计算机网络------数据链路层与交换机

1 数据链路层

数据链路层负责网络中相邻节点之间可靠的数据通信，并进行有效的流量控制。在局域网中，数据链路层使用帧完成主机对等层之间数据的可靠传输。以主机A与主机B的一次数据发送为例，数据链路层的作用包括数据链路的建立、维护与拆除、帧包装、帧传输、帧同步、帧的差错控制以及流量控制等。数据链路层(Data Link Layer)在物理线路上提供可靠的数据传输，使之对网络层呈现为一条无差错的线路，本层所关心的问题包括以下几方面:
✧物理地址、 网络拓扑
✧组帧: 把数据封装在帧中，按顺序传送
✧定界与同步: 产生识别帧边界
✧差错恢复: 采用重传的方法

2 以太网

1991-1992年间，Grand Junction网络公司开发了-种高速以太网，这种网络的基本特征，如帧格式、软件接口、访问控制方法等，与以往的以太网相同，但可运行速度可达到100Mbps。
在快速以太网的官方标准提出后不到一年，对千兆以太网的研究工作也开始了，这种网络的速率可达到1000Mbps。1996 年，IEEE 802.3成立了一个标准开发任务组，1998 年完成并通过了标准。研究工作又向支持桌面应用的双绞线千兆以太网技术方面拓展。
目前以太网常用速率有1Gbps, 10Gbps, 40Gbps,100Gbps。

2.1 以太网帧格式

2.1.1 MAC地址

计算机联网必需的硬件是安装在计算机的网卡。通信中，用来标识主机身份的地址就是制造在网卡的一个硬件地址。每块网卡在生产出来后，除了具有基本的功能外，都有一个全球唯一的编号来标识自己， 不会重复，这个地址就是MAC地址，即网卡的物理地址。MAC地址由48位二进制数组成，通常分成6段，用16进制表示，如00-D0-09-A1-D7-B7。其中前24位是生产厂商向IEEE申请的厂商编号，后24位是网络接口卡序列号。MAC地址的第8位为0时，表示该MAC地址为单播地址，为1时，表示该MAC地址为组播MAC地址。一块物理网卡的地址一定是一个单播地址， 也就是第8位一定为0,组播地址是一个逻辑地址， 用来表示一组接收者，而不是一个接收者，如图所示：
!

单播的发送方式为一对一，即一台主机发送的数据只发送给另一台主机。广播方式为一对多，即一台主机发送一个数据，在这个网段的所有主机都能收到。组播方式介于单播和广播之间，也是一对多，但接收者不是网段上的全体成员，而是一个特定的组的成员。在后续课程中会讲解有组播的应用。

2.1.2 802.3以太网帧格式(DIX)

如图所示，该帧包含6个域。
(1)前导码(preamble)包含8个字节(octet) 。前7个字节的值为0xAA,而最后一个字节的值为0xAB。在DIX以太网中，前导码被认为是物理层封装的一部分，而不是数据链路层的封装。
(2)目的地址(DA)包含6个字节。DA标识了帧的目的站点的MAC地址。DA可以是单播地址(单个目的地)、组播地址( 组目的地)或广播地址。
(3)源地址(SA)包含6个字节。SA标识了发送帧的站点的MAC地址。SA一定是单播地址(即第8位是0)。
(4)类型长度域包含2个字节。用来标识上层协议的类型或后续数据的字节长度。当此字段的数值大于0600H时，用来表示类型，例如0800H表示IP协议;当数值小于0600时，用来表示长度。
(5)数据域包含46~1500个字节。数据域封装了通过以太网传输的高层协议信息。出于CSMA/CD算法的限制，以太网帧必须不能小于某个最小长度。高层协议要确保这个域至少包含46字节。如果实际数据不足46 个字节，则高层协议必须执行某些(未指定)填充算法。数据域长度的.上限是任意的，但已经被设置为1500字节。
(6)帧校验序列(FCS)包含4个字节。FCS是从DA开始到数据域结束这部分的校验和。校验和的算法是32位的循环冗余校验法( CRC)。

关于是否增大以太网帧的最大长度，及其对信道访问和帧出错率的影响有许多不同意见。但是，1500 字节最大长度的真正原因是1979年(10 Mbps以太网正在设计之中)的内存成本以及低成本的LAN控制器的缓冲区要求。

