數據鏈路層的趣事 - 走進交換機

本篇文章中，會從局域網及其組件開始，着重介紹 TCP/IP 中數據鏈路層，以及數據的傳輸介質，最后介紹交換機的發展過程及原理。

在閱讀后應該了解如下的內容：

• 什么是局域網及其組件
• Hub 和交換機的區別
• 交換機的轉發規則
• Switching 機制
• 現代常用網絡結構模型
• 數據幀的格式
• Ethernet2 和 IEEE 制訂的標准的區別以及發展史

LAN

在一定的限制區域內，將多個終端設備連接到一起的形成的網絡叫局域網。常見就是通過交換機連接起來的多台終端。

局域網中常用以下的組件構成：

終端設備：PC，IP 電話，打印機，移動電話，服務器

連接設備：網卡（NIC），網絡介質（網線，無線電波）

網絡設備：以太網交換機，路由器，AP（擴散無線信號，通過 WCL 集中控制）

協議：Ethernet，IP，ARP，DHCP

上圖作為常見局域網的架構圖，可見，交換機對其來說是最重要的部分。

集線器 (Hub)

交換機產生的背景：

對於 2 台 PC 來說，可以將其直接連接起來，實現兩台 PC 之間的通信。但對於 3 台甚至更多的設備，僅僅連線就不行了。在這時，先是出現一個叫 HUB 的設備，用於解決連接多台終端的問題。由於 HUB 本身內部的設計（一根總線，總線分出多根線連接其他設備），就決定了有如下的特性：

• 工作在物理層，對收到的信號進行放大，以擴大網絡的傳輸距離。

• 集線器發送數據沒有針對性，而是采用廣播的形式發送，也就是說當它要向某個節點發送數據時，不是直接把數據發送到目的端口，而是把數據包發送到會集線器相連的所有節點

• 當以 HUB 為中心設備時，網絡中某條線路發生了故障並不影響其他的端口工作

但 HUB 有個非常嚴重的問題，由於本身的設計，導致在同一時間只能有一根線傳遞數據（半雙工工作模式）。

如果 HUB 連接的設備同時發送數據，就會產生沖突。，CSMA／CD，載波監聽多路檢測技術的出現解決了該問題。

對應實現思路就是：

• 先聽后發

• 邊聽邊發

• 沖突停發

• 隨機分配

交換機

什么是交換機?

由於 HUB 在連接多台終端時存在的諸多問題，交換機進一步被發明出來。

和 HUB 不同，交換機在設計初，用交換矩陣代替了總線的架構。

和 HUB 相比，存在着諸多的優點：

• 基於硬件轉發，轉發的速度是線性（忽略交換機本身處理數據的時間），有選擇的轉發數據幀

• 默認全雙工

• 高速，並具有大量的幀緩存（超過交換機的帶寬時，可緩存到本地）

• 提供更多的連接端口

• 可拓展，可分為核心交換機和邊緣交換機，連接起來的多台交換機同屬於同一局域網

交換機的作用

交換機收到數據時，檢查數據包中目的 MAC 地址，然后將其從目的端口轉發。

轉發過程一般分為三種：

• 直通式轉發：轉發時僅檢查前 12 字節（源，目的 MAC 地址），避免不了轉發無效殘幀（小於 64 字節）
• 存儲式轉發，檢查數據包的所有字節，可靠性高，但有效率的損失
• 無碎片式轉發，檢查前 64 字節，在可靠性和效率間取舍。

交換機的原理

交換機內部存在一張 MAC 地址表，其中記錄了 設備 MAC，端口號，老化時間，VLAN 號 信息。

在不提及 VLAN 的情況下，收到數據時會遵循如下的處理流程：

1. 首先查詢 MAC 表，是否存在端口號和源 MAC 地址信息。

   • 如果存在，不做處理

   • 不存在，則將源 MAC 和入口端口記錄。

2. 再次查詢 MAC 表，看表中是否存在目的 MAC 地址。

   • 如果存在，則單播轉發。

   • 不存在，進行泛洪操作（廣播）。終端收到后，檢查二層包頭，如果目的 MAC 是自己的話，進行回包，否則丟棄。

規范：

1. 交換機只記錄源 MAC 地址（轉發過程通過有來回，雙方 MAC 都可以記住）
2. 廣播幀和組播幀向所有的端口進行轉發
3. 泛洪：收到未知單播幀（MAC 地址未知）或者廣播幀
4. 轉發：收到已知的單播幀
5. 丟棄：FCS 損壞，或者目的 MAC 不是自己

MAC 地址表的老化時間

MAC 地址表項的老化時間為 300 秒。從地址加入后開始計時，如果在老化時間內各端口未收到源地址為該 MAC 地址的幀，那么該地址將從動態轉發地址表（由源 MAC 地址、目的 MAC 地址和它們相對應的交換機的端口號）中被刪除。靜態 MAC 地址表不受地址老化時間影響。

