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CCNA-Part3 - 数据链路层的趣事 - 走进交换机

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:

  1. 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。

  2. 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:

  1. 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)
  2. 广播帧和组播帧向所有的端口进行转发
  3. 泛洪:收到未知单播帧(MAC 地址未知)或者广播帧
  4. 转发:收到已知的单播帧
  5. 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.

本文转载自博客园,原文链接:https://www.cnblogs.com/michael9/p/13199165.html

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