Computer Network Learning

即链路层和局域网

Outline

  1. introduction, services
  2. error detection, correction
  3. multiple access protocols *
  4. LANs *
    • addressing, ARP
    • Ethernet
    • switches
    • VLANS
  5. link virtualization: MPLS（少考）
  6. data center networking（少考）
  7. a day in the life of a web request

笔记-计算机网络-自顶向下 | FEZ 的博客 (toby-fish.github.io)open in new window

为了透彻理解链路层以及它是如何与网络层关联的，我们考虑一个交通运输的类比例子。

假设一个旅行计划为游客开辟从美国新泽西州的普林斯顿到瑞士洛桑的旅游路线。假定该旅行社认为对于游客而言最为便利的方案是：从普林斯顿乘豪华大轿车到 JFK 机场，然后乘飞机从 JFK 机场去日内瓦机场，最后乘火车从日内瓦机场到洛桑火车站。一旦该旅行社作了这 3 项预定，普林斯顿豪华大轿车公司将负责将游客从普林斯顿带到 JFK，航空公司将负责将游客从 JFK 带到日内瓦，瑞士火车服务将负责将游客从日内瓦带到洛桑。该旅途中 3 段中的每一段都在两个“相邻”地点之间是“直达的”。注意到这 3 段运输是由不同的公司管理，使用了完全不同的运输方式（豪华大轿车、飞机和火车）。尽管运输方式不同，但它们都提供了将旅客从一个地点运输到相邻地点的基本服务。

在这个运输类比中，一个游客好比一个数据报，每个运输区段好比一条链路，每种运输方式好比一种链路层协议，而该旅行社好比一个路由选择协议。

一些概念：

  • 节点（node）：运行链路层协议的任何人设备，如：主机、路由器、网桥、交换机等；
  • 链路（link）：沿着通信路径连接相邻节点的通信信道，包括：
    • 有线链路
    • 无线链路
    • 局域网，共享性链路
  • 数据单元帧（frame）：封装数据报，位于第二层协议

链路层提供的服务

数据链路层负责从一个节点通过链路将（帧中的）数据报发送到相邻的物理节点（一个子网内部的 2 节点）。

  • 成帧（Framing）、链路接入（Link access）：
    • 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；
    • 媒体访问控制（Medium Access Control，MAC） 协议规定了帧在链路上传输规则；
  • 可靠交付（Reliable deliver）、差错检测和纠正（Error detection and correction）：
    • 第三章传输层的可靠数据传输
    • 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

为什么在链路层和传输层都实现了可靠性？

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。

链路在何处实现

链路层的主体部分在网络适配器（network adapter）中实现，网络适配器有时也称为网络接口卡（Network Interface Card，NIC）。位于网络适配器核心的是链路层控制器，该控制器通常是一个实现了许多链路层服务（成帧、链路接入、差错检测等）的专用芯片。

一个典型的主机体系结构如下图所示：

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Error detection, correction

差错检测与纠正的场景如下图所示：

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差错检测和纠正技术有：

  1. 奇偶校验，包括使用单个奇偶检验位（parity bit）和二维奇偶校验（two-dimensional parity）；
  2. 检验和方法；
  3. 循环冗余检测（Cyclic Redundancy Check, CRC）编码

EDC

  • EDC=差错检测和纠正位（冗余位）
  • D=数据由差错检测保护，可以包含头部字段错误检测。

错误检测不是 100%可靠的！

  • 协议会漏检一些错误，但是很少
  • 更长的 EDC 字段可以得到更好的检测和纠正效果

Parity Checks

单个奇偶校验位（single bit parity）：detect single bit errors

发送 d 比特信息附加一个比特使 d+1 比特中 1 的总数是偶数（偶校验）或奇数（奇校验），偶校验如下图所示：

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但注意此种方法只能检测不能纠错，并且也不能检测超过 1 比特位的错误。

二维奇偶校验（two-dimension parity）：detect and correct single bit errors

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Cyclic Redundancy Check(CRC)

