计算机网络:TCP/IP协议(从 MAC 地点到 VLAN 标签：数据链路层怎样重构网络 ...

前言

本期开始将分层进行讲解OSI参考模型大概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，偶然也指以太网、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门（物理层）未作界说。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与网络起着至关紧张的作用。
  MAC地点

MAC地点长48比特，在使用网卡（NIC）的环境下，MAC地点一样平常会被烧入到ROM中。因此，任何一个网卡的MAC地点都是唯一的，在全世界都不会有重复。

留意：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装备共享一个通信介质的网络。装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。在一部门以太网中，将其进行改良为CSMA/CD方式，它要求每个站提前查抄冲突，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，则抛弃。

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。

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互换机，由互换机进行转发数据帧。

根据MAC地点进行转发

在使用互换机的时间，它们根据数据链路层中每个帧的MAC地点，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，而是通过互换机进行自门生成。自学过程如下：
1 初始化：互换机启动时，MAC 地点转发表为空。
2 监听数据帧：互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，会查抄帧的源 MAC 地点和目的 MAC 地点。
3 学习源 MAC 地点：互换机将数据帧中的源 MAC 地点与接收该帧的端口号关联起来，并记载到 MAC 地点转发表中。这就相称于互换机记着了某个 MAC 地点是从哪个端口进入的，以后如果要向这个 MAC 地点发送数据，就可以从这个端口转发出去。
4 转发数据帧：根据目的 MAC 地点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，互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，以探求目的 MAC 地点对应的装备。
5 更新转发表：随着网络中数据帧的不断传输，互换机会持续学习新的 MAC 地点，并更新转发表。如果某个 MAC 地点对应的端口发生了变化，互换机也会实时更新转发表中的记载，确保数据可以或许精确转发。

环路检测技能

如果用网桥毗连网络的时间，如果出现环路，则大概发生数据帧在环路中一而再再而三的持续转发，为了办理这一个环境，有两种方式生成树与源路的方式。
生成树

该方法由IEEE802.1D界说。每个网桥必须在每1～10秒内相互互换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。详细步调如下：
1 推选根桥：所有互换机通过互换 BPDU（Bridge Protocol Data Unit）报文，比力桥 ID，选出具有最低桥 ID 的互换机作为根桥。根桥是生成树的中央节点。
2 计算最优路径：各互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 推选指定端口：在每条链路上，依据端口到根桥的路径成本等因素，推选出指定端口，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，只接收和处置处罚 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，调解端口状态，确保网络始终无环。

IEEE802.1D中所界说的生成树方法有一个弊端，就是在发生故障切换网络时必要几十秒的时间。为了办理这个用时过长的问题，在IEEE802.1W中界说了一个叫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，以办理令牌环网络的问题。该方式可以判断发送数据的源地点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点。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点。在这种机制中发送端自己必须具备源路由的功能。
VLAN

进行网络管理的时间，时常会碰到分散网络负载、变更部署网络装备的位置等环境。而偶然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技能的网桥，就不消实际修改网络布线，只需修改网络的结构即可。
我们可以通过对互换机不同端口进行划分，从而区分广播数据传播的范围、镌汰了网络负载。

同时为了答应包含超过异构互换机的网段又界说了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。在互换机中传输帧时，在以太网首部参加这个VID 标签，根据这个值决定将数据帧发送给哪个网段。

以太网帧格式

以太网帧前端有一个叫做前导码（Preamble）的部门，它由0、1数字瓜代组合而成，表现一个以太网帧的开始，也是对端网卡可以或许确保与其同步的标记。前导码末端是一个叫做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。与人们寻常说的字节（Byte）雷同。

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地点、6个字节的源MAC地点以及2个字节的上层协议范例。紧随帧头背面的是数据。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地点中存放了目标工作站的物理地点。源MAC地点中则存放构造以太网帧的发送端工作站的物理地点。范例通常跟数据一起传送，它包含用以标识协议范例的编号，即表明以太网的再上一层网络协议的范例。在这个字段的背面，则是该范例所标识的协议首部及其数据。

IEEE802.3 Ethernet与一样平常的以太网在帧的首部上稍有区别。一样平常以太网帧中表现范例的字段，在IEEE802.3以太网中却表现帧的长度。别的，数据部门的前端另有LLC和SNAP等字段。而标识上一层协议范例的字段就出现在这个SNAP中。不过SNAP中指定的协议范例与一样平常以太网协议范例的意思基本相同。

总结

本期主要介绍了网络中的数据链路层，下期将会介绍IP协议。
写在文末

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