网络协议(三)-链路层

MAC层是用来解决多路访问的堵车问题的,ARP通过在局域网大吼一声的方式来寻找目标MAC地址。交换机有MAC地址学习能力。

1. MAC层

在物理层中,我们引入了Hub,集线器,这种设备可以将多个终端连起来,但是它会把所有自己收到的信息都复制到其他端口当中。

需要在数据链路层解决的问题有:

  1. 包的发送方和接收方
  2. 多个包发送的时候的先后顺序的问题
  3. 发生错误了怎么办

这些问题都是在数据链路层,也即MAC层(Medium Access Control),要解决的问题.

做媒体访问控制,控制在往媒体上发数据的时候,谁先发谁后发的问题,防止发生混乱。—— 多路访问规则

下面针对三个问题的解决进行详细分析

1.1 包的发送方接收方的确认

1.1.1 知道目标和源MAC地址时

用物理地址,——链路层地址,常被称为MAC地址

fig1.jpg

1.1.2 只知道目标IP地址时 —— ARP协议

ARP协议,是已知IP地址,求MAC地址的协议。

在一个局域网内,知道IP,想获得对应的MAC,就是在局域网中大吼一声, 看回应,hhhh

fig2.jpg

具体询问和回答的报文如下所示:

fig3.jpg

1.2 多路访问原则

  1. 信道划分:分成多个车道,各走各的
  2. 轮流协议:单双号限行
  3. 随机接入协议:错峰

1.3 错误处理 —— 循环冗余检测

看图1,整个数据包的最后四字节叫做CRC,这里是通过XOR算法计算整个包是否在发送的过程中出现了错误

2.交换机

交换机比起集线器,有了记忆功能。通过学习得到对应的MAC地址。

一台 MAC1 电脑将一个包发送给另一台 MAC2 电脑,当这个包到达交换机的时候,一开始交换机也不知道 MAC2 的电脑在哪个口,所以没办法,它只能将包转发给除了来的那个口之外的其他所有的口。但是,这个时候,交换机会干一件非常聪明的事情,就是交换机会记住,MAC1 是来自一个明确的口。以后有包的目的地址是 MAC1 的,直接发送到这个口就可以了。

当交换机作为一个关卡一样,过了一段时间之后,就有了整个网络的一个结构了,这个时候,基本上不用广播了,全部可以准确转发。当然,每个机器的 IP 地址会变,所在的口也会变,因而交换机上的学习的结果,我们称为转发表。转发表是有过期时间的。

2.1 办公室场景下的交换机使用

可能有上百个网口需要联网,因此需要多个交换机,形成了一个稍微复杂一些的拓扑结构。

fig4.jpg

先看看两台交换机的情形。两台交换机连接着三个局域网,每个局域网上都有多台机器。如果机器 1 只知道机器 4 的 IP 地址,当它想要访问机器 4,把包发出去的时候,它必须要知道机器 4 的 MAC 地址。

于是机器 1 发起广播,机器 2 收到这个广播,但是这不是找它的,所以没它什么事。交换机 A 一开始是不知道任何拓扑信息的,在它收到这个广播后,采取的策略是,除了广播包来的方向外,它还要转发给其他所有的网口。于是机器 3 也收到广播信息了,但是这和它也没什么关系。

当然,交换机 B 也是能够收到广播信息的,但是这时候它也是不知道任何拓扑信息的,因而也是进行广播的策略,将包转发到局域网三。这个时候,机器 4 和机器 5 都收到了广播信息。机器 4 主动响应说,这是找我的,这是我的 MAC 地址。于是一个 ARP 请求就成功完成了。

在上面的过程中,交换机 A 和交换机 B 都是能够学习到这样的信息:机器 1 是在左边这个网口的。当了解到这些拓扑信息之后,情况就好转起来。当机器 2 要访问机器 1 的时候,机器 2 并不知道机器 1 的 MAC 地址,所以机器 2 会发起一个 ARP 请求。这个广播消息会到达机器 1,也同时会到达交换机 A。这个时候交换机 A 已经知道机器 1 是不可能在右边的网口的,所以这个广播信息就不会广播到局域网二和局域网三。

当机器 3 要访问机器 1 的时候,也需要发起一个广播的 ARP 请求。这个时候交换机 A 和交换机 B 都能够收到这个广播请求。交换机 A 当然知道主机 A 是在左边这个网口的,所以会把广播消息转发到局域网一。同时,交换机 B 收到这个广播消息之后,由于它知道机器 1 是不在右边这个网口的,所以不会将消息广播到局域网三。

2.1.1 环路问题

当整个拓扑结构变复杂了以后,可能容易出现环路问题:

fig5.jpg

我们来想象一下机器 1 访问机器 2 的过程。一开始,机器 1 并不知道机器 2 的 MAC 地址,所以它需要发起一个 ARP 的广播。广播到达机器 2,机器 2 会把 MAC 地址返回来,看起来没有这两个交换机什么事情。

但是问题来了,这两个交换机还是都能够收到广播包的。交换机 A 一开始是不知道机器 2 在哪个局域网的,所以它会把广播消息放到局域网二,在局域网二广播的时候,交换机 B 右边这个网口也是能够收到广播消息的。交换机 B 会将这个广播息信息发送到局域网一。局域网一的这个广播消息,又会到达交换机 A 左边的这个接口。交换机 A 这个时候还是不知道机器 2 在哪个局域网,于是将广播包又转发到局域网二。左转左转左转,好像是个圈哦。

可能有人会说,当两台交换机都能够逐渐学习到拓扑结构之后,是不是就可以了?

然而当广播包从左边的局域网一广播的时候,两个交换机再次刷新三观,原来机器 1 是在左边的,过一会儿,又发现不对,是在右边的,过一会,又发现不对,是在左边的。

在计算机网络中,用最小生成树算法来解决交换机生成环的问题。简而言之,通过比较交换机之间的能力,给他们分不同等级,划分出一棵树。

2.1.2 如何解决广播问题和安全问题?

  1. 物理隔离

每个部门有自己的交换机,配置单独的子网

  1. 虚拟隔离

VLAN,虚拟局域网,一个交换机上会连属于多个局域网的机器。解决方案是在原来的二层的头上加一个TAG,里面有一个VLAN ID,一共12位,可以划分出4096个VLAN

fig6.jpg


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文章标题:网络协议(三)-链路层

文章字数:1.9k

本文作者:Leilei Chen

发布时间:2020-02-01, 16:43:47

最后更新:2020-02-01, 22:06:58

原始链接:https://www.llchen60.com/%E7%BD%91%E7%BB%9C%E5%8D%8F%E8%AE%AE-%E4%B8%89-%E9%93%BE%E8%B7%AF%E5%B1%82/

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