2、以太网和数据封装——CCNA

以太网是一种基于竞用的介质访问（contention media access）方法，可让一个网络中的所有主机共享链路带宽。并使用数据链路层和物理层规范。

2.1 CSMD/CD:

以太网使用CSMD/CD（Carrier Sense Multiple Access with / Collision Detection，载波侦听多路访问/冲突检测），这是一种帮助设备均衡的共享带宽的协议，可避免两台设备同时在网络介质传输数据。在 CSMD/CD 网络中，一个节点传输数据时，其他所有节点都将接收并查看这些数据。（只有交换机和路由器才能避免数据传遍整个网络。）

以太网LAN发生冲突后将出现如下情况：

• 拥堵信号告诉所有设备发生了冲突；
• 冲突激活随机后退算法；
• 以太网段中的每台设备都暂停传输，直到其后退定时器到期。

CSMA/CD网络持续发生严重冲突时，将导致：

• 延迟；
• 低吞吐量；
• 拥塞。

在以太网中，后退指的是冲突导致的重传延迟。发生冲突后，主机将在指定的延迟时间后重新传输。定时器到期后，所有主机的传输优先级都相同。

Tips:

1. 延迟指的是从帧进入端口到离开端口之间的时间；
2. 虽然CSMA/CD不能消除冲突，但有助于极大地减少冲突，进而减少重传，从而提高所有设备的数据传输效率。

2.2 单工、半双工和全双工以太网

单工、半双工和全双工传输方式

单工：单工通信只支持信号在一个方向上传输（正向或反向），任何时候不能改变信号的传输方向。（计算机和打印机之间的通信是单工模式，因为只有计算机向打印机传输数据）

半双工/Half duplex： 半双工通信允许信号在两个方向上传输，但同一时刻只允许信号在一个信道上单向传输。只有一个冲突域，使用CSMA/CD协议，以帮助防范冲突，并在发生冲突时支持重传。双工以太网的效率只有30%~40%。（对讲机采用半双工方式通信）

全双工/Full duplex： 全双工通信允许数据同时在两个方向上传输，即有两个信道，因此允许同时进行双向传输。由于使用不同的线对传输数据和接收数据，因此不会发生冲突。全双工的效率为100%。（计算机、电话、手机的通信使用的是全双工）

Tips:

1. 在全双工模式下，不会发生冲突；
2. 每个全双工节点都必须有一个专用的交换机端口；
3. 主机的网卡和交换机端口必须能够在全双工模式下运行;
4. 除集线器外，其他所有设备都可在全双工模式下运行;
5. 如果集线器与交换机相连，它必须运行在半双工模式下，因为终端必须能够检测冲突。
6. 半双工模式下使用一对导线收发数据，需要使用CSMA/CD避免冲突；而全双工模式使用两对导线，一对负责收，一对负责发，所以没有冲突的问题！（即在全双工模式下无需使用CSMA/CD）

2.3 以太网的数据链路层

2.3.1 以太网编址

在数据链路层，以太网负责以太网编址，这通常称为硬件或MAC编址。以太网还负责将来自网络层的分组封装成帧。
以太网使用固化在每个以太网卡（NIC）中的MAC (Media Access Control，介质访问控制)地址。MAC（硬件）地址长48位（6B），采用十六进制格式。

MAC地址及其组成部分说明

OUI (Organizationally Unique Identifier，组织唯一标识符)，是由IEEE分配给NIC制造商的，它包含24位（3B），而制造商给其生产的每个网卡都分配一个唯一的全局管理地址，该地址长24位。

2.3.2 二进制转换为十进制和十六进制

二进制：0和1 （11111111=255，每位对应的数值：128+64+32+16+8+4+2+1）
十进制：0 ~ 9
十六进制：0 ~ 9、A、B、C、D、E、F（A ~ F代表10~15）
进制转换技巧：每个十六进制字符相当于半字节（即4位），而两个十六进制字符相当于一字节。要计算十六进制对应的二进制值，可将这两个字符分别转换为半字节，然后将它们合并成一个字节，例如：6=0110，而A=1010，因此整个字节为01101010；
例如：
0x55 = 0101 0101

Tips:

" 0x " 表示十六进制。

3.2 以太网帧

数据链路层负责将比特合并字节，再将字节封装成帧。在数据链路层，我们使用帧封装来自网络层的分组，以便通过特定类型的介质进行传输。
以太网工作站的职责是，使用MAC帧格式彼此传递数据帧。利用CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）提供错误检测功能。（只检测错误，不纠错）

Tips:

使用一种帧封装另一种帧称为 “隧道技术”。

2.3.4 以太网物理层

IEEE802.3快速以太网标准：

• 100Base-TX（IEEE 802.3u）常称为快速以太网，使用两对5、5E或6类UTP，最大传输距离为100米。它使用RJ45接头，并采用物理星型拓扑和逻辑总线拓扑。

• 1000Base-T（IEEE 802.3ab）使用5类电缆，其中包含4对UTP，最大传输距离100米，最高传输速率1 Gbit/s。

• 1000Base-SX（IEEE 802.3z）使用多模光纤和短波激光的1吉比特以太网实现，其中多模光纤（MMF）的芯线为62.5微米（um）或者50微米。它使用850纳米（nm）的激光，使用62.5微米多模光纤时最大传输距离为220米，而使用50微米多模光纤时最大传输距离为550米。

