错的一般性原理
2. 二维奇偶校验、循环冗余码
3. 为什么链路层使用CRC，而其上各层使用checksum？（思考）

1.6链路的两种类型

1. 点到点链路：
   • 仅连接了一个发送方和一个接收方的链路
   • 一条全双工链路可以看成是由两条单工链路组成
2. 广播链路：
   • 连接了许多节点的单一共享链路，任何一个节点发送的数据可被链路上的其它节点接收到

1.7多址接入（Multiple Access）

1. 冲突（collision）

   • 在广播链路上，若两个或多个节点同时发送，发送的信号会发生干扰，导致接收失败

2. 多址接入协议

   • 规定节点共享信道（谁可以发送）的方法
   • 多址接入协议也称媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）协议

1.7.1 理想的多址接入协议

• 在速率为R bps的广播信道上
  1. 当只有一个节点发送时，它应能以速率R发送（信道利用率高）
  2. 当有M个节点发送时，每个节点应能以 R/M的平均速率发送（公平性好、信道利用率高）
  3. 协议是无中心的（分散式）:
     不需要一个特殊的节点来协调发送（健壮性好）
     不需要时钟或时隙同步（不需要额外的机制）
  4. 简单（实现和运行开销小）

1.8MAC协议的分类

1. 信道划分
   • 将信道划分为若干子信道，每个节点固定分配一个子信道，不会发生冲突
   • 关注公平性，轻负载时信道利用率不高
2. 随机接入（竞争）
   • 不划分信道，每个节点自行决定何时发送，出现冲突后设法解决
   • 轻负载时信道利用率高，重负载时冲突严重
3. 轮流使用信道
   • 不划分信道，有数据的节点轮流发送，不会出现冲突
   • 信道利用率高，公平性好，但需引入额外机制

1.8.1（1）信道划分的MAC协议

1. TDMA: 时分多址
   • 将信道的使用时间划分成帧，每个节点在帧中被分配一个固定长度的时间片，每个时间片可以发送一个分组
   • 节点只能在分配给自己的时间片内发送
   • 若节点不发送，其时间片轮空
2. FDMA: 频分多址
   • 将信道频谱划分为若干子频带
   • 每个节点被分配一个固定的子频带
   • 若节点不发送，其子频带空闲
3. CDMA: 码分多址

   • 将每个比特时间进一步划分为m个微时隙（称chip）

   • 每个节点被分配一个惟一的m比特码序列（称chip code）

   • 发送方编码：发送“1”=发送chip code；发送“0”=发送chip code的反码

   • 信号叠加：多个节点发送的信号在信道中线性相加

   • 接收方解码：用发送方的chip code与信道中收到的混合信号计算内积，恢复出原数据

   • 前提条件：任意两个chip code必须是相互正交的

   • CDMA允许所有节点同时使用整个信道！

1.8.2（2）随机接入的MAC协议

1. 随机接入的基本思想：

   • 当节点有数据要发送时，以信道速率R发送，发送前不需要协调
   • 随机接入MAC协议 规定如何检测冲突，以及如何从冲突中恢复

2. 随机接入MAC协议的例子：

   • 发送前不监听信道：ALOHA家族
   • 发送前监听信道：CSMA家族

1.9时分（Slotted） ALOHA

1. 假设:
   • 所有帧长度相同
   • 时间被划分为等长的时隙，每个时隙传一帧
   • 节点只能在时隙开始时发送
   • 节点是时钟同步的（知道时隙何时开始）
   • 所有节点可在时隙结束前检测到是否有冲突发生
2. 操作:
   • 节点从上层收到数据后，在下一个时隙发送
   • 若时隙结束前未检测到冲突，节点可在下一个时隙发送新的帧
   • 若检测到冲突，节点在随后的每一个时隙中以概率P重传，直至发送成功
3. 优点
   • 单个活跃节点可以信道速率连续发送
   • 分散式：节点自行决定什么时候发送
   • 简单
4. 缺点
   发生冲突的时隙被浪费了
   由于概率重传，有些时隙被闲置
   需要时钟同步