计算机网络中广泛应用的差错检测技术基于循环冗余检测（Cyclic Redundancy Check，CRC）编码，也称为多项式编码（polynomial code），CRC 如下图所示：

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其中 R 计算：

R=remainderD⋅2rG R=remainder\frac{D\cdot2^r}{G}

Multiple access protocols

多路访问链路和协议，或者说全称 Multiple Acess Links and Protocol。

两种类型的网络链路：

  • 点对点链路（point-to-point link）
    • 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（broadcast link）：共享线路或媒体
    • 传统以太网
    • HFC 上行链路
    • 802.11 无线局域网

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多路访问协议

  • 单个共享的广播型链路
  • 传输的帧在接收方可能在接收方处碰撞/冲突（collide）。
  • 分布式算法-决定节点如何使用共享信道，即：决定节点什么时候可以发送？

在理想情况下，对于速率为 R bps 的广播信道，多路访问协议应该具有以下所希望的特性：

  1. 当且仅当一个节点发送数据时，该节点具有 R bps 的吞吐量；

  2. 当有 M 个节点发送数据时，每个节点吞吐量为 R/M bps。这不必要求 M 个节点中的每一个节点总是有 R/M 的瞬时速率，而是每个节点在一些适当定义的时间间隔内应该有 R/M 的平均传输速率；

  3. 协议是分散的，这就是说不会因为某主节点故障而使整个系统崩溃

    （高级的说法：没有特殊节点协调发送、没有时钟和时隙的同步）

  4. 协议是简单的，使实现不昂贵

现在主流的 3 种类型多路访问协议（介质访问控制协议，MAC）：

  • 信道划分协议（channel partitioning protocol）
    • 把信道划分成小片（时间、频率、编码）
    • 分配片给每个节点专用
  • 随机接入协议（random access protocol）
    • 信道不划分，允许冲突
    • 冲突后恢复
  • 轮流协议（taking-turns protocol）
    • 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

信道划分协议

Channel Partitioning Protocols

时分多路复用（time division multiple access，简称 TDMA）：

  • 轮流（“rounds”）使用信道（channel），信道的时间分为周期
  • 每个站点使用每周期中固定的时隙（长度=帧传输时间）传输帧
  • 时隙空闲（浪费）主要出现在站点无帧传输

频分多路复用（frequency division multiple access，简称 FDMA）：

  • 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
  • 浪费主要出现在分配给站点的频段没有被使用

码分多址（Code Division Multiple Access，简称 CDMA）

  • 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
  • 完全没有冲突（假定信号同步很好，线性叠加）

随机接入协议

Random Access Protocols

Slotted ALOHA

Slotted 时隙，ALOHA 是夏威夷土著语，意为“你好”、“谢谢”。

假设：

  • all frames same size
  • time divided into equal size slots(时间划分为大小相等的插槽) (time to transmit 1 frame)
  • nodes start to transmit only slot beginning(插槽开头)
  • nodes are synchronized（同步过）
  • if 2 or more nodes transmit in slot, all nodes detect collision(所有节点都检测到冲突)

在每个节点中，时隙 ALOHA 的操作如下：

  • 当节点有一个新帧要发送时，它等到下一个间隙开始并在该时隙传输整个帧；
  • 如果没有碰撞，该节点成功地传输它的帧，从而不需要考虑重传该帧；
  • 如果有碰撞，该节点在时隙结束之前检测到这次碰撞，该节点以概率 p 在后续的每个时隙中重传它的帧，直到该帧被无碰撞的传输出去；

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Slotted ALOHA: efficiency

效率：当有很多节点，每个节点有很多帧要发送时，x%的时隙是成功传输帧的时隙

  • 假设 N 个节点，每个节点都有很多帧要发送，在每个时隙中的传输概率是 p
  • 一个节点成功传输概率是 p(1−p)N−1p(1-p)^{N-1}
  • 任何一个节点的成功概率是 Np(1−p)N−1Np(1-p)^{N-1}
  • N 个节点的最大效率：求出使 Np(1−p)N−1Np(1-p)^{N-1} 最大的 p*
  • 代入 P*得到最大 f(p∗)=Np∗(1−p∗)N−1f(p^*)=Np^*(1-p^*)^{N-1}
  • N 为无穷大时的极限为 1/e=0.371/e=0.37

