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1.4.2 数据链路层互连设备
2012-11-10 09:47:46     我来说两句 
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数据链路层是OSI参考模型中组建局域网的最重要一层。工作在该层的网络互连设备主要有网卡、网桥和交换机。

1.网卡

计算机与局域网的连接是通过主机箱内的一块网络接口板(现在大多已集成到主板上)来实现的。网络接口板又称为网络适配器或网络接口卡,简称为网卡,如图1-20所示。


 

网卡是工作在数据链路层的一种网络组件,是局域网中连接计算机和传输介质的接口,不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配,还具有帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码以及数据缓存等功能。

(1)网卡的功能

网卡上面有处理器和存储器。网卡和局域网之间的通信是通过传输介质以串行传输方式进行的;而网卡和计算机之间的通信则是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行的。因此,网卡的一个重要功能就是要进行串行/并行转换。由于网络上的数据率和计算机总线上的数据率并不相同,因此在网卡中必须装有对数据进行缓存的存储芯片。

在安装网卡时必须将管理网卡的设备驱动程序安装在计算机的操作系统中。这个驱动程序会控制网卡应当从存储器的什么位置将局域网传送过来的数据块存储下来。

网卡并不是独立的自治单元,它本身不带电源,而是使用所插入的计算机的电源并受该计算机的控制。因此,网卡可看成一个半自治的单元。当网卡收到一个有差错的帧时,它就将这个帧丢弃而不必通知它所插入的计算机;当网卡收到一个正确的帧时,它会使用中断来通知该计算机并交付给协议栈中的网络层。当计算机要发送一个IP数据包时,它就由协议栈向下交给网卡组装成帧后发送到局域网。

以太网网卡的主要功能有三点:

?数据的封装与解封。发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部形成以太网帧;接收时将以太网的帧剥去首部和尾部,然后送交上一层处理。

?链路管理。主要是CSMA/CD协议的实现。

?编码与译码。即曼彻斯特编码与译码。

(2)网卡的分类

网卡按照不同的分类标准可分为不同的种类,下面介绍几种常见的分类标准。

?按照网络技术的不同来分。包括ATM网卡、令牌环网卡和以太网网卡等,目前以太网网卡占据绝对主流。

?按照网卡所支持的带宽来分。包括10Mbps网卡、100Mbps网卡、10/100Mbps自适应网卡、1000Mbps网卡等。

?按照网卡接口来分。包括连接双绞线的RJ45接口网卡、连接细同轴电缆的BNC接口网卡、连接粗同轴电缆的AUI接口网卡、FDDI接口网卡、ATM接口网卡等。为了适应更广泛的应用,有些网卡可能会同时具有上述的多种接口。

?按照网卡总线类型来分。包括ISA网卡、PCI网卡、PCI-X网卡(在服务器上使用)、PCMCIA网卡(在笔记本电脑上使用)等。

?按照工作对象的不同来分。包括普通工作站网卡和服务器专用网卡等。

除了可按照上述分类标准对网卡进行分类外,还有一些非主流的分类方式,比如目前非常流行的无线网卡、USB接口网卡等。

2.网桥

网桥(bridge)又称为桥接器,与中继器类似,传统的网桥只有两个端口,用于连接不同的网段,如图1-21所示。与中继器不同的是,网桥具有一定的智能性,可以“学习”网络上主机的地址,同时具有信号过滤的功能。


 

网桥工作在数据链路层,它将两个网段连起来,根据MAC地址来转发帧,不但能扩展网络的距离或范围,而且可提高网络的性能、可靠性和安全性。例如,网段1和网段2通过网桥连接后,网桥接收网段1发送的数据帧,检查数据帧中的地址,如果目的地址属于网段1,它就将其放弃,相反,如果是网段2的地址,它就继续发送给网段2。这样可利用网桥隔离信息,将网络划分成多个网段,隔离出安全网段,防止其他网段内的用户非法访问。由于网桥对网络进行了分段,使得各网段相对独立,一个网段的故障不会影响到另一个网段的运行。

网桥作为一个概念在学习交换技术方面显得非常重要,但作为产品在目前市面上很少见到,它已经被交换机(被视为多端口网桥)所取代。

3.交换机

交换机的英文名称为“switch”,是一种具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品,它体现了更加复杂的桥接技术,如图1-22所示。


 

(1)交换机的工作原理

交换机工作在数据链路层,它拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵,所有的端口都挂接在这条背部总线上。控制电路收到数据帧以后,处理端口会查找内存中的地址对照表(常称为MAC地址表)以确定目的MAC(网卡的硬件地址)的网卡挂接在交换机的哪个端口上,通过内部交换矩阵迅速将数据帧传送到转出端口。目的MAC若在地址对照表里面不存在,将把数据帧广播到除进口以外的所有的端口。

使用交换机也可以把网络“分段”,通过对照MAC地址表,交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发,可以有效地隔离冲突域,但它不能控制网络层广播的范围(即广播域)。