1.10时分Aloha的效率

1. 效率：当网络中存在大量活跃节点时，长期运行过程中成功时隙所占的比例

   • 假设: 有N个活跃节点，每个节点在每个时隙开始时以概率P发送
   • 给定节点在一个时隙中发送成功的概率 = p(1-p)N-1
   • 给定时隙中有节点发送成功的概率 = Np(1-p)N-1

   2. 最大效率:

      • 找到令Np(1-p)N-1最大的概率p*
      • 代入Np*(1-p*)N-1，并令N趋向于无穷，得到：
      • 最大效率 = 1/e = 0.37

   3. 最佳情况: 信道用于有效传输的时间仅为37%！

   4. 纯ALOHA:

      • 基本思想：
        • 不需时钟同步，任何节点有数据发送就可以立即发送
        • 节点通过监听信道判断本次传输是否成功
        • 若不成功，立即以概率P重传，以概率（1-P）等待一个帧时后再决定。（帧时：发送一帧的时间，假设帧长度相同）
      • 发生冲突的情形：
        • 在时刻t0发送的帧与在 (t0-1,t0+1) 时段内发送的其它帧冲突
        • 

   5. 纯Aloha的效率:

      • P(给定节点发送成功) = P(节点发送) .
        P(无其它节点在(t0-1,t0]内发送) .
        P(无其它节点在[t0, t0+1)内发送)
        = p . (1-p)N-1 . (1-p)N-1
        = p . (1-p)2(N-1)
   • 求出令节点发送成功概率Np . (1-p)2(N-1)最大的p*，并令N -> infty:
   • 最大效率 = 1/(2e) = 0.18

1.11载波侦听多址接入（CSMA）

1. 发送前监听信道（carrier sensing）：
   • 信道空闲：发送整个帧
   • 信道忙：推迟发送
2. 冲突仍可能发生:
   • 由于存在传输延迟，节点可能没有监听到其它节点正在发送
   • 即使忽略传输延迟，当两个（或多个）节点同时发现信道由忙变为空闲、并都决定立即发送时，仍会发生冲突

1.11.1CSMA/CD (Collision Detection)

1. 若在发送的过程中检测到冲突，怎么办？
   • 继续发送余下的部分（浪费带宽）
   • 停止发送余下的部分
2. CSMA/CD的基本思想：
   • 在发送的过程中检测冲突（发生冲突时信号较强）
   • 检测到冲突后，立即停止发送剩余的部分
   • 立即启动冲突解决的过程

2.以太网MAC协议

• 早期以太网采用CSMA/CD协议:
  1. 网卡从网络层接收数据报，构造以太帧
  2. 若网卡监听到信道空闲，立即发送帧；若信道忙，坚持监听直至发现信道空闲，然后发送帧
  3. 若网卡发送完整个帧而没有检测到冲突，认为发送成功！
  4. 若网卡在传输过程中检测到冲突，立即停止发送帧，并发送一个阻塞信号（加强冲突）
  5. 网卡进入指数回退阶段，选择一个等待时间:
     第一次冲突后: 从{0,1}中选择K，延迟K· 512比特时间
     第二次冲突后: 从{0,1,2,3}中选择K，……
     第三次冲突后: 从{0,1,2,3,4,5,6,7}中选择K，……
     ……
     第10次冲突后，从{0,1,2,3,4,…,1023}中选择K，……
  6. 返回Step 2
     注：512比特是一个最小以太帧的长度
  • 指数回退的目的是根据网络负载调整重传时间：
    负载越重（冲突次数越多），等待时间的选择范围越大，再次发生冲突的可能性越小

2.1CSMA/CD的效率

• $T_{prop}$ = 以太网中任意两个节点之间传播延迟的最大值
• $t_{trans}$ = 最长帧的传输时间
  
• 在以下情况下，以太网的效率趋近于1：
  • $T_{prop}$ 趋近于 0，或
  • $t_{trans}$趋向于无穷

结论：应控制以太网的规模

2.2（3）轮流MAC协议

1. 轮询
   • 主节点轮流“邀请”从节点发送，邀请到的从节点允许发送
2. 缺点:
   • 引入轮询延迟
   • 单点失效（主节点）
3. 令牌传递
   • 网络中有一个令牌，按预定顺序在节点间传递
   • 获得令牌的节点可以发送
   • 发送完数据后释放令牌
4. 缺点：
   • 令牌传递延迟
   • 单点失效（令牌）