即最好情况：信道利用率 37%

Pure (unslotted) ALOHA

在纯 ALOHA 中，当一帧首次到达，节点立刻将该帧完整地传输进广播信道。

效率上：比时隙 ALOHA 更差了！

载波侦听多路访问

CSMA (carrier sense multiple access)

CSMA 规则

两个重要的规则：

  1. 说话之前先听。如果其他人正在说话，等到他们说完话为止。在网络领域中，这被称为载波侦听（carrier sensing），即一个节点在传输前先听信道。如果来自另一个节点的帧正向信道上发送，节点则等待直到检测到一小段时间没有传输，然后开始传输。
  2. 如果与他人同时开始说话，停止说话。在网络领域中，这被称为碰撞检测（collision detection），即当一个传输节点在传输时一直在侦听此信道。如果它检测到另一个节点正在传输干扰帧，它就停止传输，在重复“侦听-当空闲时传输”循环之前等待一段随机时间。

这两个规则包含在载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access, CSMA）和具有碰撞检测的 CSMA（CSMA with Collision Detection, CSMA/CD）协议族中。

CSMA 冲突

collisions can still occur: propagation delay(传播延迟) means two nodes may not hear each other’s transmission(无法听到彼此的传输).

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影响：entire packet transmission time waste(浪费整个数据包传输时间), and distance & propagation delay play role in in determining collision probability 距离和传播延迟在确定碰撞概率方面发挥作用

CSMA/CD(冲突检测)

CSMA 传播时延越长，载波侦听节点不能侦听到网络中另一个节点已经开始传输的机会就越大。如果一个节点开始传播后发送碰撞，其实此次传播已经失败，将剩余数据传完没有意义，及时中止才是上策，这便是具有 CSMA/CD 所作改进。

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算法：

  • 适配器获取数据报，创建帧

  • 发送前：侦听信道 CS

    • 闲：开始传送帧
    • 忙：一直等到闲再发送

  • 发送过程中，冲突检测 CD

    • 没有冲突：成功
    • 检测到冲突：放弃，之后尝试重发

  • 发送方适配器检测到冲突， 除放弃外，还发送一个 Jam 信号，所有听到冲突的适配器也是如此

    强化冲突：让所有站点都知道冲突

  • 如果放弃，适配器进入指数退避状态。

    在第 m 次失败后，适配器随机选择从 {0,1,2,⋯ ,2m−1}\{0, 1, 2, \cdots, 2^m-1\} 中选择一个 K，等待 K*512 位时，然后转到步骤 2

轮流协议

channel partitioning(信道划分) MAC protocols:

  • share channel efficiently and fairly at high load 共享信道在高负载时是有效和公平的
  • inefficient at low load: delay in channel acces 在低负载时效率低下

random access(随机访问) MAC protocols:

  • efficient at low load: single node can fully utilize channel 在低负载时效率高：单个节点可以完全利用信道全部带宽
  • high load: collision overhead 高负载时：冲突开销较大，效率极低，时间很多浪费在冲突中

“taking turns” protocols(轮流协议): look for best of both worlds!

轮流协议包含：

  • 轮询协议（polling protocol）
  • 令牌传递协议（token-passing protocol）

轮询协议

主节点邀请从节点依次传送；从节点一般比较“dumb”。

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

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令牌传递协议

控制令牌( token)循环从一个节点到下一个节点传递。

令牌报文本质上是一种特殊的帧。

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）

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线缆接入网络

多个 40Mbps 下行(广播)信道，FDM：

  • 下行：通过 FDM 分成若干信道，互联网、数字电视等
  • 互联网信道：只有 1 个 CMTS 在其上传输

多个 30 Mbps 上行的信道，FDM：

  • 多路访问：所有用户使用；接着 TDM 分成微时隙
  • 部分时隙：分配、竞争

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MAC 协议总结

多点接入问题：对于一个共享型介质，各个节点 如何协调对它的访问和使用?

