第10讲 物理网络与链路层 物理网络与链路 局域网概念 以太网标准 MAC、IP和ARP

因特网 vs. 物理网络 因特网是新生事物—20年的应用历史 通信网络（电话、电报等）则有100年 因特网是一个逻辑上大一统的网络 它没有自己独有的物理网络 但它的影子投射在所有类型的物理网络上 传统的物理网络，电话网、电视网、数据传输网，都可以承载IP分组

计算机网络链路的发展 早期计算机稀少，使用点对点链路 随着计算机设备的普及，在所有计算机之间实现点对点的链接会极为浪费 全连接计算公式=nx(n-1)/2 所以，当有了PC后，最为节省的办法，就是用一根电缆把所有PC连接在一起 这就是局域网的雏形

物理网络和链路类型 三种类型的物理网络或“链路” 点对点 ( e.g. 电话信道，租用专线) 广播式 (共享线路或介质; e.g, 以太网, 无线网, etc.) 交换式 (e.g., 交换式以太网 etc)

交换式－－链路带宽的扩展 使用网段分割来缓解共享介质网络的冲突 不同网段的数据由交换节点转发 一个大会议室只能一个人发言 划分成若干小会议室，多个人同时发言 不同网段的数据由交换节点转发 小会议室内的交流继续进行 不同会议室之间的交流由通讯员转达

点对点—独享线路或介质 早期的计算机通信大部分采用此方式 目前的拨号和ＡＤＳＬ上网时用到 骨干网的长途信道采用此方式 --计算机稀少，主要依赖电话网通信 目前的拨号和ＡＤＳＬ上网时用到 采用点对点协议（ＰＰＰ） 在连接过程中，进行身份认证和地址协商 骨干网的长途信道采用此方式

广播式 --共享线路或介质 这里提到的广播与电台，电视台不同 但这二种广播通信方式有相同点 电台、电视台广播是单工通信方式（1:N） 计算机广播是双工通讯方式（N:M） 但这二种广播通信方式有相同点 在同一个时空内，只能容许一个声音 如果两个以上信号源在同一时空工作，会形成干扰或冲突

链路层: 工作环境

一个数据分组的旅行 可能跨越各种不同的链路 “我的ｅ家”在家里有一段无线链路（广播式） ＡＤＳＬ上网的用户会经过电话链路（点对点） 越洋用户会用到海底光缆（点对点） 某个网站主机在ＩＤＣ机房的局域网中（广播式）

链路层: 工作环境（续） 两个 物理上连接的 设备: 协议数据单元: frame（帧） 主机-路由器, 路由器-路由器, 主机-主机 application transport network link physical network link physical M H t n l 数据链路协议 H l H t n M frame 物理链路 接口卡

链路层的服务 成帧, 链路访问: ‘物理地址’ 放在帧首来确定信源、信宿 物理地址≠IP地址 在两台物理上连接的设备之间实现可靠传递 将分组封装入帧, 加上帧头, 帧尾 如果是共享介质，则需实现信道的访问 ‘物理地址’ 放在帧首来确定信源、信宿 物理地址≠IP地址 在两台物理上连接的设备之间实现可靠传递 不同的链路，实现不同，帧格式也不同 物理地址的存在有多种原因： 1、历史形成的，ＩＰ网络出现的晚，物理网络出现的早 ２. 应用网络的多样性，IP只是应用网络的一种，还有不同的应用网络协议：IPX/SPX, AppleTalk, NETBios等 所以，相当一部分网络都是具备各自的物理/网络地址形式

局域网链路的重要性 我们接触最多的一种链路 因特网中数量最多的网络 结构非常简单，工程上容易实现 有与因特网不一样的编址机制 实现机理比较复杂，会影响一些特殊的网络应用

局域网中的“说话”规则 我们有许多PC在线，随时有人会发言（随机性） 所以，说话前先要听听，不要干扰到正在发言的PC（发言前先倾听） 若网上“此刻”是安静，且让我发言（边发边听） 但是，不约而同，脱口而出的事，是经常发生的（遇冲突退回）

CSMA: Carrier Sense Multiple Access 如果信道闲置: 发送整个分组 如果信道忙, 推迟发送 坚持性 CSMA: 当信道闲置时，以p的概率立即重试 (可能导致不稳定) 非坚持性 CSMA: 在某个随机间隔以后再试

CSMA 的冲突 注意: 这里的冲突概率是由距离和传播延迟来决定的 冲突可能发生在: 冲突: 整个分组的传输时间被浪费 以太网结点间的时空图 冲突可能发生在: 由于传播延迟两个节点可能听不到对方的发送 冲突: 整个分组的传输时间被浪费 注意: 这里的冲突概率是由距离和传播延迟来决定的

CSMA/CD (Collision Detection，冲突检测) 在冲突发生后，短时间内可探测到 立即中断传输, 减少信道的时间浪费 坚持性或非坚持性重传 冲突检测: 在有线 LAN中简便易行: 检测信号强度, 比较收、发的信号 在无线 LAN比较困难: 传输时接收器是关闭的