2.3MAC协议小结

1. 按照时间、频率、编码划分信道：
   • 时分多址、频分多址、码分多址
2. 随机接入：
   • 纯ALOHA, S-ALOHA（ALOHA网络）
   • CSMA/CD（早期以太网）
   • CSMA/CA（802.11）（第7章）
3. 轮流访问：
   • 中心节点轮询（蓝牙）
   • 令牌传递（FDDI、IBM令牌环、令牌总线）

2.4MAC协议比较

1. 信道划分MAC协议:
   重负载下高效：没有冲突，节点公平使用信道
   轻负载下低效：即使只有一个活跃节点也只能使用1/N的带宽
2. 随机接入MAC协议：
   轻负载时高效：单个活跃节点可以使用整个信道
   重负载时低效：频繁发生冲突，信道使用效率低
3. 轮流协议（试图权衡以上两者）：
   按需使用信道（避免轻负载下固定分配信道的低效）
   消除竞争（避免重负载下的发送冲突）

3.局域网、城域网和广域网

1. 局域网LAN（Local Area Network）
   将小范围内的计算机及外设连接起来的网络，范围在几公里以内，通常为个人或机构所有

2. 城域网MAN（Metropolitan Area Network ）
   通常覆盖一个城市的范围（几十公里），要能支持数据、音频和视频在内的综合业务，服务质量好，支持用户数量多

3. 广域网WAN（Wide Area Network）
   通常覆盖一个国家或一个洲（一百公里以上），规模和容量可任意扩大

3.1链路层编址

1. 每个适配器有一个MAC地址
   • 

3.2 MAC地址类型

1. 帧的目的MAC地址有三种类型：
   • 单播地址：适配器的MAC地址，地址最高比特为0
   • 多播地址：标识一个多播组的逻辑地址，地址最高比特为1
   • 广播地址：ff:ff:ff:ff:ff:ff
2. 网络适配器仅将发送给本节点的帧交给主机：
   • 目的地址为适配器MAC地址的单播帧
     所有广播帧
   • 指定接收的多播帧
3. 若将适配器设置成混收模式，适配器将收到的所有帧交给主机

3.3MAC地址和IP地址

1. 世界上先有MAC地址，后有IP地址
2. 在TCP/IP（互联网）出现之前，只使用MAC地址在单个的物理网络中寻址
3. 为什么有了MAC地址，还需要IP地址？
   • MAC地址是扁平结构的，无法在因特网范围内快速确定接口的位置
   • IP地址是有结构的，可以在因特网范围内快速确定网络接口的位置
4. IP地址与MAC地址没有固定的关联关系：
   • MAC地址与网卡绑定，与节点在哪个子网无关
   • IP地址与所在子网有关，与网卡没有关系

3.4如何将数据报发送到下一跳？

1. 当发送节点A、接收节点B位于同一个物理网络上时，数据报可从A直接交付给B：
   • A的网络层将数据报、B的MAC地址交给数据链路层
   • A的数据链路层将数据报封装在一个链路层帧中，帧的目的地址=B的MAC地址
   • B的适配器收到帧，根据目的MAC地址判断是发给本机的，取出数据报交给网络层
2. 问题：
   • A的网络层如何得知B的MAC地址？

4. 地址解析（Address Resolution）

1. 问题：已知IP地址，如何得到对应的MAC地址？
2. 静态映射IP地址-MAC地址的缺点：
   • 主机每次使用的IP地址可能不同（DHCP）
   • 主机可能更换网卡
3. 地址解析协议（ARP）用于动态获得IP地址-MAC地址映射，其基本思想是：
   • 若节点A希望获得节点B的MAC地址，节点A广播B的IP地址（地址解析请求）
   • 节点B用自己的MAC地址进行响应

4.1ARP报文格式

1. 硬件类型：硬件接口类型。对于以太网，该值为“1”。
2. 协议类型：高层协议地址类型。对于IP地址，该值为080016。
3. 操作：ARP请求为1，ARP响应为2
4. 在以太网上，ARP报文封装在以太帧中传输