交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输,每一端口都可视为独立的网段,连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽,无须同其他设备竞争使用。例如,当节点A向节点D发送数据时,节点B可同时向节点C发送数据,而且这两个传输都享有网络的全部带宽。假使这里使用的是10Mbps的以太网交换机,那么该交换机这时的总流通量就等于2×10Mbps=20Mbps,而使用10Mbps的共享式集线器时,一个集线器的总流通量也不会超出10Mbps。

总之,交换机是一种基于MAC地址识别、能完成封装转发数据帧功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址,并把其存放在内部地址表中,通过在数据帧的发起者和目标接收者之间建立临时的交换路径,使数据帧直接由源地址到达目的地址。交换机的工作原理可以概括为以下几点:

?交换机根据收到的数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射,并将其写入MAC地址表中。

?交换机将待转发的数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比对,以决定从哪个端口转发数据帧。

?如果待转发的数据帧的目的MAC地址不在MAC地址表中,则向除进口外的所有端口转发,这一过程称为泛洪(flood)。

?广播帧和组播帧的转发也采用泛洪方式进行。

(2)交换机的功能

交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑架构、错误校验以及流量控制等。目前的交换机还具备了一些新的功能,如对VLAN(虚拟局域网)的支持、对链路聚合的支持,甚至有的还具有网络安全的功能。交换机的基本功能可以概括为以下三点:

?学习。以太网交换机学习每个端口所连设备的MAC地址,并将其MAC地址和相应的端口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中。

?转发/过滤。当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时,它将被转发到连接该目的节点的端口而非所有端口(如该数据帧为广播帧或组播帧时,则转发至所有端口)。

?消除回路。当交换机组成的交换网络中包括一些冗余链路时,交换机通过生成树协议或链路聚合控制协议避免回路的产生,并且会给网络预留备用链路(网络异常时启用备用链路)。

(3)交换机的数据转发方式

交换机常见的数据转发方式有三种:

?直通式转发。是指交换机收到帧头(通常只检查14个字节)后立即查看目的MAC地址并对照MAC地址表进行转发。由于这种转发方式不需要存储,因此延迟非常小、交换速度快。缺点是,由于帧的内容并没有被交换机保存下来,所以无法检查所传送的数据帧是否有误,不能提供错误检测能力。因为没有缓存数据帧,所以不能在不同速率的输入/输出端口上进行直通式转发。

?存储式转发。这是计算机网络领域应用最为广泛的方式。它把输入端口的帧先存储起来,然后进行CRC校验,丢弃错误帧,只对正确帧进行转发。因此,该转发方式的转发延迟较大,这是它的不足。但是它可以对进入交换机的帧进行错误检测,能有效地改善网络性能。尤其重要的是它可以支持在不同速率的端口间转发,保持高速端口与低速端口间的协同工作。

?无碎片直通式转发。这是介于前两者之间的一种解决方案。它检查帧的长度是否达到以太网的帧长最小要求64字节。如果小于64字节,说明是碎片帧(通常是因为冲突导致的错误帧),则丢弃之;如果大于或等于64字节,则转发。这种方式也不提供数据校验,它的数据处理速度比存储式转发要快,但比直通式转发慢。

(4)交换机与集线器的区别

?从OSI参考模型来看,集线器属于物理层设备,而交换机属于数据链路层设备。也就是说,集线器只是对数据的传输起到同步、放大和整形的作用,对于数据传输中的错误帧等无法进行有效的处理,不能保证数据传输的完整性和正确性;而交换机不但可以对数据的传输做到同步、放大和整形,而且还可以过滤错误帧等。

?从工作方式看,集线器是一种广播方式,容易产生数据的冲突,当网络较大时网络性能会受到很大影响;而交换机就能够避免这种现象,当交换机工作的时候,只有发出请求的端口与目的端口之间相互响应而不影响其他端口,因此交换机就能够隔离冲突域。这就是大家所说的集线器的所有端口共处于一个冲突域中,而交换机的每一个端口所连接的网段都是一个独立的冲突域。

?从带宽来看,集线器不管有多少个端口,所有端口都共享一条带宽,在同一时刻只能有一对端口传送数据,其他端口只能等待,同时集线器只能工作在半双工模式下;而对于交换机而言,每个端口都有一个独占的带宽,当两个端口工作时不影响其他端口的工作,交换机不但可以工作在半双工模式下,而且可以工作在全双工模式下。

(5)交换机的分类

?根据网络覆盖范围来分。包括广域网交换机和局域网交换机两种。广域网交换机主要应用于电信城域网互联、互联网接入等领域的广域网中,提供通信用的基础平台。局域网交换机就是我们常见的交换机,主要应用于局域网络,用来连接终端设备(如服务器、工作站、网络打印机等)、集线器、路由器等网络设备。

?根据传输介质和传输速度来分。包括以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、万兆以太网交换机、ATM交换机、FDDI交换机和令牌环网交换机等。

?根据交换机的应用规模来分。包括企业级交换机、部门级交换机、工作组交换机和桌机型交换机等。

?根据交换机端口结构来分。包括固定端口交换机和模块化交换机。

?根据工作于OSI参考模型的层面来分。包括二层交换机和三层交换机。

?根据是否支持网管功能来分。包括网管型交换机和非网管型交换机。

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