計算機網(wǎng)絡學習（3）：組建簡單網(wǎng)絡

要組建成一個基本的網(wǎng)絡，只需要一臺集線器(Hub)或一臺交換機、幾塊網(wǎng)卡和幾十米UTP線就能完成。

事實上，這樣的簡單網(wǎng)絡是更復雜網(wǎng)絡的基本單位。把這些小的、簡單的網(wǎng)絡互連到一起，就形成了

更復雜的局域網(wǎng)(LAN)。

3.1 最簡單的網(wǎng)絡

    如圖所示，簡單用一個集線器(Hub)就可以將數(shù)臺計算機連接到一起，使計算機之間可以將數(shù)臺計

    算機連接到一起。在購買一臺集線器后，只需要簡單用雙絞線把各臺計算機和集線器連接到一起，

    并不需要做其他的任何事情，一個簡單的網(wǎng)絡就搭建成功了。

    集線器的功能是幫助計算機轉發(fā)數(shù)據(jù)包，它是最簡單的網(wǎng)絡設備。集線器的工作原理非常簡單，

    當集線器從一個端口收到數(shù)據(jù)包后，它簡單的把數(shù)據(jù)包向所有端口轉發(fā)。發(fā)送主機數(shù)據(jù)包的報

    頭包含目標主機的MAC地址，只有與該MAC地址相同的主機才會接收數(shù)據(jù)包，而其他的主機不會

    接收該數(shù)據(jù)報。

3.2 網(wǎng)絡連接的基本技術

    3.2.1 數(shù)據(jù)封裝 - 計算機網(wǎng)絡通訊的基礎

          數(shù)據(jù)包在發(fā)送前，主機需要為每個數(shù)據(jù)段封裝報頭。而在報頭中，最重要的是地址。

          圖3.2 數(shù)據(jù)包的分段與封裝

          如圖3.2所示，數(shù)據(jù)報在傳送前，被添上了幀報頭(Frame Header)、IP報頭(IP Header)、

          TCP報頭(TCP Header)、幀尾(Frame Trailer)。被封裝好了報頭報尾的一個數(shù)據(jù)段，被

          稱為數(shù)據(jù)幀。

          將數(shù)據(jù)分段按幀傳送的目的有2個：數(shù)據(jù)出錯重發(fā)、通訊線路爭用平衡。
          幀報頭(Frame Header)包含目標MAC地址和源MAC地址；

          IP報頭(IP Header)包含了目標IP地址和源IP地址；

          TCP報頭(TCP Header)包含了目標端口(port)地址和源端口(port)地址。

          網(wǎng)卡通過判斷數(shù)據(jù)報MAC地址是否和自己相同，來決定是否接收數(shù)據(jù)報；

          當搭建復雜網(wǎng)絡時，我們不僅需要知道目標主機的地址，還需要知道目標主機的網(wǎng)絡地

          址。IP地址包含網(wǎng)絡地址和主機地址兩個信息。當從源主機發(fā)送數(shù)據(jù)報到目標主機時，

          互聯(lián)網(wǎng)中的路由器設備需要查詢IP地址中的網(wǎng)絡地址信息部分，才能知道要把數(shù)據(jù)報發(fā)

          送到哪個網(wǎng)絡，而后通過IP地址的主機地址部分發(fā)送到目標主機。

          當數(shù)據(jù)通過MAC地址和IP地址聯(lián)合尋址達到目標主機后，目標主機將數(shù)據(jù)報交給某個應用

          程序去處理，但怎么確定要交給哪個應用程序呢？這就是通過最后目標端口(port)地址

          來確定了。

          由此可見，要完成數(shù)據(jù)傳輸，需要三級尋址：

          IP地址用于網(wǎng)間尋址，

          MAC地址用于網(wǎng)段尋址，

          端口地址用于應用程序尋址。

          幀尾(Frame Trailer)用于數(shù)據(jù)完好校驗，較流行的幀校驗算法有CRC校驗、二維奇偶校

          驗(Two-dimension parity)、網(wǎng)際校驗(Internet checksum)。

    3.2.2 MAC地址

          如果3.3，高3個字節(jié)(00 60 2F)代表生產(chǎn)廠家企業(yè)編碼(OUI)，低3個自己是隨機數(shù)。需要

          保證局域網(wǎng)內(nèi)各臺主機的MAC地址唯一。

          特殊的MAC地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF是廣播地址，使用該地址的數(shù)據(jù)報表示該幀數(shù)據(jù)是發(fā)

          給所有主機的。

    3.2.3 網(wǎng)卡

          網(wǎng)卡固化了MAC地址。

          自帶MAC地址比較電路，判斷數(shù)據(jù)報的MAC地址是否和自己相同來決定是否接收該數(shù)據(jù)報。

    3.2.4 以太網(wǎng)