4.2地址解析的过程

1. A想知道B的MAC地址：
   • A构造一个ARP请求，在发送方字段填入自己的MAC地址和IP地址，在目标字段填入B的IP地址
   • A将ARP请求封装在广播帧中发送
   • 每个收到ARP请求的节点用目标IP地址与自己的IP地址比较，地址相符的节点进行响应（B响应）
   • B构造一个ARP响应，交换发送方与目标字段内容，在发送方硬件地址字段填入自己的MAC地址，修改操作字段为2
   • B将ARP响应封装在单播帧（目的地址为A的MAC地址）中发送
   • 举例：
     • IP地址为$130.23.43.20$、物理地址为$\text{oxB23455102210}$的主机，要获得IP地址为$130.23.43.25$的主机的MAC地址
     • 

4.3改进ARP的措施：ARP缓存

1. 每个节点在内存中维护一个地址映射（绑定）表，称ARP缓存
2. 每次发送数据报前先查询ARP缓存，若找不到则发送ARP请求，并在收到ARP响应后将地址映射缓存起来
3. ARP缓存中的信息，在超时（一般为15～20分钟）后删除

4.4改进ARP的措施：主动学习

1. 从ARP请求中获取地址绑定信息：

   • 每个节点可以收到全部的ARP请求报文，可将发送节点的地址映射缓存到自己的ARP表中

2. 节点在启动时自动广播自己的地址映射：

   • 节点A在启动时主动广播一个ARP请求，在目标字段内填入自己的IP地址
   • 收到ARP请求的节点将A的地址映射缓存起来
   • 若A收到ARP响应，报告IP地址重复错误

4.5数据报如何从源主机到达目的主机

数据报从A经过R到达B：

- 根据转发表，A知道下一跳为111.111.111.110（R-1）
- 根据转发表，R知道B从其端口R-2直接可达

4.6 重要的知识点

1. 为什么有了MAC地址，还需要IP地址？
2. 地址解析：
   • ARP过程，ARP缓存
3. 分组逐跳转发的过程：
   • 仔细梳理源主机、路由器、目的主机上分别进行了什么操作，分组是如何逐跳地从源主机经路由器到达目的主机的

5. 以太网

1. 第一个广泛应用的局域网技术，也是目前占主导地位的有线局域网技术
2. 与其它的局域网技术相比，技术简单、成本低
3. 为提高速率，以太网技术不断演化和发展
4. 速率持续提高：10 Mbps -> 100Mbps -> 1Gbps -> 10 Gbps -> 40Gbps -> 100Gbps -> …

5.1总线拓扑：共享式以太网

1. 总线（1970s中期）：
   • 以同轴电缆作为共享传输媒体（总线）
   • 所有节点通过特殊接口连接到这条总线上
     
2. 集线器（1990s后期）：
   • 一个物理层中继器，从一个端口进入的物理信号（光，电），放大后立即从其它端口输出
   • 集线器相当于共享电缆
     

5.2星型拓扑：交换式以太网

1. 交换机（21世纪早期）：
   • 主机通过双绞线或光纤连接到交换机
   • 主机与交换机之间为全双工链路
   • 交换机在端口之间存储转发帧（链路层设备）
2. 交换式以太网不会产生冲突，不需使用CSMA/CD协议！
3. 星型拓扑：
   • 各节点仅与中心节点直接通信，各节点之间不直接通信
   • 不同于基于hub的星型连接

5.3以太帧结构

Preamble（前导码）:
- 7个10101010字节，后跟一个10101011字节，用于在发送方和接收方之间建立时钟同步
- 一般不计入以太帧的长度
Dest.Address/Src Address：目的/源MAC地址
Type（2字节）: 指出Data所属的高层协议（如IP、ARP等），每个协议有一个编号
Data：46～1500字节，不足46字节填充至46字节
CRC（4字节）: 对dest addr.、src addr.、type和data四个字段计算得到的CRC码