交換機在真正轉發時，實際涉及兩張表 CAM 和 TCAM 表。

CAM 表（實際上是 MAC 表）用於精確匹配，對應轉發結果只有兩種情況。如拿 48bit MAC 地址來說，只會出現 48 位完全匹配和不匹配的情況。

而 TCAM （三態內容尋址）表中用於模糊匹配，如 ACL 抓取，匹配 QoS 策略等。

對應匹配結果有三種情況：

• 精確匹配
• 不匹配
• 忽略

思科 Switching 機制

對於交換機和路由器這類轉發設備，在轉發數據的過程中，控制平面和數據平面是經常被提到的一個概念。

• 控制平面：比如通過路由協議，學習或者配置后生成的路由表，就屬於控制平面。
• 數據平面（轉發平面）：為了更快轉發數據，通過控制平面生成一張轉發平面的數據表，當有數據需要轉發時，直接通過數據平面進行轉發，不在查詢控制層面。

通常來說，控制平面的轉發都需要 CPU 進行計算。而數據平面的轉發，是直接的硬件轉發，性能更高。

在思科設備中可通過 show ip cef 來查看數據層面的轉發表。

對於思科的交換機來說，一般存在三種轉發機制：

• 進程轉發
• 快速轉發
• 思科專有轉發

進程轉發

可以將進程轉發理解成每個數據包都需要經過 CPU 的處理，才能轉發。性能較差。

快速轉發

對於快速轉發來說，第一個數據包會交由 CPU 處理，然后會將其緩存起來，后續去往相同地址數據包都會直接走緩存（硬件轉發），不再交由 CPU 處理。簡單來說，就是一次路由，多次轉發。

路由指的是控制層面，轉發指的是數據層面。

思科專有轉發（CEF）

Cisco Express Forwarding (CEF) 是 Cisco 專有的轉發機制，在思科設備上默認開啟。為了實現更快速度的線性轉發（硬件），設計了如下的數據結構：

• Forwarding Information Base (FIB): FIB 就是通過路由表（需要 CPU 計算），而再次生成的一個數據結構。當網絡中的路由表發生變化時，FIB 同樣也會發生變化。在轉發數據時，根據 FIB 直接轉發，而不需要看路由表，從而提高效率。

• Adjacency Table：鄰接表，就是在二層鏈路層維護的一張表，其實就是 ARP 表。用於記錄在鏈路層中，僅需一跳就可以達到的設備。CEF 使用它作為 2 層地址解析，維護了整個 2 層的下一跳地址。

數據鏈路層的傳輸媒介

由於Ethernet 的實際轉發速度取決於實際的傳輸介質，一般為：

• 雙絞線
• 光纖
• 同軸電纜（早期，淘汰）

雙絞線（應用較多）

雙絞的目的，為了屏蔽內部的電磁干擾。一般來說，雙絞線的速度可以從 10 Mbps 到 40 Gbps.，傳輸的最大距離是 100 m.

雙絞線的線序：

T568B 線序為： 橙白，橙，綠白，藍，藍白，綠，粽白，粽

T568A 線序：綠白，綠，橙白，藍，藍白，橙，棕白、棕

其實 1,2 發生數據，3,6 接受數據

不同線序的目的：

同種設備連接需要用交叉線（568a，568b），不同種設備需要用直通線（568b）。原因在於同種設備使用直通線會沖突，因為 1,2 都是發送，3,6是接受。

交叉線：交換機和交換機，路由器和路由器，路由器和PC，PC 和 PC
直通線：交換機和路由器，交換機和 PC，交換機和服務器。

光纖

多模光纖（ST），波長 850nm，1310nm，光由二級發光產生，傳輸距離短，造價低。

單模光纖（SC，LC，FC），波長 1310nm，1550 nm，由激光產生，距離長，造價高。

數據鏈路層-數據幀的結構

數據鏈路層的主要職責是負責傳輸數據，其中常用的協議有：

• 局域網中的 Ethernet 2 協議
• 廣域網中的 PPP，HDLC 協議

這里着重介紹下 Ethernet 2 協議，PPP 和 HDLC 請參看這篇：

Ethernet 2

1980 年，由 Digital, Intel, Xerox 主導並用其公司首字符聯合開發了 DIX 1.0 標准，該標准也稱為 Ethernet I.

1982 年，Ethernet I 被 DIX2.0 取代，該標准沿用至今，就是為人熟知的 Ethernet II 標准。

但由於這兩個版本的 Ethernet 協議為私有協議，1983 年由 IEEE 主導，為了將網絡設備之間的協議標准化，而不依賴於具體廠商，將其拆分為 MAC 子層和 LLC 子層，其中 MAC 子層，用於處理物理層的訪問。LLC 子層，用於上層協議的復用。推出了 802.3 Ethernet 標准。

其中 LLC 層標准為 - 802.2，MAC 子層根據具體的傳輸介質而不同：

數據鏈路層 LLC 子層 - 與網絡層打交道	802.2	802.2	802.2	802.2
數據鏈路層 MAC 子層 - 與物理層打交道	802.3	802.1	802.5	FDDI
物理層	雙絞線	無線	令牌	光纖

Ethernet II 的數據幀格式：

Preamble：

• 8 字節，用於告知 NIC 網卡有數據傳來。

MAC 地址字段：

• 大小為 6 字節，48 bits. 前 24 位由 OUI 組成，后 24 位由 vendor 定義組成.