  • 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 网中使用
    • 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

LANs

Addressing, ARP

32bit 的 IP 地址包含：

  • 网络层地址
  • 前 n-1 跳：用于使数据报到达目的 IP 子网
  • 最后一跳：到达子网中的目标节点

LAN（MAC/物理/以太网）地址：

  • 用于使帧从一个网卡传递到与其物理连接的另一个网卡 (在同一个物理网络中)
  • 48bit MAC 地址固化在适配器的 ROM，有时也可以通过软件设定
  • 理论上全球任何 2 个网卡的 MAC 地址都不相同

LAN 地址形如：1A-2F-BB-76-09-AD（16 进制表示，每一位代表 4 个 bits）

LAN 地址和 ARP

局域网上每个适配器都有一个唯一的 LAN 地址。

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注：

  • MAC 地址由 IEEE 管理和分配
  • 制造商购入 MAC 地址空间（保证你的 MAC 是唯一的，全球都没有重复）

类比：MAC 地址就好比社会安全号，IP 地址就好比通讯地址。

但由于 MAC 平面地址，并且是固定的，所以支持移动。

ARP: Address Resolution Protocol

已知 B 的 IP 地址，如何确定 B 的 MAC 地址？

在 LAN 上的每个 IP 节点都有一个 ARP 表。

ARP 表包括一些 LAN 节点 IP/MAC 地址的映射：< IP address; MAC address; TTL>。其中 TTL 时间是指地址映射失效的时间。典型是 20min。

How Address Resolution Protocol (ARP) works? - GeeksforGeeksopen in new window

The acronym ARP stands for Address Resolution Protocol which is one of the most important protocols of the Network layer in the OSI model. It is responsible to find the hardware address of a host from a known IP address. There are three basic ARP terms. ARP 代表地址解析协议，它是 OSI 模型中网络层最重要的协议之一。它负责从已知 IP 地址中查找主机的硬件地址。

Address Resolution Protocol

ARP 概念及其分类：

ARP(地址解析协议)_傲娇回忆杀的博客-CSDN 博客open in new window

我们以以太网的工作环境作为背景来探讨这一协议（串行链路由于是点到点链路，故而不需要 ARP）。在以太网的工作环境中，当主机需要向一个 IP 地址发送数据时，它需要将目标的物理地址（也就是 MAC 地址，也有文献称其为硬件地址）写在数据帧的目的 MAC 地址字段位置上，而这一动作的前提是，网络层已经知道了这一地址并且将其与逻辑目的地址建立了一个映射关系。这就好比在手机上存了一个电话号码并备注上了一个联系人一样，当需要打电话时，只需要查找该联系人的姓名即可，手机会帮我们自动选择他的电话号码拨过去。

当我们并不知道一台主机的 IP 地址与物理地址的映射关系的时候，就需要用到 ARP。

ARP 分类：普通 ARP

我们用一个简单的比喻来形容 ARP 的工作过程。当你只知道你跟张三是同班同学却不知道他的具体座位时，你站起来大喊了一声：“我是王二，谁是张三？”于是张三说：”我是张三。“这样，你就知道了张三的具体位置，同时张三也知道了你的位置和姓名。

如下图所示为一个 ARP 请求报文的示例。

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当一台主机需要访问一个与自己在同一个网络的 IP 地址但不知道目的主机的物理地址时，它就会发送一个 ARP 请求报文。由于我们并不知道目标物理地址是什么，该报文的目标物理地址（即 MAC 地址）在数据帧的头部用二层广播地址 FFFF.FFFF.FFFF 来填充。

一个二层目的地址为广播地址的数据帧是会被发送给广播域内所有的成员的，如果网络规划正确，那么这其中一定会包含真正的接收者。当真正的接收者收到该数据帧之后，会转交给自身的 ARP 程序，经过比对，发现其中的目的 IP 地址正是其所拥有的，就会对发送者做出回应，在回应报文中会将自身的物理地址写在发送者 MAC 地址的位置。

