計算機網絡學習（3）：組建簡單網絡

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

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

更復雜的局域網(LAN)。

3.1 最簡單的網絡

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

    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，一個簡單的網絡就搭建成功了。

    集線器的功能是幫助計算機轉發數據包，它是最簡單的網絡設備。集線器的工作原理非常簡單，

    當集線器從一個端口收到數據包后，它簡單的把數據包向所有端口轉發。發送主機數據包的報

    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據包，而其他的主機不會

    接收該數據報。

3.2 網絡連接的基本技術

    3.2.1 數據封裝 - 計算機網絡通訊的基礎

          數據包在發送前，主機需要為每個數據段封裝報頭。而在報頭中，最重要的是地址。

          圖3.2 數據包的分段與封裝

          如圖3.2所示，數據報在傳送前，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據段，被

          稱為數據幀。

          將數據分段按幀傳送的目的有2個：數據出錯重發、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。

          網卡通過判斷數據報MAC地址是否和自己相同，來決定是否接收數據報；

          當搭建復雜網絡時，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絡地

          址。IP地址包含網絡地址和主機地址兩個信息。當從源主機發送數據報到目標主機時，

          互聯網中的路由器設備需要查詢IP地址中的網絡地址信息部分，才能知道要把數據報發

          送到哪個網絡，而后通過IP地址的主機地址部分發送到目標主機。

          當數據通過MAC地址和IP地址聯合尋址達到目標主機后，目標主機將數據報交給某個應用

          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，要完成數據傳輸，需要三級尋址：

          IP地址用于網間尋址，

          MAC地址用于網段尋址，

          端口地址用于應用程序尋址。

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

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

    3.2.2 MAC地址

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

          保證局域網內各臺主機的MAC地址唯一。

          特殊的MAC地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF是廣播地址，使用該地址的數據報表示該幀數據是發

          給所有主機的。

    3.2.3 網卡

          網卡固化了MAC地址。

          自帶MAC地址比較電路，判斷數據報的MAC地址是否和自己相同來決定是否接收該數據報。

    3.2.4 以太網

          在以太網中，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（通訊線路），

          誰就獲得數據發送權利，該技術稱為總線爭用介質訪問。

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

          以太網規范：IEEE 802.3協議

          令牌網規范：IEEE 802.5協議

          圖3.4 介質訪問控制技術

    3.2.5 IEEE 802.3數據幀結構

          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)：當這個字段數值小于0x0600時，表示長度；

                                        當大于0x0600時，表示類型。

                                        長度是指數據幀的字節數；類型表示接受主機的上層協

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

          數據(Data)：幀數據。最小46個字節，最大1500字節。規定幀的最小字節數是為了定時需

                      要，如果不夠這個字節，需填充。

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

          IEEE 802.3之前，還有個Ethernet協議，現在的IEEE 802.3已經兼容Ethernet協議，用字

          段Length/Type是否為0x0600來區分。

3.3 以太網交換機

    3.3.1 以太網交換機的工作原理

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

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

          圖3.6 以太網交換機中的交換表

          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。

          一幀數據到達交換機后，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，進而將數據幀從正確的端口轉發出去。如果交換機查不到該向哪個端口轉發，則向

          所有端口轉發。

          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

          報文，于是向所有端口轉發。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

          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。

          如果用以太網交換機連接一個簡單網絡，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 以太網交換機的類型

          直通式(cut through)和存儲轉發式(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，不需要等

          待整個數據幀。

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

          定轉發的輸出端口，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。

          直通式快，但會轉發損壞的包；而存儲轉發歲有延遲，但不轉發壞包，可靠性高，節省CPU

          資源和帶寬。

          另外，服務質量優先(QoS)技術也只能在存儲轉發式交換機中實現。