网络 | 05. MAC与IP地址、ARP协议、集线器与交换机、虚拟局域网
250710 MAC地址、IP地址、ARP协议
MAC地址
基本概念
- MAC地址是以太网的MAC子层所使用的地址，属于数据链路层
- IP地址是TCP/IP体系结构中网际层所使用的地址，属于网际层
- ARP协议属于TCP/IP体系结构的网际层，其作用是已知设备所分配到的IP地址，使用ARP协议可以通过该IP地址获取到该设备的MAC地址
- 尽管IP地址和ARP协议属于网际层，但他们与MAC地址存在一定的关系，并且日常的网络应用都离不开这三个东西，因此放在一起讨论
MAC地址
- 使用点对点信道的数据链路层不需要地址（一条线连接两个机器时）
- 使用
广播信道 的数据链路层（一个总线连接多个主机）必须使用地址来区分各主机 - 每个主机必须有一个唯一的标识（即数据链路层地址），从而搞清楚发送主机和接收主机是谁
- 在每个主机发送的帧中，必须携带标识发送主机和接收主机的地址，由于这类地址是用于
媒体接入控制 （MAC，Media Acess Control），因此这类地址被称为MAC地址 - MAC地址一般被固化在网卡（网络适配器）的电可擦、可编程、只读存储器EEPROM中，因此MAC地址也被称为硬件地址
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- MAC地址有时也被称为物理地址，但这并不意味着MAC地址属于网络体系结构中的物理层
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- 一般情况下，用户主机会包含两个网络适配器：有线局域网适配器（有线网卡）和无限局域网适配器（无线网卡），每个适配器都会有一个全球唯一的MAC地址
- 而交换机和路由器往往拥有更多的网络接口，所以会拥有更多的MAC地址
- 综上，严格来说，MAC地址是对网络上各接口的唯一标识，而不是对网络上各设备的唯一标识
IEEE 802局域网的MAC地址格式
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由48比特构成，每8个比特为1个字节，共6个字节
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前三个字节是组织唯一标识符OUI，生产网络设备的厂商需要向IEEE的注册管理机构申请一个或多个
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后三个字节是获得OUI的厂商自由分配的
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这种地址标识符称为扩展的唯一标识符EUI，对于48比特的MAC地址，可称为EUI-48
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MAC的标准表示方法，是将每4个比特写成一个十六进制的字符，共12个字符；将每两个字符为一组，共6组，组之间用短线或冒号连接
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可以根据MAC地址，查找到该设备的厂商信息，例如华为的组织标识为30-FB-B8，小米为A4-45-19
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第一个字节的b0和b1 为有特殊的用途，根据标识其可以分为四类，每类有70多亿个- b0为0时是单播，b0为1时是多播地址；在十六进制下，第二个数字如果是奇数则为多播地址（13579BDF）
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每个人可以拥有几个全球管理的单播MAC地址？
- 电脑上的以太网接口、wifi接口、蓝牙接口都分配有全球单播的MAC地址
- 而每台交换机和路由器都拥有多个网络接口，就拥有多个全球单播的MAC地址
- 对于使用EUI-48空间的应用程序，IEEE的目标寿命为100年（直到2080年），但是鼓励采用EUI-64作为替代
MAC地址的发送顺序
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字节发送顺序是第一字节到第六字节，字节内比特的发送顺序为b0到b7，例如举例说明功能
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给主机配置多播组列表时进行私有应用时，不得使用公有的标准多播地址
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http://standards.ieee.org/develop/regauth/grpmac/public.html
随机MAC地址
- 据斯诺登报道，美国安全局有一套通过监视电子设备MAC地址，来跟踪城市中每个人的行动
- 因此，苹果率先在iOS设备扫描网络时，采用随机MAC地址技术
- 随后，Win10、安卓6.0、内核版本3.18的Linux也陆续提供随机MAC地址技术
IP地址（网络层）的作用
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IP地址是因特网上的主机和路由器所使用的地址，用于表示两部分信息
- 网络编号：标识因特网上数以百万计的网络
- 主机编号：标识同一网络上不通主机（或路由器各接口）
- 同一个网络上的各主机和路由器上的各接口IP地址的网络号应该是相同的，而主机号部分则应该各不相同
- 因特网中不同网络的网络编号必须各不相同
- 至于哪些数字标识网络，哪些数字标识主机，其在不同场景下不同
- MAC地址不具备区分不同网络的功能
- 如果只是一个单独的网络，不接入因特网，可以只使用MAC地址（这不是一般用户的应用方式）
- 如果主机所在的网络需要接入因特网，则IP地址和MAC地址都需要使用