一次美妙的陌生人之间的互相介绍就这样完成了。看起来是不是很简单呢？

ARP 分类：代理 ARP

在一般情况下，只能为主机分配一个默认网关。如果需要互通的主机处在相同的网段却不在同一物理网络，并且连接主机的网关设备具有不同的网关地址，在这种场景中，如果发生网络故障，我们该如何防止业务中断呢？在这种场景中，需要代理 ARP，其工作过程如下图所示。

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可以看出，实际上，代理 ARP 只是一种服务，它并不是一种协议。并且，服务提供者对用户进行了“欺骗”，只是将自身的 MAC 地址回应给了用户，以此来达到代替用户转发数据的目的。

ARP 报文格式

ARP 协议包（ARP 报文）主要分为 ARP 请求包和 ARP 响应包。ARP 协议是通过报文进行工作的，ARP 报文格式如图所示。

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ARP 报文总长度为 28 字节，MAC 地址长度为 6 字节，IP 地址长度为 4 字节。

其中，每个字段的含义如下。

  • 硬件类型：指明了发送方想知道的硬件接口类型，以太网的值为 1。
  • 协议类型：表示要映射的协议地址类型。它的值为 0x0800，表示 IP 地址。
  • 硬件地址长度和协议长度：分别指出硬件地址和协议的长度，以字节为单位。对于以太网上 IP 地址的 ARP 请求或应答来说，它们的值分别为 6 和 4。
  • 操作类型：用来表示这个报文的类型，ARP 请求为 1，ARP 响应为 2，RARP 请求为 3，RARP 响应为 4。
  • 发送方 MAC 地址：发送方设备的硬件地址。
  • 发送方 IP 地址：发送方设备的 IP 地址。
  • 目标 MAC 地址：接收方设备的硬件地址。
  • 目标 IP 地址：接收方设备的 IP 地址。

ARP 协议：在同一个 LAN （网络）

需求：已知 B 的 IP 地址，想要确定同一网络内 B 的 MAC 地址。

流程：

  • 首先，A 要发送帧给 B（其中 B 的 IP 地址已知)， 但 B 的 MAC 地址并不在 A 的 ARP 表中。

    发送帧只能在同一个网关下进行，不能穿透路由器前往别的网络。

    所以，A 广播了包含 B 的 IP 地址的 ARP 查询包：Dest MAC address = 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（帧发送给 A、用 A 的 MAC 地址，即单播）。

  • A 收到帧之后，在自己的 ARP 表中，缓存 IP-to-MAC 地址映射关系 ，直到信息超时。

    • 软状态：靠定期刷新维持的系统状态
    • 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

ARP 协议：路由到其他 LAN

需求：A 想要通过 R 给 B 发送数据报，假设 A 知道 B 的 IP 地址

流程：

  • A 创建数据报：源 IP 地址为 A，目标 IP 地址为 B 并封装一层

  • A 创建一个链路层的帧：目标 MAC 地址是 R，该帧包含 A 到 B 的 IP 数据报

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  • A 将这个链路层的帧发送给 R

  • R 接收到这个帧后，从中提取出 IP 分组，交给上层 IP 协议实体image-20230601164744178

  • R 转发数据报，数据报源 IP 地址为 A，目标 IP 地址为 B

    为了跨网络，只能使用数据报格式。

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  • R 创建一个链路层的帧，目标 MAC 地址为 B，帧中包含 A 到 B 的 IP 数据报

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Ethernet

以太网“主导”着有线局域网技术：

  • 第一个被广泛使用的局域网技术
  • 占有率很高：目前最主流的 LAN 技术拥有大概 98%占有率
  • 简单、廉价
  • 带宽随着发展不断提升：10M, 100M, 1G, 10G

最初的以太网设计稿（仅供参考）：

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Ethernet: physical topology

  • 总线结构（bus）：在上个世纪 90 年代中期很流行

    • 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

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  • 星型结构（star）：目前最主流

    连接选择（二选一）：

    • hub：无法并行，一发全收
    • switch：可以并行。switch 也叫网桥。

    我们把：

    • hub 这种“无法并行，一发全收”叫做冲突域
    • switch 这种的叫做广播域（broadcast domain）

    现在一般是交换机（switch）在中心。

    每个节点以及相连的交换机端口使用（独立的）以太网协议（不会和其他节点的发送产生碰撞）。

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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：