常见线缆：

UTP（Unshielded twisted pair）/非屏蔽双绞线（常用5类、5e、6类，使用RJ45接头）
STP（Shielded twisted pair）/屏蔽双绞线
SMF（Single mode fiber）/单模光纤（芯线一般为9um和10um，波长有1310nm和1550nm两种）
MMF（Multi mode fiber）/多模光纤（芯线为62.5um和50um，波长850nm）

知识补充：

1. 单模光纤中波长（激光）为1310nm的传输距离有10km、30km、40km等，适合中长距离传输；1550nm传输距离有40km、70km、100km等，适合超长距离的传输。

2. 多模光纤有部分可见光（单模为不可见光）。可见光部分波长范围是：390~760nm，大于 760nm 部分是红外光，小于 390nm 部分是紫外光。

3. 常用的双绞线：CAT5（5类线）、CAT5e（超5类线）、CAT6（六类线）。

4. CAT5一般用于10Mbps~100Mbps的网络（只使用4根线），1000Mbps网络一般使用CAT6（需使用全部8根线）。

5. MTU (Maximum Transmission Unit，最大传输单元)，快速以太网和以太网使用相同的MTU。

Tips:

光纤可提供更安全的长距离电缆，其速度高，且不受EMI（电子干扰）影响。

2.4 以太网布线

非屏蔽双绞线分为568A和568B

标准568B：白橙--1，橙--2，白绿--3，蓝--4，白蓝--5，绿--6，白棕--7，棕--8（最常用）
标准568A：白绿--1，绿--2，白橙--3，蓝--4，白蓝--5，橙--6，白棕--7，棕--8

• 直通线：用4根导线连接以太网设备；用于连接：主机到交换机和集线器、路由器到交换机或集线器。

• 交叉线：也使用4根导线，一端为568A，另一端为568B（1、2、3、6，1号针脚与3号针脚相连，2号针脚与6号针脚相连）；用于连接：交换机到交换机、集线器到集线器、主机到主机、集线器到交换机、路由器到主机、路由器到路由器（使用快速以太网端口）；

• 反转线：不用于组建以太网，用于在PC和路由器或交换机之间建立控制台连接。

Tips:

1. 同种设备用交叉线，不同种设备用直通线（除了路由器>主机）；
2. 百兆只需使用其中4根线（1、2、3、6），千兆需要使用全部8根线；
3. 现在的网络设备都能自适应了！（即都可以用直通线）

2.5 数据封装

主机通过网络将数据传输给另一台设备时，数据将经历封装：OSI模型的每一层都使用协议信息将数据包装起来。每层都只与其在接收设备上的对等层通信。
为通信和交换信息，每层使用PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）。PDU包含在模型的每一层给数据添加的控制信息。这些控制信息通常被添加到数据的字段前面的报头中，但也可能被添加在报尾中。这些PDU信息仅在接收设备的对等层被读取，然后被剥离，然后数据被交给下一层。

使用面向连接的协议（即TCP）时，传输层将数据流转换为数据段，并创建一条虚电路 以建立可靠会话。接下来，它对每个数据段进行编号，并使用确认和流量控制。如果你使用的是TCP，虚电路将由源端口号和目标端口号以及源IP地址和目标IP地址（称为套接字）标识。

主机只能使用不小于1024的端口号（0~1023为知名端口号）。目标端口号标识了上层进程（应用程序），在接收主机可靠地重建数据流后，数据流将被交给该进程（应用程序）。

发送端的数据封装过程：

1. 用户信息被转换为数据，以便通过网络进行传输。
2. 数据被转换为数据段，发送主机和接收主机之间建立一条可靠的连接。
3. 数据段被转换为分组或数据报，逻辑地址被添加在报头中，以便能够在互联网络中路由分组。
4. 分组或数据报被转换为帧，以便在本地网络中传输，硬件（以太网）地址被用于唯一的标识本地网络中的主机。
5. 帧被转换为比特，并使用数据编码方法和时钟同步方案。

Tips:

数据链路层负责接收来自网络层的分组，并将其放在网络介质（电缆或无线）上。

2.6 包含了3层的Cisco层次模式

Cisco的3种层次模式

• 核心层：主干！--负责快速而可靠地传输大量的数据流。
  需要谨记：设计核心层时，应确保其高可用性。要考虑速度，核心层的延迟必须非常短。使用对速度、冗余有帮助的数据链路技术。
  不要在核心层使用访问列表、不要在虚拟局域网（VLAN）之间路由以及实现分组过滤；不要在核心层支持工作组的接入、不要增大核心层(即添加路由器)。因为这些操作会降低核心层的速度！

• 集散层：路由选择。--集散层有时也称为工作组层，它是接入层和核心层之间的通信点。集散层的功能是提供路由选择、过滤和WAN接入，以及在必要时确定如何让分组进入核心层。
  ---下面几项操作通常应该在集散层执行：
  1．路由选择。
  2．实现工具（如访问列表）、分组过滤和排队。
  3．实现安全性和网络策略，包括地址转换和防火墙。
  4．在路由选择协议之间重分发，包括静态路由。
  5．在VLAN之间路由以及其他支持工作组的功能。
  6．定义广播域和组播域。

• 接入层：交换。--接入层控制用户和工作组对互联网络资源的访问，有时也称为桌面层。
  ---下面是接入层的一些功能：
  1． 延续集散层的访问控制和策略。
  2． 建立独立的冲突域（网络分段）。
  3． 提供到集散层的工作组连接。

Tips:

1. 如果随着网络的增大而使核心层产生性能上的问题，应该对核心层进行升级，而不是增大！
2. 集散层是实现网络策略的地方！！！
3. 封装指的是沿OSI栈向下对数据进行编码的过程。