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从网络整体结构看IP地址和MAC地址
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- 数据包转发过程中，源IP地址和目的IP地址保持不变
- 数据包转发过程中，源MAC地址和目的MAC地址逐个链路（逐个网络）改变
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习题
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- D
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ARP协议（地址解析协议ARP，怎么根据IP地址找到MAC地址）
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问题引入
- 每台主机都会有一个
ARP高速缓存表 ，在要发送消息时，会现在自己的缓存表中查找相应主机的MAC地址-
如果没有找到，则需要发送ARP请求报文来获取该MAC地址
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主机收到ARP请求后，如果与自己的MAC地址不匹配，则丢弃该广播信息；如果确认是自己的MAC地址后，发送ARP响应报文，该报文为单播帧，包含自己的IP地址和MAC地址
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源主机收到ARP响应报文后，将该信息记录到自己的ARP高速缓存表中；这个时候，重新加载了的缓存表中就有对应的MAC地址了，可以用户网络通信了
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- 每台主机都会有一个
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ARP高速缓存表中都有两种类型，
- 动态类型是指，记录是主机自己主动获取的，其生命周期默认为2分钟（当生命周期结束时，该记录将自动删除）。因为MAC地址和IP地址的关系并不是永久性的，例如当主机的网卡坏了，更换新的网卡后，主机的IP地址并没有变化，但MAC地址改变了
- 静态类型是由网络维护人员手动配置的，不同操作系统下其生命周期不同（例如系统重启后不存在或系统重启后依然有效）
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ARP协议只能在
一段链路或一个网络中使用 ，不能跨网络使用，如下的网络结构中，主机H1不能通过ARP协议获取到H2的IP地址
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除了ARP请求和响应报文外，ARP协议还存在其他类型的报文，如用于检查IP地址冲突的“无故ARP、免费ARP”等
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ARP协议没有安全验证机制，存在ARP欺骗（攻击）问题
250713 集线器与交换机
集线器和交换机的区别
- 早期的总线型以太网使用集线器
- 最早使用粗同轴电缆作为传输媒体，后来演进到使用价格相对便宜的细同轴电缆
- 当初认为，这种链接方法既简单又可靠
- 那个年代认为，有源器件不可靠，无源的电缆线才是可靠的
- 但实际上，使用无源电缆和大量机械接头的总线型以太网，并不像想象中那么可靠
- 后来，以太网发展出了一种，使用大规模集成电路，可靠性非常高的设备，叫做集线器
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且使用更便宜、更灵活的双绞线作为传输媒体
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使用双绞线和集线器hub的星形以太网
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虽然物理拓扑是星型的，但
逻辑上仍是一个总线网 ，各站共享总线资源，使用的还是CSMA/CD协议 -
集线器只在物理层工作，它的每个接口仅简单地转发比特，不进行碰撞检测（该任务由各站网卡负责）（分析问题时，可以将集线器简单看作是一条总线）
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集线器一般都有少量的容错能力和网络管理功能，例如，若网络中某个网卡出现了故障，不停地发送帧时，集线器可以检测到这个问题，在内部断开与出故障网卡的连线，使整个以太网仍然能正常工作
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使用集线器可以对以太网进行扩展（使用集线器在物理层扩展以太网）
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以太网交换机
- 在集线器互连而成的共享总线式以太网的某个主机，要给另一个主机发送单播帧时，该单播帧会通过共享总线传输到总线上的各个主机
- 使用交换机互连而成的交换式以太网上的某个主机，要给另一个主机发送单播帧时，该单播帧进入交换机后，交换机会将该单播帧转发给目的主机，而不是网络中的其他各个主机（假设忽略ARP过程、且交换机的帧交换表已经配置好了）
- 以太网交换机通常都有多个接口，每个接口都可以直接与一台主机或另一个以太网交换机相连，一般都工作在全双工方式（发送和接收同时进行）
- 集线器下的网络，各主机需要共享总线的，需要使用CSMA/CD协议来协调各主机争用总线，只能工作在半双工模式（收发不能同时进行）
- 以太网交换机具有并行性，能同时链接多对接口，使多对主机能同时通信，而无碰撞（不使用CSMA/CD协议）
- 以太网交换机一般都具有多种速率的接口，例如10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s、10Gb/s接口的多种组合