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  • 前导码（preamble）：（7 byte）10101010 + （1 byte）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。

  • 地址（address）：6 字节源 MAC 地址，目标 MAC 地址

    如果帧目标地址=本站 MAC 地址或广播地址，则接收并递交帧中的数据到网络层；否则，适配器忽略该帧。

  • CRC：在接收方校验

    如果没有通过校验，丢弃错误帧。

Ethernet: unreliable, connectionless

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

    • 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

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

以太网标准

IEEE 的一些常见标准：

  1. IEEE 802.11：无线局域网（Wireless Local Area Network，简称 WLAN）
  2. IEEE 802.3：有线局域网（Local Area Network，简称 LAN）
  3. IEEE 802.15：无线个人局域网（Wireless Personal Area Network，简称 WPAN）
  4. IEEE 802.16：城域网（Metropolitan Area Network，简称 MAN）
  5. IEEE 802.22：无线区域网（Wireless Regional Area Network，简称 WRAN）

以太网就是第 2 个（802.3）。

以太网使用 CSMA/CD：

  • 没有时隙
  • NIC 如果侦听到其它 NIC 在发送就不发送：载波侦听（carrier sense）
  • 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，冲突检测（collision detection）
  • 冲突后尝试重传，重传前适配器等待一个随机时间，随机访问（random access）

Switches

这个 Switches 是链路层设备：扮演主动角色（端口执行以太网协议），主要工作：

  • 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

交换机的特点：

  • 交换机是透明的：主机对交换机的存在可以不关心，或者说，路由层面（主机）是看不到交换机的
  • 交换机即插即用，自学习：交换机无需配置

交换机：多路同时传输

  • 主机有一个专用和直接到交换机的连接
  • 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，没有碰撞；全双工
    • 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
  • 交换：A-to-A’ 和 B-to-B’ 可以同时传输，没有碰撞

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交换机：转发表

每个交换机都有一个交换表 switch table，每个表项都包含了：

  • 主机的 MAC 地址
  • 到达该 MAC 经过的接口
  • 时间戳（time stamp，即 ttl）

比较像路由表！

交换机：自学习

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）
  • 记录发送方 MAC 地址/进入端口映射关系，在交换表中

交换机：过滤／转发

当交换机收到一个帧：

  1. 记录进入链路，发送主机的 MAC 地址
  2. 使用目标 MAC 地址对交换表进行索引

代码可能像这个样子：

if entry found for destination # 有目标地址
then{
    if dest on segment from which frame arrived
    then drop the frame # 过滤掉
    else forward the frame on interface indicated # 转发对应的端口
}
else flood # 泛洪：除了帧到达的网段，向所有网络接口

交换机级联

交换机可被级联到一起：

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交换机 vs. 路由器

  • 都是存储转发设备，但层次不同

    • 交换机：链路层设备（检查链路层头部）
    • 路由器：网络层设备（检查网络层的头部）

  • 都有转发表：

    • 交换机：维护交换表，按照 MAC 地址转发
    • 路由器：路由器维护路由表，执行路由算法

VLANS

全称 Virtual Local Area Network，虚拟局域网。

带有 VLAN 功能的交换机（们）可以被配置成：一个物理 LAN 基础设施，虚拟成多个 LANs。

基于端口的 VLAN：

  • 流量隔离
  • 动态成员：成员可以在 VLANs 之间动态分配
  • 在 VLANs 间转发：通过路由器进行转发 (就像他们通过各自的交换机相联一样）

Link virtualization 即链路虚拟化。

MPLS 概念：建立基于标签的转发表-信令协议：支持逐跳和显式路由：路由信息传播，路由计算(基于 Qos，基于策略的)，标签分发

MPLS 网络按照标签 label 进行分组的转发（纯 IP 网络是按照 IP 地址对分组进行转发的）。

标签交换过程

  • 入口路由器：LER 对进入的分组按照 EFC 的定义打上标签
  • 在 MPLS 网络中（虚拟成了链路）对分组按照标签进行交换
  • 到了出口路由器，再将标签摘除
  • 支持 MPLS 的路由器组构成的网络，从 IP 网络的角度来看虚拟 成了链路

