CCNA-Part3 - 資料鏈路層的趣事 - 走進交換機

以終為始發表於2020-06-27

在這篇文章中，會先介紹區域網及其的元件，通過交換機延伸到 TCP/IP 中資料鏈路層，瞭解資料的傳輸介質，以及交換機的發展歷程及原理。

最後介紹資料幀的格式。

在閱讀後應該瞭解如下的內容：

  • 什麼是區域網及其元件
  • Hub 和交換機的區別
  • 交換機的轉發規則
  • 資料幀的格式
  • Ethernet2 和 IEEE 制訂的標準的區別。

LAN

將在一定的限制區域內，有多個終端裝置連線到一起的裝置叫區域網。例如通過交換機連線起來的多臺終端。

常用的元件：

終端：PC，IP 電話，印表機，行動電話，伺服器

連線裝置：網路卡（NIC），網路介質（網線，無線電波）

網路裝置：乙太網交換機，路由器，AP（擴散無線訊號，通過 WCL 集中控制）

協議：Ethernet，IP，ARP，DHCP

上面是常見的一個區域網中的架構圖，由此可見，對於一個區域網來說，交換機是其中最重要的部分。

集線器 (Hub)

對於 2 臺 PC 來說，可以將其直接連線起來，但對於 3 臺甚至更多就不行了。在這時，先是出現一個叫 HUB 的裝置，用於解決連線多臺終端的問題。由於 HUB 本身內部的設計（一根匯流排，匯流排分出多根線連線其他裝置），就決定了有如下的特性：

  • 工作在物理層，對收到的訊號進行放大，以擴大網路的傳輸距離。

  • 集線器傳送資料沒有針對性，而是採用廣播的形式傳送，也就是說當它要向某個節點傳送資料時，不是直接把資料傳送到目的埠，而是把資料包傳送到會集線器相連的所有節點

  • 當以 HUB 為中心裝置時，網路中某條線路發生了故障並不影響其他的埠工作

但 HUB 有一個非常嚴重的問題，就是由於本身的設計，導致在同一時間只能有一根線傳遞資料，就意味著是半雙工的工作模式。為了解決這個問題，就出現了一個技術 - CSMA／CD，載波監聽多路檢測。

實現 CSMA／CD 的方法就是：

  • 先聽後發

  • 邊聽邊發

  • 衝突停發

  • 隨機分配

交換機

什麼是交換機?

在 HUB 之後，交換機被發明出來，解決連線多臺終端的問題。和 HUB 不同，交換機在設計時，非常採用匯流排的架構，而是採用交換矩陣的形式。這就意味著具有以下的特點：

  • 基於硬體轉發，轉發的速度是線性（可以忽略在交換機上處理資料的時間）並且是有選擇的轉發資料幀

  • 工作在 TCP/IP 的資料鏈路層

  • 預設全雙工

  • 高速，並具有大量的幀快取

  • 埠很多

  • 可擴充，可分為核心交換機和邊緣交換機，連線起來的多臺交換機同屬於同一區域網

交換機的作用

當交換機收到資料時，檢查資料包中的目的 MAC 地址，然後把資料從目的所在埠轉發出去。

轉發過程一般分為三種：

  • 直通式轉發：轉發時僅檢查前 12 位元組（源，目的 MAC 地址），避免不了轉發無效殘幀（小於 64 位元組）
  • 儲存式轉發，檢查資料包的所有位元組，可靠性高，但有效率的損失
  • 無碎片式轉發，檢查前 64 位元組，在可靠性和效率間取捨。