5.4无连接、不可靠的数据传输

1. 无连接:
   • 发送方网卡与接收方网卡之间没有握手
2. 不可靠:
   • 接收方网卡不发送确认
   • 接收方网卡丢弃CRC错误的帧
   • 依靠上层协议（TCP或应用）进行错误恢复

5.5为什么有最小帧长的要求？

1. CSMA/CD协议规定，发送方仅在发送的过程中检测冲突；为保证在发送结束前检测到冲突，帧的发送时间必须足够长：

   • 节点检测冲突需要时间

   • 

   • 假设信号在相距最远的两个适配器之间的往返延迟为2τ，则帧的发送时间不应小于2τ，即帧的最小长度≧链路速率×2τ

2. 为什么最小帧长为64字节（不包括前导码）：
   • 根据早期以太网的最大直径（2500米）和数据速率（10Mbps）计算得到

6. 802.3以太网标准: 链路层 & 物理层

1. 历史上出现过许多不同的以太网技术：

   • 链路层相同：MAC协议，帧格式，帧处理
   • 物理层不同：
     • 传输媒体: 光纤，同轴电缆，双绞线
     • 数据速率: 如10Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, …
     • 物理层编码方式

2. 所有这些以太网技术由IEEE 802.3工作组标准化，形成IEEE 802.3标准族

3. 10Mbps以太网（早期以太网）

   1. 10Base-5：
      • 基带同轴电缆（粗），每段电缆最大长度500米
   2. 10Base-2：
      • 基带同轴电缆（细），每段电缆最大长度约200米
   3. 10Base-T
      • 3类双绞线和集线器，双绞线最大长度100米
   4. 10Base-F
      • 多模光纤和集线器，光纤最大长度2000米
   5. 仅能使用光纤/双绞线，以及集线器/交换机
   6. 100Base-TX（可使用集线器或交换机）：
      5类双绞线（2对），不超过100米
   7. 100Base-T4 （可使用集线器或交换机） ：
      3类双绞线（4对），不超过100米
   8. 100Base-FX（只能使用交换机）：
      多模光纤（2条），不超过2000米

4. 千兆、万兆以太网

   • 使用交换机，并增加了对流量控制的支持
   1. 1000Base-SX：
      • 多模光纤，不超过550米
   2. 1000Base-LX：
      • 单模或多模光纤，不超过5000米
   3. 1000Base-CX（很少用）：
      • 2对屏蔽双绞线，不超过25米
   4. 1000Base-T：
      • 4对5类双绞线，不超过100米
   5. 10GBase-T：
      • 只使用光纤，长距离用单模光纤，短距离用多模光纤

6.1 以太网交换机

1. 链路层设备：
   • 存储-转发帧：检查输入帧的MAC地址，有选择地将帧转发到一条或多条输出链路
2. 对主机透明
   • 交换机没有MAC地址，主机不需要了解有关交换机的任何信息，感觉不到交换机的存在
3. 即插即用，自主学习
   • 交换机不需要配置
   • 

6.2交换机如何转发？

1. Q: 交换机如何知道A’通过端口4可达，而B’通过端口5可达？
   • A: 每个交换机内部有一张转发表，每个表项记录以下信息:
     MAC地址，去往该MAC地址的端口
2. Q: 转发表是如何建立和维护的？
   • 

6.3自主学习

1. 交换机自主学习“哪个主机通过哪个端口可达”：
   • 当一个帧到达时，交换机从源MAC地址了解到发送节点，从帧到来的端口了解到发送节点的位置（从该端口可达）
   • 在转发表中记录发送节点和可达端口

6.4 帧的过滤和转发

6.4.1交换机收到帧的处理过程

1. 用帧的目的地址查找转发表（转发决策）：
   • 若目的地址所在端口 = 帧的进入端口，丢弃帧
   • 若目的地址所在端口 ≠ 帧的进入端口，转发帧
   • 若目的地址不在转发表中，扩散帧
2. 用帧的源地址查找转发表（更新转发表）：
   • 若找到地址，更新相应表项
   • 若没有找到该地址，添加源地址和进入端口到转发表，设置表项的生存期为最大值
3. 举例
   1. 目的地址未知:
      • 扩散
   2. 目的地址A已知:
      • 按照转发表转发
   3. 

