《圖解TCP/IP》讀書筆記三：數據鏈路

3.1數據鏈路的作用

       指OSI參考模型中的數據鏈路層，有時也指以太網、無線局域網等通信手段。

      TCP/IP中對於OSI參考模型的數據鏈路層及以下部分（物理層）未作定義。因爲TCP/IP以這兩層的功能是透明的爲前提。然而，數據鏈路層的知識對於深入理解TCP/IP與網絡起着至關重要的作用。

      數據鏈路層的協議定義了通過通信媒介互聯的設備之間的傳輸規範。 通信媒介包括雙膠電纜、同軸電纜、光纖、電波以及紅外線等介質。此外，各個設備之間有時也會通過交換機、網橋、中繼器等中轉數據。

      實際上，各個設備之間在數據傳輸時，數據鏈路層和物理層都是必不可少的。衆所周知，計算機以0、1來表示信息，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號。把這些信號與二進制的0、1進行轉換正是物理層的責任。數據鏈路層處理的數據也不是單純的0、1序列，該層把它們集合爲一個叫做幀的塊，然後再進行傳輸。

      數據鏈路也可以被視爲網絡傳輸中的最小單位。其實，仔細觀察連通全世界的互聯網就可以發現，它也不外乎是由衆多這樣的數據鏈路組成的，因此又可以稱互聯網爲」數據鏈路的集合」.

      在以太網與FDDI(Fiber Distributed Data Interface)的規範中，不僅包含OSI參考模型的第二層數據鏈路層，也規定了第一層物理層的規範。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。

3.2 數據鏈路相關技術

3.2.1 MAC地址

      MAC地址用於識別數據鏈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地址。其他諸如無線LAN(IEEE802.11a/b/g/n等)、藍牙等設備中也是使用相同規格的MAC地址。

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

例外情況——MAC地址不一定是唯一的
      在全世界，MAC地址也並不總是唯一的。實際上，即使MAC地址相同，只要不是同屬一個數據鏈路就不會出現問題。
      例如，人們可以在微機板上自由設置自己的MAC地址。再例如，一臺主機上如果啓動多個虛擬機，由於沒有硬件的網卡只能由虛擬軟件自己設定MAC地址給多個虛擬網卡，這時就很難保證所生成的MAC地址是獨一無二的了。
      但是，無論哪個協議成員通信設備，設計前提都是MAC地址的唯一性。這也可以說是網絡世界的基本準則。

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廠商識別碼
      有一種設備叫網絡分析器。它可以分析出局域網中的包是由哪個廠商的網卡發出的。它通過讀取數據幀當中發送MAC地址裏的廠商識別碼進行識別。由於能夠迅速定位是否有未知廠商識別碼的網卡發送異常的包，這一功能在由多個廠商的設備構成的網絡環境中，對於分析問題極爲有效。
      廠商識別碼官方的叫法是OUI（Organizationally Unique Ideifier）。
OUI信息一般都會公開在以下網站上：
http://standards.ieee.org/develop/regauth/oui/public.html
此外，MAC地址的分配，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地址轉發

      在使用同軸電纜的以太網（10BASE5、10BASE2）等介質共享網絡中，同一時間只能由一臺主機發送數據。當連網的主機數量增加時，通信性能會明顯下降。若將集線器或集中器等設備以星型連接，就出現了一款新的網絡設備—交換集線器，這是一種將非介質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（計算機設備的外部接口都稱作端口）的網橋。它們根據數據鏈路層中每個幀的目標MAC地址，決定從哪個網絡接口發送數據。這時所參考的、用以記錄發送接口的表就叫做轉發表（Forwarding Table）。

      這種轉發表的內容不需要使用者在每個終端或交換機上手工設置，而是可以自動生成。數據鏈路層的每個通過點在接到包時，會從中將源MAC地址以及曾經接收該地址發送的數據包的接口作爲對應關係記錄到轉發表中。以某個MAC地址作爲源地址的包由某一接口接收，實質上可以理解爲該MAC地址就是該接口的目標。也可以說，以該MAC地址作爲目標地址的包，經由該接口送出即可。這一過程也叫自學過程。

      由於MAC地址沒有層次性，轉發表中的入口個數與整個鏈路中所有網絡設備的數量有關。當設備數量增加時，轉發表也會隨之變大，檢索轉發表所用的時間也就越長。當連接多個終端時，有必要將網絡分成多個數據鏈路，採用類似於網絡層的IP地址一樣對地址進行分層管理。

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數據幀末尾的FCS位再進行轉發。因此，可以避免發送由於衝突而被破壞的幀或噪聲導致的錯誤幀。
直通轉發方式中不需要將整個幀全部接收後再進行轉發。只需要得知目標地址即可開始轉發。因此，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係。最壞的情況下，數據幀會在環路中被一而再再而三地持續轉發。而一旦這種數據幀越積越多將會導致網絡癱瘓。

      爲此，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，那麼即便構建一個帶有環路的網絡，也不會造成嚴重的問題。只要搭建合適的環路，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。

具體方式：生成樹方式、源路由法(具體細節略)

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