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《圖解TCP/IP》讀書筆記三:資料鍊路

《圖解TCP/IP》讀書筆記三:資料鍊路

3.1資料鍊路的作用

       指OSI參考模型中的資料鍊路層,有時也指以太網、無線區域網路等通信手段。

      TCP/IP中對于OSI參考模型的資料鍊路層及以下部分(實體層)未作定義。因為TCP/IP以這兩層的功能是透明的為前提。然而,資料鍊路層的知識對于深入了解TCP/IP與網絡起着至關重要的作用。

      資料鍊路層的協定定義了通過通信媒介互聯的裝置之間的傳輸規範。 通信媒介包括雙膠電纜、同軸電纜、光纖、電波以及紅外線等媒體。此外,各個裝置之間有時也會通過交換機、網橋、中繼器等中轉資料。

      實際上,各個裝置之間在資料傳輸時,資料鍊路層和實體層都是必不可少的。衆所周知,計算機以0、1來表示資訊,然而實際的通信媒介之間處理的卻是電壓的高低、光的閃滅以及電波的強弱等信号。把這些信号與二進制的0、1進行轉換正是實體層的責任。資料鍊路層處理的資料也不是單純的0、1序列,該層把它們集合為一個叫做幀的塊,然後再進行傳輸。

      資料鍊路也可以被視為網絡傳輸中的最小機關。其實,仔細觀察連通全世界的網際網路就可以發現,它也不外乎是由衆多這樣的資料鍊路組成的,是以又可以稱網際網路為”資料鍊路的集合”.

      在以太網與FDDI(Fiber Distributed Data Interface)的規範中,不僅包含OSI參考模型的第二層資料鍊路層,也規定了第一層實體層的規範。而在ATM(Asynchronous Transfer Mode異步傳輸方式)的規範中,還包含了第三層的一部分功能。

《圖解TCP/IP》讀書筆記三:資料鍊路
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3.2 資料鍊路相關技術

3.2.1 MAC位址

      MAC位址用于識别資料鍊路中互聯的兩個節點。以太網或FDDI中,根據IEEE802.3的規範使用MAC位址。其他諸如無線LAN(IEEE802.11a/b/g/n等)、藍牙等裝置中也是使用相同規格的MAC位址。

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      MAC位址長48比特,結構如下。在使用網卡NIC的情況下,MAC位址一般都會被燒入ROM中。是以,任何一個網卡的MAC位址都是唯一的,在全世界都不會重複。

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例外情況——MAC位址不一定是唯一的

      在全世界,MAC位址也并不總是唯一的。實際上,即使MAC位址相同,隻要不是同屬一個資料鍊路就不會出現問題。

      例如,人們可以在微機闆上自由設定自己的MAC位址。再例如,一台主機上如果啟動多個虛拟機,由于沒有硬體的網卡隻能由虛拟軟體自己設定MAC位址給多個虛拟網卡,這時就很難保證所生成的MAC位址是獨一無二的了。

      但是,無論哪個協定成員通信裝置,設計前提都是MAC位址的唯一性。這也可以說是網絡世界的基本準則。

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廠商識别碼

      有一種裝置叫網絡分析器。它可以分析出區域網路中的包是由哪個廠商的網卡發出的。它通過讀取資料幀當中發送MAC位址裡的廠商識别碼進行識别。由于能夠迅速定位是否有未知廠商識别碼的網卡發送異常的包,這一功能在由多個廠商的裝置構成的網絡環境中,對于分析問題極為有效。

      廠商識别碼官方的叫法是OUI(Organizationally Unique Ideifier)。

OUI資訊一般都會公開在以下網站上:

​​​http://standards.ieee.org/develop/regauth/oui/public.html​​​

此外,MAC位址的配置設定,通過以下站點申請(收費):

​​​http://standards.ieee.org/develop/regauth/oui/index.html​​

3.2.4 根據MAC位址轉發

      在使用同軸電纜的以太網(10BASE5、10BASE2)等媒體共享網絡中,同一時間隻能由一台主機發送資料。當連網的主機數量增加時,通信性能會明顯下降。若将集線器或集中器等裝置以星型連接配接,就出現了一款新的網絡裝置—交換集線器,這是一種将非媒體共享型網絡中所使用的交換機用在以太網中的技術,交換集線器也叫作以太網交換機。

      以太網交換機就是持有多個端口(計算機裝置的外部接口都稱作端口)的網橋。它們根據資料鍊路層中每個幀的目标MAC位址,決定從哪個網絡接口發送資料。這時所參考的、用以記錄發送接口的表就叫做轉發表(Forwarding Table)。

      這種轉發表的内容不需要使用者在每個終端或交換機上手工設定,而是可以自動生成。資料鍊路層的每個通過點在接到包時,會從中将源MAC位址以及曾經接收該位址發送的資料包的接口作為對應關系記錄到轉發表中。以某個MAC位址作為源位址的包由某一接口接收,實質上可以了解為該MAC位址就是該接口的目标。也可以說,以該MAC位址作為目标位址的包,經由該接口送出即可。這一過程也叫自學過程。

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      由于MAC位址沒有層次性,轉發表中的入口個數與整個鍊路中所有網絡裝置的數量有關。當裝置數量增加時,轉發表也會随之變大,檢索轉發表所用的時間也就越長。當連接配接多個終端時,有必要将網絡分成多個資料鍊路,采用類似于網絡層的IP位址一樣對位址進行分層管理。

交換機的轉發方式

交換機轉發方式有兩種,一種叫存儲轉發,另一種叫直通轉發。

存儲轉發方式檢查以太網資料幀末尾的FCS位再進行轉發。是以,可以避免發送由于沖突而被破壞的幀或噪聲導緻的錯誤幀。

直通轉發方式中不需要将整個幀全部接收後再進行轉發。隻需要得知目标位址即可開始轉發。是以,它具有延遲較短的優勢。但同時也不可避免地有發送錯誤幀的可能性。

3.2.5 環路檢測技術

      通過網橋連接配接網絡時,一旦出現環路該如何處理?這與網絡的拓撲結構和所使用的網橋種類有直接關系。最壞的情況下,資料幀會在環路中被一而再再而三地持續轉發。而一旦這種資料幀越積越多将會導緻網絡癱瘓。

      為此,有必要解決網絡中的環路問題。具體有生成樹與源路由兩種方式。使用具有這些功能的網橋,那麼即便建構一個帶有環路的網絡,也不會造成嚴重的問題。隻要搭建合适的環路,就能分散網絡流量,在發生某一處路由故障時選擇繞行,可以提高容災能力。

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具體方式:生成樹方式、源路由法(具體細節略)

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