CSMA/CD 冲突检测

LAN 技术 编址 以太网（Ethernet） 集线器、网桥、交换机 802.11无线LAN协议

LAN 地址和 ARP 32位的IP地址: LAN (或MAC 或物理) 地址: 网络层 地址 在不同的网络之间传递分组 用来(在同一网络中)物理上互相连接的接口之间获取分组（或帧） 48 位MAC 地址 (绝大部分 LANs) 烧制在网卡的 ROM中

LAN 地址 每个 LAN上的网卡都有具唯一性的LAN 地址 该地址是局域网内有效的通信识别地址

LAN 地址 (续) MAC 分配由 IEEE管理 制造商购买部分MAC地址空间 (以保证唯一性) 比方: (a) MAC地址: 身份证号码 (b) IP地址: 类似邮政地址 MAC 平面地址 => 可以迁移 可以将（PC/网卡）从一个LAN转到另一个 IP 层次性地址不可迁移 取决于某个站点接入的网络

如何得知本地主机MAC地址 C:\>ipconfig /all Ethernet adapter 无线网络连接: Connection-specific DNS Suffix . : Description . . . . . . . . . . . : D-Link DWL-G520+A Wireless PCI Physical Address. . . . . . . . . : 00-13-46-EB-1A-DA Dhcp Enabled. . . . . . . . . . . : Yes Autoconfiguration Enabled . . . . : Yes IP Address. . . . . . . . . . . . : 192.168.1.100 Subnet Mask . . . . . . . . . . . : 255.255.255.0 Default Gateway . . . . . . . . . : 192.168.1.1 DHCP Server . . . . . . . . . . . : 192.168.1.1 DNS Servers . . . . . . . . . . . : 202.117.0.21 Ethernet adapter 本地连接: Media State . . . . . . . . . . . : Media disconnected Description . . . . . . . . . . . : Generic Marvell Yukon 88E8056 based Ethernet Controller Physical Address. . . . . . . . . : 00-E0-B0-E5-29-89 C:\>ipconfig /all

有关IP数据报在LAN的传输 A站点给B站点发送IP分组： 查找 B站点的网络地址, 发现B站点与其在同一网络中 223.1.1.1 223.1.1.2 223.1.1.3 223.1.1.4 223.1.2.9 223.1.2.2 223.1.2.1 223.1.3.2 223.1.3.1 223.1.3.27 A B E A站点给B站点发送IP分组： 查找 B站点的网络地址, 发现B站点与其在同一网络中 给B站点发送分组（通过链路层的帧来传送） 帧的源、宿地址 分组的源、宿地址 B’s MAC addr A’s MAC addr A’s IP addr B’s IP addr IP payload 分组 帧

地址解析协议（Address Resolution Protocol, ARP） 每个LAN 上的IP 节点 (主机, 路由器) 都有 ARP 模块和表 ARP 表: 是某些LAN 结点的IP/MAC 地址映射 < IP 地址; MAC 地址; TTL> < ………………….. > TTL (Time To Live): 超过TTL的地址映射会被删除 (一般为 20 分钟) Q: 若已知B站点的IP地址， 如何确定其MAC地址?

ARP 协议 A 知道 B的 IP 地址, 需要了解B的物理地址 A 广播 ARP 查询帧, 其中包含了 B的 IP地址 所有 LAN 的主机都收到 ARP 查询 B接收到 ARP帧, 将其物理地址返回给A A 对收到的IP/MAC地址对进行缓存直到信息过期 (超时) 软状态: 除非定期刷新，否则超时信息将被删除

DNS与ARP的比较 相同点 不同点 三种网络地址，两种转换机制是因特网的核心技术之一 二者都提供地址转换机制 ARP提供局域网内的IP和MAC地址的对应关系，是网络层到链路层的地址转换 三种网络地址，两种转换机制是因特网的核心技术之一

无线 LAN-IEEE 802.11 无线 LANs: 不拘范围 (经常是移动的) 联网形态 IEEE 802.11 标准: MAC 协议 无需注册的频率范围(US): 900Mhz, 2.4Ghz 基本服务集 (BSS) 包括: 无线主机 接入点 (AP),基站 由BSS组成分布系统 (DS) 用门桥（portal）接入有线网

自组网络（Ad Hoc Networks） 自组网络: IEEE 802.11 站点可以不使用AP动态地组成网络 应用: 在会议室、汽车中举行“膝上型” 会议 与个人使用的电子设备进行互联 战场上

无线局域网中的隐蔽站问题 隐蔽站: A, C两个站点不能互相“听见” 障碍物, 信号衰减 在B站点发生冲突 802.11MAC的设计目标: 避免可能在B站发生的冲突 CSMA/CA: 带有冲突避免（Collision Avoidance）策略的CSMA

本讲到此结束 下一讲我们讨论局域网的标准和设备