電腦網路學習（3）：組建簡單網路

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要組建成一個基本的網路，只需要一台集線器(Hub)或一台交換器、幾塊網卡和幾十米UTP線就能完成。

事實上，這樣的簡單網路是更複雜網路的基本單位。把這些小的、簡單的網路互連到一起，就形成了

更複雜的區域網路(LAN)。

3.1 最簡單的網路

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    ，簡單用一個集線器(Hub)就可以將數台電腦串連到一起，使電腦之間可以將數台計

    算機串連到一起。在購買一台集線器後，只需要簡單用雙絞線把各台電腦和集線器串連到一起，

    並不需要做其他的任何事情，一個簡單的網路就搭建成功了。

    集線器的功能是協助電腦轉寄資料包，它是最簡單的網路裝置。集線器的工作原理非常簡單，

    當集線器從一個連接埠收到資料包後，它簡單的把資料包向所有連接埠轉寄。發送主機資料包的報

    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資料包，而其他的主機不會

    接收該資料報。

3.2 網路連接的基本技術

    3.2.1 資料封裝 - 電腦網路通訊的基礎

          資料包在發送前，主機需要為每個資料區段封裝前序。而在前序中，最重要的是地址。

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          圖3.2 資料包的分段與封裝

          3.2所示，資料報在傳送前，被添上了幀前序(Frame Header)、IP前序(IP Header)、

          TCP前序(TCP Header)、幀尾(Frame Trailer)。被封裝好了前序報尾的一個資料區段，被

          稱為資料幀。

          將資料分段按幀傳送的目的有2個：資料出錯重發、通訊線路爭用平衡。
          幀前序(Frame Header)包含目標MAC地址和源MAC地址；

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

          TCP前序(TCP Header)包含了目標連接埠(port)地址和源連接埠(port)地址。

          網卡通過判斷資料報MAC地址是否和自己相同，來決定是否接收資料報；

          當搭建複雜網路時，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路地

          址。IP地址包含網路地址和主機地址兩個資訊。當從源主機發送資料報到目標主機時，

          互連網中的路由器裝置需要查詢IP地址中的網路地址資訊部分，才能知道要把資料報發

          送到哪個網路，而後通過IP地址的主機地址部分發送到目標主機。

          當資料通過MAC地址和IP地址聯合定址達到目標主機後，目標主機將資料報交給某個應用

          程式去處理，但怎麼確定要交給哪個應用程式呢？這就是通過最後目標連接埠(port)地址

          來確定了。

          由此可見，要完成資料轉送，需要三級定址：

          IP地址用於網間定址，

          MAC地址用於網段定址，

          連接埠地址用於應用程式定址。

          幀尾(Frame Trailer)用於資料完好校正，較流行的幀校正演算法有CRC校正、二維奇偶校

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

    3.2.2 MAC地址

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          如果3.3，高3個位元組(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

          保證區域網路內各台主機的MAC地址唯一。

          特殊的MAC地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF是廣播位址，使用該地址的資料報表示該幀資料是發

          給所有主機的。

    3.2.3 網卡

          網卡固化了MAC地址。

          內建MAC地址比較電路，判斷資料報的MAC地址是否和自己相同來決定是否接收該資料報。

    

    3.2.4 乙太網路

          在乙太網路中，如果多台主機需要同時通訊，那麼這些主機誰先爭得傳輸介質（通訊線路），

          誰就獲得資料發送權利，該技術稱為匯流排爭用介質訪問。

          另外還有令牌網技術，該技術通過令牌大家輪流擷取介質存取權限。

          乙太網路規範：IEEE 802.3協議

          令牌網規範：IEEE 802.5協議

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          圖3.4 介質存取控制技術

    3.2.5 IEEE 802.3資料幀結構

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          圖3.5 IEEE 802.3的框架格式

          同步欄位(Preamble): 早期用於同步脈衝的欄位，值固定為01010101，現已不用，保留

                              以維持相容性。

          起始標記欄位(Start of Frame Delimeter)：值固定為10101011。

          目標MAC地址欄位(Destination Address)：目標主機MAC地址。全1是廣播位址。

          源主機MAC地址欄位(Source Address)：源主機MAC地址。

          幀長度/類型欄位(Length/Type)：當這個欄位數值小於0x0600時，表示長度；

                                        當大於0x0600時，表示類型。

                                        長度是指資料幀的位元組數；類型表示接受主機的上層協

                                        議，如ARP，該欄位應為0x0806。

          資料(Data)：幀資料。最小46個位元組，最大1500位元組。規定幀的最小位元組數是為了定時需

                      要，如果不夠這個位元組，需填充。

          幀校正位元組(Frame Check Sequence)：一個4位元組的CRC校正值。

          IEEE 802.3之前，還有個Ethernet協議，現在的IEEE 802.3已經相容Ethernet協議，用字

          段Length/Type是否為0x0600來區分。

3.3 乙太網路交換器

    3.3.1 乙太網路交換器的工作原理

          交換器用以替代集線器(Hub)將PC、伺服器、外設串連成一個網路。

          交換器區別於集線器的是能夠同時提供點對點的多個鏈路，從而大大提高網路頻寬。

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          圖3.6 乙太網路交換器中的交換表

          

          交換器的核心是交換表。交換表是一個交換器連接埠與MAC地址的映射表。

          一幀資料到達交換器後，交換器從包頭取出目標MAC地址，通過查表，得知應該向哪個連接埠

          轉寄，進而將資料幀從正確的連接埠轉寄出去。如果交換器查不到該向哪個連接埠轉寄，則向

          所有連接埠轉寄。

          那麼交換表是如何得到的呢？交換器是通過自學習得到交換表的。交換表是放置在交換器

          的記憶體中，交換器的剛上電的時候，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，交換器無法通過查表得知應該向哪個連接埠轉寄

          報文，於是向所有連接埠轉寄。雖然交換器不知道目標主機0260.8c01.2222在自己的哪個端

          口，但是它知道報文來自e0連接埠，因此，轉寄報文後，交換器便把幀前序的源MAC地址

          0260.8c01.1111放到其交換表的e0連接埠行中。交換器對其他連接埠也是這樣辨識MAC地址，經

          過一個時間後，交換器得到了完整的交換表。

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          圖3.7 交換器(左)的e1連接埠捆綁多個MAC地址

          交換器級聯的時候，一個連接埠可以捆綁多個MAC地址。3.7所示，當交換器級聯時，連

          接到其它交換器的主機的MAC地址都會捆綁到本交換器的級聯連接埠。
          交換器為了避免交換表中的垃圾地址，交換器每隔一段時間，會清楚交換表，重新學習。

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

          的MAC地址，進而改善交換器效能。

          如果用乙太網路交換器串連一個簡單網路，一台新的交換器不需要任何配置，將各個主機

          串連到交換器就可以工作了。

    

    3.3.2 乙太網路交換器的類型

          直通式(cut through)和儲存轉寄式(store and forward)。

          直通式交換器在接到報文後幾乎只要接到前序中的目標MAC地址就可以立即轉寄，不需要等

          待整個資料幀。

          儲存轉寄式首先對接收到的報文進行CRC校正，然後根據幀前序中的MAC地址和交換表，確

          定轉寄的輸出連接埠，然後把報文放到那個輸出連接埠的高速緩衝儲存空間中排隊、轉寄。

          直通式快，但會轉寄損壞的包；而儲存轉寄歲有延遲，但不轉寄壞包，可靠性高，節省CPU

          資源和頻寬。

          另外，服務品質優先(QoS)技術也只能在儲存轉寄式交換器中實現。

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電腦網路學習（3）：組建簡單網路