计算机网络:TCP/IP协议(从 MAC 地址到 VLAN 标签：数据链路层如何重构网络拓扑逻辑)-海口c网

前言

本期开始将分层进行讲解OSI参考模型或者TCP/IP参考模型，从数据链路到应用层，本期先介绍数据链路层。

数据链路层

数据链路层是计算机网络中最基本的内容，如果没有数据链路层，基于TCP/IP的通信也就无从谈起。数据链路，指OSI参考模型中的数据链路层，有时也指以太网、无线局域网等通信手段。TCP/IP中对于OSI参考模型的数据链路层及以下部分（物理层）未作定义。因为TCP/IP以这两层的功能是透明的为前提。然而，数据链路的知识对于深入理解TCP/IP与网络起着至关重要的作用。

MAC地址

MAC地址长48比特，在使用网卡（NIC）的情况下，MAC地址一般会被烧入到ROM中。因此，任何一个网卡的MAC地址都是唯一的，在全世界都不会有重复。
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注意：MAC可以不是唯一的，只要不同属于一个数据链路就不会有问题。

共享介质型网络

从通信介质的使用方法来分，网络可以分为共享介质型和非共享介质型，共享介质型网络指多个设备共享一个通信介质的网络。设备之间使用同一个载波信道进行发送和接收。这里我们介绍两种介质控制方式：争用方式以及令牌传递方式。

争用方式

我们称其为CSMA(载波监听多路访问)，采用先到先得的方式占用信道，如果多个站同时发送帧，则会产生冲突现象。在一部分以太网中，将其进行改良为CSMA/CD方式，它要求每个站提前检查冲突，如果发生冲突，尽早释放信道。当接收端接收到数据时，会对其进行校验，也就是上期将介绍的FCS位，使用与发送方相同的算法对帧进行计算，如若与收到的帧的FCS位不同，则丢弃。

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令牌传递方式

令牌传递方式就是有一个特殊的报文“令牌”，只有拿到令牌的站，才能发送数据，令牌沿着令牌环进行传输。
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非共享介质网络

非共享介质网络是指不共享介质，在这种方式下，网络中的每个站直连交换机，由交换机进行转发数据帧。
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根据MAC地址进行转发

在使用交换机的时候，它们根据数据链路层中每个帧的MAC地址，决定从哪个接口进行发送数据，这时通过查询转发表，转发表的内容不是手工设置，而是通过交换机进行自学生成。自学过程如下：
1 初始化：交换机启动时，MAC 地址转发表为空。
2 监听数据帧：交换机通过监听端口接收网络中的数据帧。当它收到一个数据帧时，会检查帧的源 MAC 地址和目的 MAC 地址。
3 学习源 MAC 地址：交换机将数据帧中的源 MAC 地址与接收该帧的端口号关联起来，并记录到 MAC 地址转发表中。这就相当于交换机记住了某个 MAC 地址是从哪个端口进入的，以后如果要向这个 MAC 地址发送数据，就可以从这个端口转发出去。
4 转发数据帧：根据目的 MAC 地址在转发表中查找对应的端口号。如果找到匹配项，就将数据帧从对应的端口转发出去；如果没有找到，交换机就会采用广播的方式，将数据帧从除接收端口外的所有其他端口发送出去，以寻找目的 MAC 地址对应的设备。
5 更新转发表：随着网络中数据帧的不断传输，交换机会持续学习新的 MAC 地址，并更新转发表。如果某个 MAC 地址对应的端口发生了变化，交换机也会及时更新转发表中的记录，确保数据能够正确转发。
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环路检测技术

