CCNA-Part3 - 数据链路层的趣事

在这篇文章中，会先介绍局域网及其的组件，通过交换机延伸到 TCP/IP 中数据链路层，了解数据的传输介质，以及交换机的发展历程及原理。

最后介绍数据帧的格式。

在阅读后应该了解如下的内容：

什么是局域网及其组件
Hub 和交换机的区别
交换机的转发规则
数据帧的格式
Ethernet2 和 IEEE 制订的标准的区别。

LAN

将在一定的限制区域内，有多个终端设备连接到一起的设备叫局域网。例如通过交换机连接起来的多台终端。

常用的组件：

终端：PC，IP 电话，打印机，移动电话，服务器

连接设备：网卡（NIC），网络介质（网线，无线电波）

网络设备：以太网交换机，路由器，AP（扩散无线信号，通过 WCL 集中控制）

协议：Ethernet，IP，ARP，DHCP

上面是常见的一个局域网中的架构图，由此可见，对于一个局域网来说，交换机是其中最重要的部分。

集线器 (Hub)

对于 2 台 PC 来说，可以将其直接连接起来，但对于 3 台甚至更多就不行了。在这时，先是出现一个叫 HUB 的设备，用于解决连接多台终端的问题。由于 HUB 本身内部的设计（一根总线，总线分出多根线连接其他设备），就决定了有如下的特性：

工作在物理层，对收到的信号进行放大，以扩大网络的传输距离。
集线器发送数据没有针对性，而是采用广播的形式发送，也就是说当它要向某个节点发送数据时，不是直接把数据发送到目的端口，而是把数据包发送到会集线器相连的所有节点
当以 HUB 为中心设备时，网络中某条线路发生了故障并不影响其他的端口工作

但 HUB 有一个非常严重的问题，就是由于本身的设计，导致在同一时间只能有一根线传递数据，就意味着是半双工的工作模式。为了解决这个问题，就出现了一个技术 - CSMA／CD，载波监听多路检测。

实现 CSMA／CD 的方法就是：

先听后发
边听边发
冲突停发
随机分配

交换机

什么是交换机?

在 HUB 之后，交换机被发明出来，解决连接多台终端的问题。和 HUB 不同，交换机在设计时，非常采用总线的架构，而是采用交换矩阵的形式。这就意味着具有以下的特点：

基于硬件转发，转发的速度是线性（可以忽略在交换机上处理数据的时间）并且是有选择的转发数据帧
工作在 TCP/IP 的数据链路层
默认全双工
高速，并具有大量的帧缓存
端口很多
可拓展，可分为核心交换机和边缘交换机，连接起来的多台交换机同属于同一局域网

交换机的作用

当交换机收到数据时，检查数据包中的目的 MAC 地址，然后把数据从目的所在端口转发出去。

转发过程一般分为三种：

直通式转发：转发时仅检查前 12 字节（源，目的 MAC 地址），避免不了转发无效残帧（小于 64 字节）
存储式转发，检查数据包的所有字节，可靠性高，但有效率的损失
无碎片式转发，检查前 64 字节，在可靠性和效率间取舍。

交换机的原理

在交换机内部有一张 MAC 地址表，表中记录了网络中所有 MAC 地址和该交换机各端口的对应信息，以及老化时间(300s)。

在交换机收到数据时会遵循如下的处理流程：

先查询 MAC 表，看表中是否存在所在端口源 MAC 地址。
- 如果存在，不做处理
- 不存在，则将源 MAC 和交换机所在端口号记录。
再次查询 MAC 表，看表中是否存在目的 MAC 地址。
- 如果存在，则单播转发。
- 不存在，进行泛洪操作（广播）。终端在收到数据包会先检查二层报头，不是自己的 MAC 则丢弃，是自己则继续拆包到应用层，接着回包。

规范：

交换机只记录源 MAC 地址（因为通常来说数据都是有来有回的，这样双方的 MAC 地址都能记住）

广播帧和组播帧向所有的端口进行转发

泛洪：收到未知单播帧（MAC 地址未知）或者广播帧

转发：收到已知的单播帧

丢弃：FCS 损坏，或者目的 MAC 不是自己

MAC 地址表的老化时间

MAC地址表项的老化时间为300秒。从一个地址记录加入地址表以后开始计时，如果在老化时间内各端口未收到源地址为该 MAC 地址的帧，那么这些地址将从动态转发地址表（由源 MAC 地址、目的 MAC 地址和它们相对应的交换机的端口号）中被删除。静态MAC地址表不受地址老化时间影响。

现在我们知道，交换机工作在数据链路层，下面来了解下链路层具体的一些内容。

TCP/IP - 数据链路层

先说一下链路层的实际传输介质，Ethernet 的实际转发速度取决于实际的传输媒介，一般为：

双绞线
光纤
同轴电缆（早期，淘汰）

双绞线（应用较多）

双绞的目的，为了屏蔽内部的电磁干扰。一般来说，双绞线的速度可以从 10 Mbps 到 40 Gbps.，传输的最大距离是 100 m.

双绞线的线序：

T568B 线序为：橙白，橙，绿白，蓝，蓝白，绿，粽白，粽

T568A 线序：绿白，绿，橙白，蓝，蓝白，橙，棕白、棕

其实 1,2 发生数据，3,6 接受数据

不同线序的目的：

同种设备连接需要用交叉线（568a，568b），不同种设备需要用直通线（568b）。原因在于同种设备使用直通线会冲突，因为 1,2 都是发送，3,6是接受。

交叉线：交换机和交换机，路由器和路由器，路由器和PC，PC 和 PC

直通线：交换机和路由器，交换机和 PC，交换机和服务器。

光纤

多模光纤（ST），波长 850nm，1310nm，光由二级发光产生，传输距离短，造价低。

单模光纤（SC，LC，FC），波长 1310nm，1550 nm，由激光产生，距离长，造价高。

数据链路层-数据帧的结构

Ethernet 2 的数据帧格式：

大小为 6 字节，48 bits. 前 24 bits 由 OUI 组成，后 24 bits 由 vendor assigned 组成。

由于在早期，Ethernet 2 为私有协议，IEEE 为了通用化，发明了一个新的标准，将数据链路层拆分为两层 MAC 子层和 LLC 子层，对应协议如下：

数据链路层 LLC 子层 - 与网络层打交道	802.2	802.2	802.2	802.2
数据链路层 MAC 子层 - 与物理层打交道	802.3	802.1	802.5	FDDI
物理层	双绞线	无线	令牌	光纤

下面以 802.3 为例，说一下和 Ethernet2 的对比：

Ethernet2 长度:14Byte, 6Byte 源 MAC，6Byte 目的MAC，2Byte 类型

IEEE802.3 MAC 子层：长度:14Byte, 6Byte 源 MAC，6Byte 目的MAC，2Byte 长度

LLC 子层：

SAP：长度:3Byte，1Byte DSAP(Ox42),1Byte DSAP(Ox42), 1Byte CON(Ox03) -- 上层是 STP 协议
- 将 802.3 和802.2 合起来实现 Ethernet2 的功能，公有协议
SNAP: 长度: 8Byte, 1Byte DSAP(Ox42),1Byte DSAP(Ox42), 1Byte CON(Ox03), 3Byte (Ox00000c), 2Byte PID -- 上层是 CDP
- 为了实现私有协议

一般来说，协议的传输用 802.3，用户流量用的是 Ethernet2.