2.2 以太网命名标准

当以太网首次广泛应用于商业时，它只支持单-数据传输率( 10Mbps)以及- -种物理介质(粗同轴电缆)。因此术语“以太网”毫无争议地专指这种系统。然而这种简明的特点没有保持很长时间。出于花费少、易安装、易维护以及能在恶劣环境中使用等方面的考虑，以太网被不断修改，并在其中逐渐增加了-系列物理介质。一般地说，商业产品领导市场，随之而来的是制定在这些新介质上的操作标准。稍后，数据传输率也可能发生变化，这又导致出现更多的物理介质。因此，今天有许多非常不同的通信系统，它们都称为“以太网”。
为避免使用这样累赘的称呼，如“使用两对第三类双绞线的10 Mbps以太网”或“使用长波激光”

• 物理介质:表示介质类型，在最早使用这种表示法的一些系统中，“介质”表示以米(m)为单位的最大电缆段长度(以100m为基数)，在之后的系统中，这种习惯发生了改变，“介质” 只简单地表示特定的介质类型。

下表完整地列出“了当前定义的以太网参考名称(其中标为黑体的是目前常用的几个标准)。

以太网名称	速率	注释
1000BaseT	1G	超5类双绞线，最长100m
1000BaseSX-SFP	1G	多摸波长850nm LC/SC光纤，最长550m
1000BaseLX-SFP	1G	单模波长1310nm LC/SC光纤, 最长40km, 常用10km/20km
1000BaseZX-SFP	1G	单模波长1550nm LC/SC光纤, 最长120km, 常用40km/80km
10GBASE-SR-SFP+	10G	多摸波长850nm LC/SC光纤，最长550m
10GBASE-LR-SFP+	10G	单模波长1310nm LC/SC光纤, 最长20km, 常用10km/20km
10GBASE-ZR-SFP+	10G	单模波长1550nm LC/SC光纤, 最长80km, 常用40km/80km

3 以太网交换机

交换机除了能像Hub一样将多台主机连接在一起，实现数据共享与数据通信以外，交换机还能根据以太网帧中的目标MAC地址信息转发数据帧。因此，我们说Hub工作在物理层，而交换机工作在数据链路层。

3.1交换机数据转发工作原理

如图所示，交换机在RAM中保存一张MAC地址表, MAC地址表为MAC地址与端口号对应的一张表。表中的MAC地址为交换松l连接的主机或交换机l端C的MAC地址,端口号为交换机本身的端口号。交换机的MAC地址表的形成与作用主要包含以下几点：
(1)学习
MAC地址表是交换机通过学习接收的数据帧的源MAC地址而形成的。当交换机收到一个数据帧时，首先查看帧中的源MAC地址，查MAC地址表，如果表中没有这个MAC地址，则添加这个条目。
(2)转发
交换机根据MAC地址表单播转发数据帧。交换机转发数据帧时，查看帧中的目标MAC地址，查表，根据表中对应的端口号，将数据转发到对应的端口去。
(3)广播
如果目标地址在MAC地址表中没有，交换机就向除接收到该数据帧的端口了外的其他所有端口广播该数据帧。
(4)更新
交换机MAC地址表的老化时间是300s, 如果MAC地址表中的条目300s没有更新,交换机就删除此条目。
交换机如果发现一个帧的入端口和MAC地址表中源MAC地址的所在端口不同，交换机将MAC地址重新学习到新的端口。

3.2交换机全双工原理

按信息传送的方向与时间可以将传输的方式分为:单工、半双工、全双工3种，如图所示。

单工数据传输指的是两个数据站之间只能沿-个指定的方向进行数据传输。在图(a)中，数据只能由A站传到B站。例如用收音机收听广播,广播内容从电台到收音机就是一个典型的单工数据传输。
半双工数据传输是两个数据站之间可以在两个方向上进行数据传输，但不能同时进行，如图(b)所示。使用对讲机则是典型的半双工的例子,双方都可以讲话，但不能同时进行。
全双工数据传输是在两个数据站之间，可以两个方向同时进行数据传输，如图©所示。例如打电话的时候，双方可以同时发言而不必等待对方停止。全双工通信效率高, 但组成系统的造价高，适用于计算机之间进行高速数据通信的系统。

3.3 以太网交换机的操作与维护

3.3.1正确接入交换机

访问交换机的主要方法有通过Console (控制台)端口、TELNET、浏览器和基于SNMP(简单网络管理协议)的网管软件等几种方式，本章主要介绍Console (控制台)端口的访问方式。Console ( 控制台)端口是交换机的基本接口，它是我们对一台新的交换机进行配置时必须使用的接口。连接Console (控制台)端口的线缆被称为控制台电
缆(Console Cable) 。根据不同厂家的标准，主要有RJ45-DB9、RJ45-DB25、 DB9-DB25、 DB9-DB9 等几类
Console电缆终端到设备的控制台电缆。连接方法如图所示。