如果用网桥连接网络的时候，如果出现环路，则可能发生数据帧在环路中一而再再而三的持续转发，为了解决这一个情况，有两种方式生成树与源路的方式。

生成树

该方法由IEEE802.1D定义。每个网桥必须在每1～10秒内相互交换BPDU（Bridge Protocol Data Unit）包，从而判断哪些端口使用哪些不使用，以便消除环路。一旦发生故障，则自动切换通信线路，利用那些没
有被使用的端口继续进行传输。具体步骤如下：
1 选举根桥：所有交换机通过交换 BPDU（Bridge Protocol Data Unit）报文，比较桥 ID，选出具有最低桥 ID 的交换机作为根桥。根桥是生成树的中心节点。
2 计算最优路径：各交换机计算到达根桥的最佳路径，将此路径上的端口设为根端口。路径成本是衡量路径优劣的标准，通常链路带宽越高，路径成本越低。
3 选举指定端口：在每条链路上，依据端口到根桥的路径成本等因素，选举出指定端口，负责在该链路上转发数据。非指定端口则不进行数据转发。
4 阻塞非必要路径：将冗余路径上的端口设为阻塞状态，这些端口不转发用户数据，只接收和处理 STP 协议报文，从而防止环路形成。当网络拓扑发生变化时，STP 会重新计算，调整端口状态，确保网络始终无环。
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IEEE802.1D中所定义的生成树方法有一个弊端，就是在发生故障切换网络时需要几十秒的时间。为了解决这个用时过长的问题，在IEEE802.1W中定义了一个叫RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）的方法。该
方法能将发生问题时的恢复时间缩短到几秒以内。

源路由法

源路由法最早由IBM提出，以解决令牌环网络的问题。该方式可以判断发送数据的源地址是通过哪个网桥实现传输的，并将帧写入RIF（Routing InformationField）。网桥则根据这个RIF信息发送帧给目标地址。因此，即使网桥中出现了环路，数据帧也不会被反复转发，可成功地发送到目标地址。在这种机制中发送端本身必须具备源路由的功能。

VLAN

进行网络管理的时候，时常会遇到分散网络负载、变换部署网络设备的位置等情况。而有时管理员在做这些操作时，不得不修改网络的拓扑结构，这也就意味着必须进行硬件线路的改造。然而，如果采用带有VLAN技术的网桥，就不用实际修改网络布线，只需修改网络的结构即可。
我们可以通过对交换机不同端口进行划分，从而区分广播数据传播的范围、减少了网络负载。
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同时为了允许包含跨越异构交换机的网段又定义了IEEE802.1Q的标准（也叫TAG VLAN）。TAG VLAN中对每个网段都用一个VLAN ID的标签进行唯一标识。在交换机中传输帧时，在以太网首部加入这个VID 标签，根据这个值决定将数据帧发送给哪个网段。
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以太网帧格式

以太网帧前端有一个叫做前导码（Preamble）的部分，它由0、1数字交替组合而成，表示一个以太网帧的开始，也是对端网卡能够确保与其同步的标志。前导码末尾是一个叫做SFD（Start Frame Delimiter）的域，它的值是“11”。在这个域之后就是以太网帧的本体。前导码与SFD合起来占8个字节（8位字节指包含8比特的1个字节。与人们平常说的字节（Byte）类似。
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以太网帧本体的前端是以太网的首部，它总共占14个字节。分别是6个字节的目标MAC地址、6个字节的源MAC地址以及2个字节的上层协议类型。紧随帧头后面的是数据。一个数据帧所能容纳的最大数据范围是46～1500个字节。帧尾是一个叫做FCS的4个字节。在目标MAC地址中存放了目标工作站的物理地址。源MAC地址中则存放构造以太网帧的发送端工作站的物理地址。类型通常跟数据一起传送，它包含用以标识协议类型的编号，即表明以太网的再上一层网络协议的类型。在这个字段的后面，则是该类型所标识的协议首部及其数据。
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IEEE802.3 Ethernet与一般的以太网在帧的首部上稍有区别。一般以太网帧中表示类型的字段，在IEEE802.3以太网中却表示帧的长度。此外，数据部分的前端还有LLC和SNAP等字段。而标识上一层协议类型的字段就出现在这个SNAP中。不过SNAP中指定的协议类型与一般以太网协议类型的意思基本相同。
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