• 其中第 8 位為 1 時，表示組播，為 0 時表示單播

• 目的地址為 ffff.ffff.ffff 全 F，表示為廣播地址

• 目的地址唯一時，為單播地址。

Ether Type:

• 2 字節，表明該以太網幀中封裝了那種網絡層的協議。
  • '0080' - IPV4
  • '0806' - ARP

data Unit:

• 數據最小至最大范圍為：46 ~ 1500 字節，如果上層協議長度小於 46 字節，必須補位到 46 字節。

FCS：

• 4 字節，用於差錯校驗。

IEEE 802.3 Ethernet

前 8 字節和 Ethernet II 類似，1 位前導符加上 7 位幀分隔符。

源 MAC 和目的 MAC 也和之前一樣，每個 6 字節。

接着 5 字節表示 LLC Header:
Length： 兩字節，表示該幀的長度。理論上是 0 - 65534 字節，但由於 Ethernet 幀限制，MTU 最大為 1500 字節。
d：1 字節，表示 DSAP。
s：1 字節，表示 SSAP。
c: 2 字節，表示控制字段

通過 DSAP 和 SSAP 標識內嵌了哪種網絡協議,常見值為：

• hex '04' - IBM SNA
• hex '06' - IP 協議

剩下的位置為數據單元和 4 字節的校驗和。

但由於 SAP 的設計方式和一些協議並不兼容，SNAP 又被設計出來，用於改善該問題，使其不兼容的協議可以用 802.3 標准通信。

在使用 SNAP 時，同時將 DSAP 和 SSAP 設置為 AA，Control 設置為 03.

之后的 5 字節作為 SNAP 的頭部：

O：3 字節，表示 Organization Unique Identifier

T：2 字節，表示用到的私有協議。

剩下的同為數據單元和校驗和。

雖然說 802.2 + 802.3 整合可以起到 Ethernet 2 的作用，當由於前者的位數更長，所以支持 Ethernet 2 慢慢成為主流。

但有一個問題就出現了，就是如何區分 Ethernet2 和 802.3 協議呢？

在目的 MAC 之后，Ethernet2 用 2 字節表示所用的協議，802.3 用兩字節表示幀的長度。

由於在以太網中 MTU 最大值為 1500 字節 - hex '05DC'，所以如果作為長度時（802.3），該值一定會小於 1500 字節。

進而在大於 1500 字節時，表示的是 Ethernet2 協議，否則為 IEEE 802.3 協議。

具體在傳輸時，通過所在 字段，length 和 ethertype 字段，如果大於 1500 表示 Ethernet 2 否則為 IEEE 802.3.

至於在以太網中，為什么 MTU 的最大值設置成 1500 Byte 字節，可以閱讀阿里這篇文章.

概括來說，MTU=1500 是在考慮傳輸效率和常見帶寬的一個折中方案。

一般來說，協議的傳輸用 802.3，用戶流量用的是 Ethernet2.

企業網絡架構

從扁平網絡到分層網絡：

在最初的設計時，整體采用扁平式的網絡結構，所有的終端設備直接連接交換機，交換機直接連到路由器，從而接入互聯網。很明顯，這樣設計的網絡沒有冗余，存在單點故障的問題，當交換機或者路由器掛掉時，整個網絡都無法正常通信。

隨着網絡規模的增大以及扁平式網絡無法很好的提供服務，逐漸演化成分層式架構，對應也是軟件層面上的解耦，各司其職。

分層式架構常分為三層：

• 接入層 ：一般使用二層交換機，工作在數據鏈路層。
• 分布層 ：一般使用三層交換機，工作在網絡層。
• 核心層：一般使用三層交換機，工作在網絡層。

接入層：負責設備接入，並且常用來檢查設備是否合規。

分布層( 匯聚層 )：部署策略，提供冗余，容易排錯。

核心層：負責高速轉發數據.

下面兩幅圖是在是否添加了核心層的對比：

沒有核心層：

添加核心層：

可以發現，如果沒有核心層存在的話，核心設備直接相互連接，在拓展性，易用性上，維護成本都存在着極大的挑戰。

常見企業架構模型

發展到現在，下圖中是較為常見的企業架構模型：

• 企業園區：企業的核心網絡
• 企業邊緣：
  • Internet 端，用於在連接互聯網時，進行一些安全產品的防護
  • WAN 端，企業分支如何連接僅企業的核心網絡，同樣需要一些安全產品的防護
• 運營商：這里提供互聯網訪問，和企業內網（WAN，VPN）用於遠程站點的訪問。
• 遠程站點：公司的分支機構，通過如 VPN 等，連接到企業核心網絡。

參考

Cisco CEF

Ethernet Vs IEEE 802.3