5.4 交换局域网

5.4.1 链路层寻址和ARP

MAC地址

并不是主机或路由器具有链路层地址，而是适配器（网络接口）。

链路层地址：

• LAN地址（LAN Address）

• 物理地址（Physical Address）

• MAC地址（MAC Address）- 6个字节，2^48种可能

MAC地址：前24位为IEEE分配，后24位为产商负责。

IP地址好比邮政地址，会随着位置的变化而改变；MAC地址好比身份证号码，不会改变。

广播地址（Broadcast Address）：某发送适配器要让局域网中所有适配器接收并处理，48个连续1（FF-FF-FF-FF-FF-FF）

地址解析协议

地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）：网络层地址（IP地址）和链路层地址（MAC地址）之间转换。

DNS和ARP协议的对比：

• DNS：将主机名解析为IP地址，作用与因特网中任何地方。

• ARP：将IP地址解析为MAC地址，只为一个子网上的主机和路由器解析。

工作原理：

• 每台主机和路由器在内存中具有一个ARP表（ARP Table），包含IP地址到MAC地址的映射关系，以及一个寿命（TTL）值，指示了从表中删除映射的时间。

• 无记录或记录过期时，通过ARP分组（ARP Packet），包含源和目的IP地址，以及源端系统的MAC地址，查询目的IP地址的MAC地址；查询方式为通过广播地址，向子网中所有端进行询问，匹配者通过单播向源IP地址发送ARP响应。

发送数据报到子网外

端系统通过网关路由器，将数据报推向互联网，由接收方网关路由器接收后转发给目的端系统。

5.4.2 以太网

以太网成功原因：

• 广泛部署的高速局域网。

• 比较简单、费用更低。

• 有效传输速率不输其它类型的局域网。

以太网技术变迁：

• 主线。

• 集线器（Hub）：物理层设备，作用与比特而不是帧，可以重新生成比特，并将其放大后传输出去，但是如果发生碰撞，需要发送方重传。

• 交换机（Switch）。

以太网帧结构

• 数据字段（46~1500字节）：承载IP数据报，以太网最大传输速率单元（MTU）为1500字节。

• 目的地址（6字节）：目的适配器的MAC地址。

• 源地址（6字节）：传输该帧的适配器MAC地址。

• 类型字段（2字节）：允许以太网复用多种网络层协议。

• CRC（4字节）：循环冗余检测。

• 前同步码（8字节，Preamble）：唤醒接收方适配器，并将时间设置成相同。

以太网为无连接服务，向网络层提供不可靠服务（Unreliable Service）。

5.4.3 交换机转发和过滤

交换机：接收入链路层帧并将它们转发到出链路。

交换机转发和过滤

• 过滤（Filtering）：决定一个帧应该转发到某个接口还是丢弃。

• 转发（Forwarding）：决定一个帧应该被导向哪个接口。

交换机表（Switch Table）：表项为MAC地址、接口号、表项存活时间。

• 表中无对应项：则广播该帧。

• 表中有对应项，但与输入接口号相同则丢弃该帧。

• 表中有对应项，并与输入接口号不同则转发该帧。

自学习

自学习（Self-learning）：接收到的帧，在交换机表中生成对应表项。

交换机为即插即用设备（Plug-and-play Device），无需管理员干扰。

链路层交换机

• 消除碰撞。

• 异质的链路。

• 管理。

交换机和路由器比较

• 交换机使用MAC转发分组，即插即用。

• 路由器使用IP地址转发分组。

5.4.4 虚拟局域网

局域网的问题：

• 缺乏流量隔离。

• 交换机的无效使用。

• 管理用户。

虚拟局域网（Virtual Local Network，VLAN）。

支持VLAN的交换机允许一个单一的物理局域网定义多个虚拟的局域网。

VLAN干扰连接可以扩展（VLAN Trunking）