- 以太网交换机工作在数据链路层（也包括物理层），它收到帧后，在帧交换表中查找目的MAC地址所对应的接口号，然后通过在接口转发该帧
- 以太网交换机是一种即插即用的设备，其内部的帧交换表时通过自学习算法，自动、逐步建立起来的
- 帧有两种转发方式
- 存储转发
- 直通交换
- 不必缓存后再处理，而是在帧接收的同时，就立即按目的MAC地址，决定帧的转发接口，因而提高了帧的转发速率
- 采用基于硬件的交叉矩阵（交换时延非常小，但不检查帧是都有差错）
对比集线器和交换机
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主机发送帧的情况：不同机器在相同的广播域，使用起来没有区别
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多台主机同时发送帧时
- 集线器下会发生碰撞，遭遇碰撞的帧也会传播到总线上的各主机
- 但在交换机的交换式以太网中，
交换机收到多个帧时，会将他们缓存起来 ，然后根据目的地址，逐个转发给目的主机，不会产生碰撞
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扩展以太网的区别
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- 而对于广播帧，效果上看没有区别
- 对使用集线器的以太网，各主机都属于同一个广播域，其在扩展后，参与竞争总线的主机变多了
- 即使是，仅使用集线器扩展的以太网，不仅仅扩展了广播域，也扩展了碰撞域（冲突域）
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小结
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- 交换机并不比集线器贵，但拥有更好的特性，因而集线器目前已经在市场上所淘汰
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三层交换机
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市面上有
包含部分网络层功能 的交换机，称为三层交换机，其工作在数据链路层（也包括物理层） -
以太网交换机收到帧后，在帧交换表中查找帧的目的MAC地址所对应的接口号，然后通过该接口转发该帧
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以太网交换机是一种即插即用的设备，刚上电启动时，内部的帧交换表时空的；随着网络中各主机间的通信，以太网交换机通过自学习算法，自动逐渐建立起来帧交换表
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- 如图所示，每个交换机通过接口分别连接了3台主机
- 为了简单起见，各主机中网卡上固化的MAC地址，仅用一个大写字母表示，各主机互不相同
- 为了将重点放在以太网交换机自学习和转发帧的流程上，假设各主机知道网络中其他各主机的MAC地址（无需进行ARP）
- 当A给B发送帧时，帧通过接口1进入交换器1后，交换机1首先执行登记操作，将该帧重点源MAC地址A和接口1记录到帧交换表中，该操作称为自学习
- 随后对该帧进行转发，该帧的目的MAC地址为B，则在帧交换表中查找地址B，找不到时，则对该帧进行盲目地转发（盲目泛洪） ，即向除该帧进入交换机的接口外的全部接口转发该帧；在该阶段，交换机的帧交换表并不完善，其只能盲目地进行转发
- 主机B收到该帧后，根据该帧的目的MAC地址B确认该帧是发送给自己的帧，于是接受该帧；主机C确认其不是发送给自己的，就丢弃该帧；
- 该帧通过交换机1的接口4发出，到交换机2的接口2，交换机2接收该帧后，首先登记该帧的源MAC地址A和接口号2到帧交换表中，随后进行转发，在帧交换表中无法找到目的MAC地址B后，就进行盲目转发，主机DEF都会收到该帧，并在验证后丢弃该帧
- 若现在B要给A发送帧，其将帧发送到交换机1中时，首先登记源MAC地址B和接口3到帧交换表，随后在帧交换表中查找目的MAC地址A，在已知其接口的情况下，则进行明确的转发
- 若主机E要对A发送帧，其首先发送到交换机2，登记E的相关信息后，可以在帧交换表中找到主机A的MAC地址，按照其对应的接口号2，明确转发该帧给交换机1；交换机1登记E的相关信息后，查找A的接口，明确转发
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以太网交换器丢失帧的情况
- 给接口1再接一个主机G（省略了集线器没有画出）
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- 现在，主机G给主机A发送帧，该帧通过总线进行传输，主机A和交换机1的接口1都可以收到；主机A收到后确认、接收该帧；
- 交换机1收到该帧后，登记源MAC地址G和接口1的相关信息，随后对该帧进行转发，该帧的目的MAC地址是A，在帧交换表中查到的接口号为1，但是该帧正是从接口1进入交换机1的，交换机不会再从该接口将该帧转发出去（因为没有必要），于是丢弃该帧；交换机2不会收到该帧
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当网络中各主机都发送过帧后，网络中的各交换机就可以学习到各主机的MAC地址，以及他们与自己各接口的对应关系
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值得注意的是，帧交换表中的每条记录，都有自己的有效时间，到期自动删除（因为该关系不一定是永久性的）
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习题
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- B