若想正常使用PC与交换机进行访问配置,控制台电缆两边的参数设置要保持一致。如思科(Cisco)或者华为交换机的Console端口的默认设置如下:

• 端口速率: 9600 Bps
• 数据位: 8
• 奇偶校验: 无
• 停止位: 1
• 流控:无

把PC超级终端程序中串行端口的属性设置成与上述参数一致后，便可以开始对交换机进行访问控制。

3.3.2 交换机的启动信息

在PC启动正常，PC与交换机使用Console 电缆连接起来,并且已经进入超级终端程序的状况下，接通交换机电源。由于交换机没有电源开关，接通电源即直接插上电源插头。
下面记录了Catalyst 2950交换机启动的全过程。

####################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################

Connected to Dynamips VM "default" (ID 0, type c3600) - Console port

Cisco 3640 (R4700) processor (revision 0xFF) with 94208K/4096K bytes of memory.
Processor board ID 00000000
R4700 CPU at 100MHz, Implementation 33, Rev 1.2
16 FastEthernet interfaces
DRAM configuration is 64 bits wide with parity enabled.
125K bytes of NVRAM.
8192K bytes of processor board System flash (Read/Write)



Press RETURN to get started!

 state to down
*Mar  1 00:00:03.495: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/14, changed state to down
*Mar  1 00:00:03.503: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/15, changed state to down
*Mar  1 00:00:03.507: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface Loopback0, changed state to up
*Mar  1 00:00:06.031: %SYS-5-CONFIG_I: Configured from memory by console
*Mar  1 00:00:06.395: %SYS-5-RESTART: System restarted --
Cisco IOS Software, 3600 Software (C3640-JS-M), Version 12.4(10), RELEASE SOFTWARE (fc1)
Technical Support: http://www.cisco.com/techsupport
Copyright (c) 1986-2006 by Cisco Systems, Inc.
Compiled Wed 16-Aug-06 04:04 by prod_rel_team
*Mar  1 00:00:06.411: %SNMP-5-COLDSTART: SNMP agent on host CORE is undergoing a cold start
*Mar  1 00:00:08.083: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/7, changed state to up
*Mar  1 00:00:08.087: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/6, changed state to up
*Mar  1 00:00:08.147: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/0, changed state to up
*Mar  1 00:00:09.039: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/15, changed state to up
*Mar  1 00:00:09.043: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/14, changed state to up
*Mar  1 00:00:09.047: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/13, changed state to up
*Mar  1 00:00:09.047: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/12, changed state to up
*Mar  1 00:00:09.055: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/11, changed state to up
*Mar  1 00:00:09.059: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/10, changed state to up
*Mar  1 00:00:09.063: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/9, changed state to up
*Mar  1 00:00:09.063: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/8, changed state to up
*Mar  1 00:00:09.063: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/5, changed state to up
*Mar  1 00:00:09.075: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/4, changed state to up

3.3.3 交换机的配置模式

3.3.3.1 用户模式

在交换机正常启动后，我们首先要对交换机进行有效的配置。第一步是要进入交换机的配置模式。
首先，进入用户命令模式。
思科/锐捷：

Switch>

华为/华三：

<Huawei>

用户模式下，只能进行很少量的查看操作，不能对交换机进行参数配置。

3.3.3.2 特权模式

在用户模式下，输入命令:

Switch> enable
Switch#

进入特权模式。
Show/display命令用于特权模式下，用来查看各种相关信息。

3.3.3.3 全局配置模式

在特权模式下，输入命令:
思科/锐捷：

Switch#config terminal
Switch (config)#

华为/华三：

<Huawei>system-view 
Enter system view, return user view with Ctrl+Z.
[Huawei]

进入全局配置模式。
在全局配置模式下，可以对交换机进行参数的配置，在全局配置模式下进行的配置是对整个交换机生效的配置。

3.3.3.4 接口配置模式

在全局配置模式下，输入命令:
思科/锐捷：

Switch (config) #interface f0/1
Switch (config-if)#

华为/华三：

[Huawei]interface g0/0/1             
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]

进入接口配置模式。
在接口配置模式下，可以对这个接口进行参数的配置，在接口模式下所做的配置只对这个接口生效。

3.3.3.5 Line 模式

在全局配置模式下，输入命令:
思科/锐捷：

Switch (config) #line console 0
Switch (config-line) #

华为/华三：

[Huawei]user-interface console 0
[Huawei-ui-console0] 

进入Line 模式。在这个模式下，主要用来对交换机的管理控制台做相应的配置。例如设置管理控制台的密码。