6.5 级联交换机

1. 多个交换机也可以级联在一起，将更多或更大范围内的节点连接到一个网段中

   • 
   • Q: 数据包要从A发往F，交换机S1如何知道应转发给S4，而S4如何知道应转发给S2？
     • A: 通过自主学习！（与单交换机情形相同）

2. 举例：

   • 假设C发送一个帧给I，I响应C：
     
   • Q: 给出 S1, S2, S3, S4 中的转发表和包转发决策
   • 解答：
     • 

6.6有环网络和生成树算法

1. 实际的网络是有环网络：
   • 实际网络不采用树状结构（可靠性不高），而是存在冗余链路，即网络中存在环
   • 在有环的网络中扩散帧会造成冗余传输，且不能终止
2. 解决方法（构造网络的生成树）：
   • 在有环的物理网络上建立一个无环的网络拓扑（生成树），正常情况下只使用无环拓扑转发帧
3. IEEE 802.1D标准化了构造生成树的分布式算法：
   • 首先选举具有最小序列号的交换机作为生成树的根
   • 按照根到各个交换机的最短路径构造生成树
   • 只有位于生成树中的交换机可以在属于生成树的边上发送
   • 当有节点或链路发生故障时，重新计算一个无环拓扑

6.7交换机 vs. 路由器

1. 交换机工作于链路层，根据MAC地址存储转发帧
2. 路由器工作于网络层，根据IP地址存储转发数据报
3. 交换机不能连接异构链路（即MAC协议不同的网络），因为交换机只是按原样转发帧
4. 路由器可以连接异构链路，因为路由器需重新封装链路层帧
5. 交换机不能阻断广播帧的传播：
   • 交换机只能学习到单播MAC地址，所有广播帧都会扩散发送
   • 通过交换机连接的所有主机在同一个广播域中
6. 路由器可以阻断广播帧的传播：
   • 路由器根据IP地址转发包（看不到MAC地址）
   • 每个路由器端口是一个独立的广播域
7. 冲突域：
   • 共享同一条广播链路的主机集合
   • 任何一个主机发送的帧（各种帧），可被冲突域中的其它主机接收到
8. 广播域：
   • 广播帧能够到达的主机集合
   • 广播风暴：广播帧在网络中大量传播，消耗大量资源

6.8 三层交换机和路由器

1. 路由器可分隔二层网络，但转发速度慢、成本高
2. 三层交换机：
   • 具有部分路由功能、又有二层转发速度的交换机
   • 专为加快大型局域网内部的数据交换而设计
   • 但在安全、协议支持等方面不如专业路由器
3. 机构网络中三层交换机和路由器的使用：
   • 三层交换机：通常用在机构网络的核心层，连接不同的子网或虚拟局域网（每个虚拟局域网是一个独立的子网）
   • 专业路由器：连接机构网络与外网

6.9三层交换机为什么快？

1. 路由器转发IP包的过程：
   • 用目的IP地址查找转发表，获得下一跳IP地址及端口
   • 利用ARP获得下一跳MAC地址
   • 用下一跳MAC地址构造链路层帧，发送
2. 三层交换机转发IP包的过程：
   • 将以上第1、第2步的结果缓存起来（以目的IP地址为索引，哈希表）
   • 用目的IP地址查找缓存（一次精确匹配）：
     1. 若命中，直接用下一跳MAC地址构造链路层帧，发送
     2. 若未命中，执行以上第1、2、3步
3. 三层交换机转发速度快的原因：
   • 一次选路，多次转发

6.9.1 网络连通

6.10 两级编址

1. 两级编址: IP网络，物理网络
2. IP层提供统一的网络视图：地址，包格式
3. 底层可以是任意的物理网络：
   • cable
   • satellite
   • 56K telephone modem
   • today: ATM, MPLS
   • …
4. 物理网络对于IP层是不可见的，对于IP来说物理网络只是一条虚拟链路而已！

总结

1. 数据链路层服务原理：
   • 差错检测与纠正
   • 共享广播信道：多址技术
   • 链路层编址，ARP
2. 链路层技术实例：
   • 以太网
3. 综合: a day in the life of a web request