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以太网交换器的生成式协议STP
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如何提高以太网的可靠性？
- 可以通过添加冗余链路的方法，来提高以太网的可靠性
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如在B和C之间添加一个冗余链路后，哪怕一个链路出现故障，整个网络仍然是通的
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但是，冗余链路也会带来一些负面效应，形成网络环路，而网络环路会带来以下问题
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- 相同的广播帧会在各交换机之间反复转发，分别按照顺时针和逆时针方向同时兜圈，这就是所谓的广播风波
- 广播风暴：大量消耗网络资源，使得网络无法正常转发其他数据帧
- 主机收到重复的广播帧后也会消耗大量的主机资源
- 交换机的帧交换表震荡（漂移），如H1是来自于1，但顺时针来的广播风暴会将其改为2，逆时针的风暴又会将其改为3
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- 可以通过添加冗余链路的方法，来提高以太网的可靠性
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为了可以在增加冗余链路来提高网络可靠性的同时，避免网络环路带来的各种问题，以太网交换机使用
生成树协议STP（Spanning Tree Protocol） 来解决该问题-
不论交换机之间采用怎么的物理连接，交换机都能够自动计算并构建出一个逻辑上没有环路的网络，其拓扑结构必须是树形的（无逻辑环路）
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举例
- 当机器如图进行物理连接后，就会形成多个环路
- 实际上，各交换机之间，按照生成树协议中规定的生成树算法，交互一些参数后，每个交换机就可以判断出自己应该阻塞自己的哪些接口，如右图所示，形成没有环路的网络
- 当然，最后生成的树形拓扑结构必须要确保能够连通整个网络
- 当首次连接交换机，或网络的物理拓扑发生变化时（有可能是人为改变或故障），交换机都将进行生成树的重新计算
- 生成树算法STA
软考备考 | 生成树协议
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250714 虚拟局域网VLAN
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虚拟局域网VLAN概述
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使用一个或多个以太网交换机互连起来的交换式以太网，其所有站点都属于同一个广播域
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随着交换式以太网规模的扩大，广播域也相应扩大
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巨大的广播域会带来很多弊端，如
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广播风暴
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如某个主机需要给另一个主机发送数据帧，但自己的ARP缓存表中无法查到目的主机的MAC地址，于是首先需要发送ARP广播请求，来获得目的主机的MAC地址
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该ARP广播请求会传遍整个网络，网络中的所有主机都可以收到该广播帧，形成广播风波，浪得网络资源和各主机的CPU资源
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因而，除非不得以，网络中的主机应尽量不使用广播；但实际上，网络中会频繁出现广播信息
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难以管理和维护
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潜在的安全问题
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如何分隔巨大的广播域？
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使用路由器可以隔离广播域
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- 路由器工作在网络结构的第三层（网络层）
- 由于路由器默认情况下，不对广播数据包进行转发，从而进行隔离
- 但路由器的成本较高，在局域网内部全部使用路由器来隔离广播域时不现实的
- 由此，虚拟局域网技术应运而生
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虚拟局域网VLAN（Virtual Local Area Network）是一种将局域网内的设备分成与物理位置无关的逻辑组的技术，这些逻辑组具有某些共同的需求
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- 相同虚拟网络下的设备可以广播通信，不同的虚拟局域网下设备不可以广播通信
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VLAN的实现机制
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VLAN技术可以在交换机上进行实现，但需要交换机具备如下两个功能