          在以太網(wǎng)中，如果多臺主機需要同時通訊，那么這些主機誰先爭得傳輸介質(zhì)（通訊線路），

          誰就獲得數(shù)據(jù)發(fā)送權利，該技術稱為總線爭用介質(zhì)訪問。

          另外還有令牌網(wǎng)技術，該技術通過令牌大家輪流獲取介質(zhì)訪問權限。

          以太網(wǎng)規(guī)范：IEEE 802.3協(xié)議

          令牌網(wǎng)規(guī)范：IEEE 802.5協(xié)議

          圖3.4 介質(zhì)訪問控制技術

    3.2.5 IEEE 802.3數(shù)據(jù)幀結構

          圖3.5 IEEE 802.3的幀格式

          同步字段(Preamble): 早期用于同步脈沖的字段，值固定為01010101，現(xiàn)已不用，保留

                              以維持兼容性。

          起始標記字段(Start of Frame Delimeter)：值固定為10101011。

          目標MAC地址字段(Destination Address)：目標主機MAC地址。全1是廣播地址。

          源主機MAC地址字段(Source Address)：源主機MAC地址。

          幀長度/類型字段(Length/Type)：當這個字段數(shù)值小于0x0600時，表示長度；

                                        當大于0x0600時，表示類型。

                                        長度是指數(shù)據(jù)幀的字節(jié)數(shù)；類型表示接受主機的上層協(xié)

                                        議，如ARP，該字段應為0x0806。

          數(shù)據(jù)(Data)：幀數(shù)據(jù)。最小46個字節(jié)，最大1500字節(jié)。規(guī)定幀的最小字節(jié)數(shù)是為了定時需

                      要，如果不夠這個字節(jié)，需填充。

          幀校驗字節(jié)(Frame Check Sequence)：一個4字節(jié)的CRC校驗值。

          IEEE 802.3之前，還有個Ethernet協(xié)議，現(xiàn)在的IEEE 802.3已經(jīng)兼容Ethernet協(xié)議，用字

          段Length/Type是否為0x0600來區(qū)分。

3.3 以太網(wǎng)交換機

    3.3.1 以太網(wǎng)交換機的工作原理

          交換機用以替代集線器(Hub)將PC、服務器、外設連接成一個網(wǎng)絡。

          交換機區(qū)別于集線器的是能夠同時提供點對點的多個鏈路，從而大大提高網(wǎng)絡帶寬。

          圖3.6 以太網(wǎng)交換機中的交換表

          交換機的核心是交換表。交換表是一個交換機端口與MAC地址的映射表。

          一幀數(shù)據(jù)到達交換機后，交換機從包頭取出目標MAC地址，通過查表，得知應該向哪個端口

          轉發(fā)，進而將數(shù)據(jù)幀從正確的端口轉發(fā)出去。如果交換機查不到該向哪個端口轉發(fā)，則向

          所有端口轉發(fā)。

          那么交換表是如何得到的呢？交換機是通過自學習得到交換表的。交換表是放置在交換機

          的內(nèi)存中，交換機的剛上電的時候，交換表是空的，此時，如果圖3.6中0260.8c01.1111主

          機向0260.8c01.2222主機發(fā)送報文的時候，交換機無法通過查表得知應該向哪個端口轉發(fā)

          報文，于是向所有端口轉發(fā)。雖然交換機不知道目標主機0260.8c01.2222在自己的哪個端

          口，但是它知道報文來自e0端口，因此，轉發(fā)報文后，交換機便把幀報頭的源MAC地址

          0260.8c01.1111放到其交換表的e0端口行中。交換機對其他端口也是這樣辨識MAC地址，經(jīng)

          過一個時間后，交換機得到了完整的交換表。

          圖3.7 交換機(左)的e1端口捆綁多個MAC地址

          交換機級聯(lián)的時候，一個端口可以捆綁多個MAC地址。如圖3.7所示，當交換機級聯(lián)時，連

          接到其它交換機的主機的MAC地址都會捆綁到本交換機的級聯(lián)端口。
          交換機為了避免交換表中的垃圾地址，交換機每隔一段時間，會清楚交換表，重新學習。

          當然這個也會對帶寬造成浪費，新的智能交換機可以選擇遺忘那些長時間沒有通訊流量

          的MAC地址，進而改善交換機性能。

          如果用以太網(wǎng)交換機連接一個簡單網(wǎng)絡，一臺新的交換機不需要任何配置，將各個主機

          連接到交換機就可以工作了。

    3.3.2 以太網(wǎng)交換機的類型

          直通式(cut through)和存儲轉發(fā)式(store and forward)。

          直通式交換機在接到報文后幾乎只要接到報頭中的目標MAC地址就可以立即轉發(fā)，不需要等

          待整個數(shù)據(jù)幀。

          存儲轉發(fā)式首先對接收到的報文進行CRC校驗，然后根據(jù)幀報頭中的MAC地址和交換表，確

          定轉發(fā)的輸出端口，然后把報文放到那個輸出端口的高速緩沖存儲器中排隊、轉發(fā)。

          直通式快，但會轉發(fā)損壞的包；而存儲轉發(fā)歲有延遲，但不轉發(fā)壞包，可靠性高，節(jié)省CPU

          資源和帶寬。

          另外，服務質(zhì)量優(yōu)先(QoS)技術也只能在存儲轉發(fā)式交換機中實現(xiàn)。