CAN201-链路层 2

迟然2025-01-062025-01-06

Switches

以太网交换机（Ethernet Switch）：
- 链路层设备：以太网交换机是一种工作在链路层（第二层）的设备，它在网络中起着积极的作用。
- 功能：
  - 存储和转发以太网帧：交换机接收以太网帧，并根据帧中的目的MAC地址决定将其转发到哪个端口。
  - 检查MAC地址：当帧需要在网段上转发时，交换机会检查传入帧的MAC地址，并选择性地将帧转发到一个或多个输出链路。
  - 使用CSMA/CD：在访问网段或链路时，交换机使用CSMA/CD（带冲突检测的载波监听多路访问）协议。
- 特点：
  - 透明：主机察觉不到交换机的存在，它们认为自己是直接连接到网络上的。
  - 即插即用、自学习：交换机不需要进行复杂的配置，它能够自动学习网络中的设备位置。
交换机的工作原理：
- 多个同时传输：主机与交换机之间有专用的直接链路，交换机可以缓冲数据包，每个传入链路都使用以太网协议，但不会发生冲突，因为每个链路都是自己的冲突域，允许多个传输同时进行（例如A到A’和B到B’可以同时传输而不冲突）。
- 交换机表（Switch Table）：
  - 作用：交换机通过交换机表来决定如何转发帧。交换机表包含了MAC地址、对应的交换机接口以及时间戳等信息。
  - 自学习过程：当交换机接收到一个帧时，它会学习发送主机的位置（即传入的LAN网段/链路），并将MAC地址和对应的接口记录在交换机表中。如果在一段时间内没有收到具有特定MAC地址的帧，相应的表项会被删除。
帧过滤/转发算法：
- 步骤：
  - 当交换机收到帧时，记录传入链路/接口以及发送主机的MAC地址。
  - 使用目的MAC地址在交换机表中进行索引。
  - 如果找到了目的地址的表项：如果目的地址在帧到达的LAN网段/链路上，则丢弃该帧；否则，按照表项指示的接口转发该帧。如果没有找到目的地址的表项，则进行泛洪，即向除了到达接口之外的所有接口转发该帧。
互连交换机：多个自学习交换机可以连接在一起，它们通过自学习的方式来确定如何转发帧。例如，从主机A发送到主机G的帧，交换机S1会通过自学习知道应该通过S4和S3来转发该帧。
交换机与路由器的比较：
- 相同点：两者都是存储转发设备。
- 不同点：
  - 工作层次：路由器是网络层设备，检查网络层头部；交换机是链路层设备，检查链路层头部。
  - 转发表的构建：路由器使用路由算法和IP地址来计算转发表；交换机通过泛洪、学习和MAC地址来学习转发表。

VLAN

虚拟局域网（VLAN）的动机：
- 缺乏流量隔离：在传统的LAN中，所有的二层广播流量（如ARP、DHCP、未知目的MAC地址的流量）必须跨越整个LAN，这会导致安全、隐私和效率问题。
- 用户管理困难：例如，当计算机科学（CS）用户将办公室搬到电气工程（EE）部门（在不同的建筑物中），但仍希望连接到CS交换机时，会存在管理上的困难。
VLAN的定义和实现：
- 定义：支持VLAN功能的交换机可以通过配置在单个物理LAN基础设施上定义多个虚拟LAN。
- 端口分组：交换机端口可以被分组（由交换机管理软件完成），使得单个物理交换机可以像多个虚拟交换机一样工作。例如，可以将一些端口配置为属于计算机科学VLAN，另一些端口属于电气工程VLAN。
基于端口的VLAN的特性：
- 流量隔离：到/来自特定VLAN端口的帧只能到达同一VLAN的端口。例如，VLAN端口1 - 8的帧只能在这些端口之间传输，无法到达其他VLAN的端口。
- 动态成员资格：端口可以在VLAN之间动态分配。
- 转发：不同VLAN之间的转发通过路由实现（就像使用独立的交换机一样）。在实际应用中，厂商通常会出售结合了VLAN交换机和路由器功能的设备，因此图中所示的外部路由器可能不需要。
跨多个交换机的VLAN：
- Trunk端口（中继端口）：用于在多个物理交换机上定义的VLAN之间传输帧。
- 帧格式：在VLAN之间转发的帧不能是普通的802.1帧，必须携带VLAN ID信息。这是通过802.1q协议在帧中添加/删除额外的头部字段来实现的。

Data center networking

数据中心网络的概述：
- 应用场景：互联网公司拥有大量紧密耦合的主机，支持各种不同的云应用，如搜索引擎、数据挖掘、电子商务、社交网络、内容服务器等。
- 挑战：需要管理和平衡负载，避免处理、网络和数据方面的瓶颈，以确保多个应用能够高效地为大量客户端提供服务。
负载均衡器（Load Balancer）：
- 作用：在数据中心网络中，负载均衡器起着关键作用。它接收外部客户端的请求，并将工作负载分配到数据中心内部的不同服务器上，同时将结果返回给外部客户端，对客户端隐藏数据中心的内部细节。
- 实现方式：可以使用应用层路由技术，常见的负载均衡器软件有Apache、Nginx等，也可以使用Python或Nodejs等自行开发。希望这次的讲解对你理解数据中心网络的这部分内容有所帮助。如果你有任何问题，请随时提问。
丰富的互连：
- 交换机和机架之间的互连：数据中心网络中，交换机和机架之间具有丰富的互连结构。这种结构可以增加机架之间的吞吐量，因为存在多个路由路径可供选择，同时通过冗余提高了网络的可靠性。
综合示例：一个网页请求的全过程：
- 连接到互联网：
  - 笔记本电脑连接到校园网络时，需要获取自己的IP地址、第一跳路由器的地址以及DNS服务器的地址，这通过DHCP协议实现。DHCP请求被封装在UDP中，再封装在IP数据包（目的地址为广播IP）中，最后封装在以太网帧中进行广播。路由器接收到该帧后，进行解复用，将其传递给DHCP服务器。DHCP服务器回复包含客户端IP地址、第一跳路由器IP地址和DNS服务器名称及IP地址的DHCP ACK，通过交换机学习转发，最终客户端接收到DHCP ACK并获取相关信息。
- ARP（在DNS和HTTP之前）：在发送HTTP请求之前，需要获取www.google.com的IP地址，这通过DNS查询实现。首先创建DNS查询，将其封装在UDP、IP和以太网帧中。为了将帧发送到路由器，需要获取路由器接口的MAC地址，这通过ARP查询实现。ARP查询以广播的形式发送，路由器收到后回复ARP应答，提供其接口的MAC地址，客户端从而得知第一跳路由器的MAC地址，进而可以发送包含DNS查询的帧。
- 使用DNS：包含DNS查询的IP数据报通过校园网络交换机转发到第一跳路由器，然后从校园网络进入Comcast网络，通过路由协议（如RIP、OSPF、IS - IS和/或BGP）将其路由到DNS服务器，DNS服务器解析域名并回复客户端www.google.com的IP地址。
- TCP连接携带HTTP：为了发送HTTP请求，客户端首先打开与Web服务器的TCP连接。客户端发送TCP SYN段（三次握手的第一步），经过域间路由到达Web服务器，Web服务器回复TCP SYNACK（三次握手的第二步），客户端再回复TCP ACK（三次握手的第三步），从而建立TCP连接。
- HTTP请求/回复：客户端通过TCP连接发送HTTP请求，包含HTTP请求的IP数据报被路由到www.google.com。Web服务器收到请求后，回复HTTP应答（包含网页内容），应答被路由回客户端，最终网页在客户端显示。