交換機的原理

在交換機內部有一張 MAC 地址表，表中記錄了網路中所有 MAC 地址和該交換機各埠的對應資訊，以及老化時間(300s)。

在交換機收到資料時會遵循如下的處理流程：

  1. 先查詢 MAC 表，看錶中是否存在所在埠源 MAC 地址。

    • 如果存在，不做處理

    • 不存在，則將源 MAC 和交換機所在埠號記錄。

  2. 再次查詢 MAC 表，看錶中是否存在目的 MAC 地址。

    • 如果存在，則單播轉發。

    • 不存在，進行泛洪操作（廣播）。終端在收到資料包會先檢查二層報頭，不是自己的 MAC 則丟棄，是自己則繼續拆包到應用層，接著回包。

規範：

  1. 交換機只記錄源 MAC 地址（因為通常來說資料都是有來有回的，這樣雙方的 MAC 地址都能記住）
  2. 廣播幀和組播幀向所有的埠進行轉發
  3. 泛洪：收到未知單播幀（MAC 地址未知）或者廣播幀
  4. 轉發：收到已知的單播幀
  5. 丟棄：FCS 損壞，或者目的 MAC 不是自己

MAC 地址表的老化時間

MAC地址表項的老化時間為300秒。從一個地址記錄加入地址表以後開始計時，如果在老化時間內各埠未收到源地址為該 MAC 地址的幀，那麼這些地址將從動態轉發地址表（由源 MAC 地址、目的 MAC 地址和它們相對應的交換機的埠號）中被刪除。靜態MAC地址表不受地址老化時間影響。

現在我們知道，交換機工作在資料鏈路層，下面來了解下鏈路層具體的一些內容。

TCP/IP - 資料鏈路層

先說一下鏈路層的實際傳輸介質，Ethernet 的實際轉發速度取決於實際的傳輸媒介，一般為：

  • 雙絞線
  • 光纖
  • 同軸電纜（早期，淘汰）

雙絞線（應用較多）

雙絞的目的，為了遮蔽內部的電磁干擾。一般來說，雙絞線的速度可以從 10 Mbps 到 40 Gbps.，傳輸的最大距離是 100 m.

雙絞線的線序：

T568B 線序為： 橙白，橙，綠白，藍，藍白，綠，粽白，粽

T568A 線序：綠白，綠，橙白，藍，藍白，橙，棕白、棕

其實 1,2 發生資料，3,6 接受資料

不同線序的目的：

同種裝置連線需要用交叉線（568a，568b），不同種裝置需要用直通線（568b）。原因在於同種裝置使用直通線會衝突，因為 1,2 都是傳送，3,6是接受。

交叉線：交換機和交換機，路由器和路由器，路由器和PC，PC 和 PC

直通線：交換機和路由器，交換機和 PC，交換機和伺服器。

光纖

多模光纖（ST），波長 850nm，1310nm，光由二級發光產生，傳輸距離短，造價低。

單模光纖（SC，LC，FC），波長 1310nm，1550 nm，由鐳射產生，距離長，造價高。

資料鏈路層-資料幀的結構

Ethernet 2 的資料幀格式：

大小為 6 位元組，48 bits. 前 24 bits 由 OUI 組成，後 24 bits 由 vendor assigned 組成。

由於在早期，Ethernet 2 為私有協議，IEEE 為了通用化，發明了一個新的標準，將資料鏈路層拆分為兩層 MAC 子層和 LLC 子層，對應協議如下：

資料鏈路層 LLC 子層 - 與網路層打交道 802.2 802.2 802.2 802.2
資料鏈路層 MAC 子層 - 與物理層打交道 802.3 802.1 802.5 FDDI
物理層 雙絞線 無線 令牌 光纖

下面以 802.3 為例，說一下和 Ethernet2 的對比：

Ethernet2 長度:14Byte, 6Byte 源 MAC，6Byte 目的MAC，2Byte 型別

IEEE802.3 MAC 子層：長度:14Byte, 6Byte 源 MAC，6Byte 目的MAC，2Byte 長度

LLC 子層：

  • SAP：長度:3Byte，1Byte DSAP(Ox42),1Byte DSAP(Ox42), 1Byte CON(Ox03) -- 上層是 STP 協議
    • 將 802.3 和802.2 合起來實現 Ethernet2 的功能，公有協議
  • SNAP: 長度: 8Byte, 1Byte DSAP(Ox42),1Byte DSAP(Ox42), 1Byte CON(Ox03), 3Byte (Ox00000c), 2Byte PID -- 上層是 CDP
    • 為了實現私有協議

一般來說，協議的傳輸用 802.3，使用者流量用的是 Ethernet2.

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