CCNA-Part3

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.