MPLS vs IP 路径

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  • IP 路由：到达目标的路径仅仅取决于目标地址
  • MPLS 路由：到达目标的路由，可以基于源和目标地址

MPLS 路由特有的快速重新路由：在链路失效时，采用预先计算好的路径

Data center networking

数据中心网络：一般是数万-数十万台主机构成 DC 网络，密集耦合、距离临近。

挑战：

  • 多种应用，每一种都服务海量的客户端
  • 管理/负载均衡，避免处理 、网络和数据的瓶颈

负载均衡器：应用层路由

  • 接受外部的客户端请求

  • 将请求导入到数据中心内部

  • 返回结果给外部客户端（对于客户端隐藏数据中心的内部结构）

互联

在交换机之间，机器阵列之间有丰富的互连措施：

  • 在阵列之间增加吞吐 (多个可能的路由路径)
  • 通过冗余度增加可靠性

A day in the life of web request

回顾：页面请求的历程

Top-down 的协议栈旅程结束了！

我们主要学了应用层、运输层、网络层和链路层。

A day in the life… connecting to the Internet

  • 笔记本需要一个 IP 地址，第一跳路由器的 IP 地址，DNS 的地址：采用 DHCP

  • DHCP 请求被封装在 UDP 中，封装在 IP，封装在 802.3 以太网帧中

  • 以太网的帧在 LAN 上广播（dest: FFFFFFFFFFFF），被运行中的 DHCP 服务器接收到

  • 以太网帧中解封装 IP 分组，解封装 UDP，解封装 DHCP

  • DHCP 服务器生成 DHCPACK 包括客户端 IP 地址，第一跳路由器 P 地址和 DNS 名字服务器地址

  • 在 DHCP 服务器封装，帧通过 LAN 转发(交换机学习)在客户端段解封装

  • 客户端接收 DHCP ACK 应答

至此，客户端有了 IP 地址，知道了 DNS 域名服务器的名字和 IP 地址、第一跳路由器的 IP 地址

A day in the life… ARP (before DNS, before HTTP)

  • 在发送 HTTP request 请求之前, 需要知道www.google.com的IP地址：DNS

  • DNS 查询被创建，封装在 UDP 段中 ，封装在 IP 数据报中，封装在以太网的帧中. 将帧传递给路由器 ，但是需要知道路由器的接口： MAC 地址：ARP

  • ARP 查询广播，被路由器接收， 路由器用 ARP 应答，给出其 IP 地 址某个端口的 MAC 地址

至此，客户端现在知道第一跳路由器 MAC 地址，所以可以发送 DNS 查询帧了

A day in the life… using DNS

  • 包含了 DNS 查询的 IP 数据报通过 LAN 交换机转发，从客户端到第一跳路由器

  • IP 数据报被转发，从校园到达 comcast 网络，路由（路由表被 RIP，OSPF，IS-IS 和/或 BGP 协 议创建）到 DNS 服务器

  • 被 DNS 服务器解封装

  • DNS 服务器回复给客户端：www.google.com 的 IP 地址

A day in the life…TCP connection carrying HTTP

  • 为了发送 HTTP 请求，客户端打开到达 web 服务器的 TCP socket
  • TCP SYN 段（3 次握手的第 1 次握手）域间路由到 web 服务器
  • web 服务器用 TCP SYNACK 应答（3 次握手的第 2 次握手）

至此，TCP 连接建立了！

A day in the life… HTTP request/reply

  • HTTP 请求发送到 TCPsocket 中

  • IP 数据报包含 HTTP 请求，最终路由到 www.google.com

  • web 服务器用 HTTP 应答回应(包括请求的页面)

  • IP 数据报包含 HTTP 应答最后被路由到客户端

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