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识别带有VLAN表示的帧 IEEE 802.1Q帧
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也称为Dot One Q帧，其是对以太网MAC帧格式进行了扩展，插入了4字节的VLAN标记
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VLAN标记的最后12比特称为VLAN表示VID，它唯一标志了以太网帧属于哪一个VLAN
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VID的取值范围是0-4095（$2^{12}-1$）
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0和4095都不用来表示VLAN，因此VID的有效取值范围是1-4094
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802.1Q帧是**由交换机来处理**的，而不是用户主机
- 当交换机收到普通的以太网帧时，会将其插入4字节的VLAN标记，转变为802.1Q帧，简称“打标签”
- 当交换机转发802.1Q帧时，可能会删除其4字节的VLAN标记，转变为普通的以太网帧，简称“去标签”
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VLAN帧中的其他内容，对我们理解VLAN划分机制没有什么帮助，这里不在赘述
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交换机的各端口可以支持不同的端口类型（不同类型的端口，对帧的处理方式不同）
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交换机端口类型有以下三种：Access、Trunk、Hybrid（思科交换机没有该端口）
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交换机各端口的缺省VLAN ID
- 在思科交换机上称为本征VLAN（Native VLAN）；当用户没有配置VLAN时，都默认为VLAN1，即所有端口的本征VLAN都是VLAN1
- 而在华为交换机上将其称为“端口VLAN ID”（Port VLAN ID），简称为PVID
- 交换机的每个端口，有且仅有1各PVID
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Access端口
- Access端口一般用于连接用户计算机，只能属于一个VLAN
- Access端口的PVID值与端口所属的VLAN的ID相同（默认为1）
- 交换机上电后，默认的端口类型为Access
- Access端口接收处理帧的方法为：一般只接受未打标签的普通以太网MAC帧，根据接收帧的端口的PVID给帧“打标签”，即插入4字节的VLAN标记字段，字段中VID取值与端口的PVID取值相同
- Access端口发送处理方法：若帧中的VID与端口的PVID相等，则去标签并转发该帧，否则不转发
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Trunk端口
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一般用于交换机与交换机之间、交换机与路由器之间的互联，可以属于多个VLAN
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用户可以设置Trunk端口的PVID值，默认情况下为1
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Trunk端口发送处理方法为：
- 对VID等于PVID的帧，去标签再转发
- 对VID不等于PVID的帧，直接转发
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Trunk端口接收处理方法为：接收到未打标签的帧后，根据接收帧端口的PVID给帧打标签，即插入4字节VLAN标记字段，字段中的VID取值与端口的PVID取值相同
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练习
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Hybrid（华为特有的）
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其既可以用于与用户主机的互联，也可以用于与交换机/路由器之间的互联，其可以属于多个VLAN
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用户可以设置Hybrid端口的PVID值，默认情况下值为1
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Hybrid端口发送处理方法：
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查看帧的VID是否在端口的“去标签”列表中
- 若存在则去标签后转发
- 若不存在，则直接转发
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Hybrid端口接收处理方法（与Trunk相同）
- 接收未打标签的帧时，根据端口的PVID给帧打标签后转发给对应端口
- 接收已打标签的帧时，则直接转发
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应用举例
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