TCP/IP.part3.数据链路(一)

前言

TCP/IP相关内容第三部分,包含:

  • 数据链路的作用
  • 数据链路相关技术

一、数据链路的作用

数据链路层的协议定义了通过通信媒介互连的设备之间传输的规范。

数据链路保证了媒介互连的设备之间进行可靠的数据(帧)传输。“媒介互连”指的是主机都是在相同,或是相似的数据链路之中,他们可以是用物理媒介直接连在一起的,也可以是通过交换机,网桥,中继器连在一起的。他们在一个非异构的网络中被连接起来(异构的需要用路由器),都遵守着相同的数据链路传输规约。他们不一定是属于同一个局域网,因为有VLAN的存在。

而物理层的作用是把二进制的“帧”数字信号与实际的物理模拟信号进行相互转换。

一般数据链路采用的技术都会与物理层的特性相关,如有线就要用CSMA/CD,而无线就用CSMA/CA。如数据链路以太网与FDDI直接规定了物理层的规格。而ATM规范中还包含了网络层的一部分功能。

互联网可以被称为“数据链路的集合”。

二、数据链路相关技术

1、MAC地址

MAC地址用于识别数据链路中互连的节点。地址长48bit,被烧入到NIC的ROM中,一般认为是全球唯一的。但事实上只要同一个数据链路中不重复就可以。如一台主机上启动多个虚拟机会分配多个虚拟网卡,难保证全球唯一了。

MAC地址前两bit位是单播/多播和全局/本地地址,3~24bit是厂商唯一识别数字,25~48bit是厂商内部每个网卡识别数字。

2、共享介质型网络

设备之间同用一个载波信道,采用半双工通信(就一根线,接收的时候不能发送,发送的时候不能接受)。最早的以太网和FDDI就采用的这种。其网络属于分布式,没用中心,一人发,所有人的都能收到,根据MAC地址是否匹配来决定是接受还是抛弃。不用交换机这个东西。
包含两种模式:

  1. 争用方式
    CSMA:确认信道空闲后就发送,同时发送会造成冲突,但不会停止,直到帧发送完再被要求重发。此时会造成性能下降。
    CSMA/CD:确认信道空闲后就发送,同时监听信道,若监听到同轴电缆的电压突然升高,证明还有别的节点也发了数据帧,认为发生冲突,此时放弃发送数据帧,在随机延时后重发,比CSMA节约时间。
  2. 令牌传递方式
    沿着令牌环发送一种叫“令牌”的特殊报文,只有获得令牌的站才能发送数据,这样不会有冲突,且每个站都有平等的机会收到令牌。数据包被发出后沿着环转一圈给所有主机,回到源地址后被抛弃。

3、非共享介质网络

网络中每个站直连交换机,由交换机根据MAC地址负责转发数据帧,全双工通信。计算机与交换机端口形成一对一连接。这是ATM和主流以太网的传输控制方式。
这种方式还可以用交换机构建虚拟局域网(VLAN),缺点是交换机一坏,所有计算机都无法通信。

以太网既可以采用同轴电缆CSMA技术半双工通信(早期的)、也可以采用双绞线交换机技术全双工通信(现在流行的)。

4、根据MAC地址转发

以太网交换机就是持有多个端口的网桥。它根据记录的转发表,根据MAC地址转发数据。转发表可以使手工设置,也可以自动生成。每次收到帧,他都会记录源MAC地址和对应传进来的端口,下次有目的MAC地址为该MAC地址时直接往这个端口发。对于未知的MAC地址,会广播给所有端口。(后面借助路由器可以用ARP)

5、环路检测技术

通过网桥连接的网络若出现了环,很可能造成数据帧持续转发无法被释放,造成网络瘫痪。可以采用:1、生成树方式; 2、源路由法; 来提高容灾能力。

6、VLAN(虚拟局域网)

如果想要改变网络的拓扑结构(例如让一些主机脱离这个链路网络),可能需要对硬件线路进行改造(把连接主机和这个交换机的网线给撤走),很麻烦。采用具有VLAN技术的网桥可以避免这么麻烦的事,其不需要修改网络布线,就可以切断所有VLAN之间的所有通信。其强行把交换机的端口切割,让连接在同一交换机的网段成为异构的,只能用路由器连接了。这样做可以区分广播范围,减少网络负载,提高网络安性。

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