数据链路层的趣事 - 走进交换机
本篇文章中，会从局域网及其组件开始，着重介绍 TCP/IP 中数据链路层，以及数据的传输介质，最后介绍交换机的发展过程及原理。
在阅读后应该了解如下的内容：
- 什么是局域网及其组件
- Hub 和交换机的区别
- 交换机的转发规则
- Switching 机制
- 现代常用网络结构模型
- 数据帧的格式
- Ethernet2 和 IEEE 制订的标准的区别以及发展史
LAN
在一定的限制区域内，将多个终端设备连接到一起的形成的网络叫局域网。常见就是通过交换机连接起来的多台终端。
局域网中常用以下的组件构成：
终端设备：PC，IP 电话，打印机，移动电话，服务器
连接设备：网卡（NIC），网络介质（网线，无线电波）
网络设备：以太网交换机，路由器，AP（扩散无线信号，通过 WCL 集中控制）
协议：Ethernet，IP，ARP，DHCP
上图作为常见局域网的架构图，可见，交换机对其来说是最重要的部分。
集线器 (Hub)
交换机产生的背景：
对于 2 台 PC 来说，可以将其直接连接起来，实现两台 PC 之间的通信。但对于 3 台甚至更多的设备，仅仅连线就不行了。在这时，先是出现一个叫 HUB 的设备，用于解决连接多台终端的问题。由于 HUB 本身内部的设计（一根总线，总线分出多根线连接其他设备），就决定了有如下的特性：
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工作在物理层，对收到的信号进行放大，以扩大网络的传输距离。
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集线器发送数据没有针对性，而是采用广播的形式发送，也就是说当它要向某个节点发送数据时，不是直接把数据发送到目的端口，而是把数据包发送到会集线器相连的所有节点
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当以 HUB 为中心设备时，网络中某条线路发生了故障并不影响其他的端口工作
但 HUB 有个非常严重的问题，由于本身的设计，导致在同一时间只能有一根线传递数据（半双工工作模式）。
如果 HUB 连接的设备同时发送数据，就会产生冲突。，CSMA／CD，载波监听多路检测技术的出现解决了该问题。
对应实现思路就是：
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先听后发
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边听边发
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冲突停发
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随机分配
交换机
什么是交换机?
由于 HUB 在连接多台终端时存在的诸多问题，交换机进一步被发明出来。
和 HUB 不同，交换机在设计初，用交换矩阵代替了总线的架构。
和 HUB 相比，存在着诸多的优点：
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基于硬件转发，转发的速度是线性（忽略交换机本身处理数据的时间），有选择的转发数据帧
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默认全双工
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高速，并具有大量的帧缓存（超过交换机的带宽时，可缓存到本地）
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提供更多的连接端口
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可拓展，可分为核心交换机和边缘交换机，连接起来的多台交换机同属于同一局域网
交换机的作用
交换机收到数据时，检查数据包中目的 MAC 地址，然后将其从目的端口转发。
转发过程一般分为三种：
- 直通式转发：转发时仅检查前 12 字节（源，目的 MAC 地址），避免不了转发无效残帧（小于 64 字节）
- 存储式转发，检查数据包的所有字节，可靠性高，但有效率的损失
- 无碎片式转发，检查前 64 字节，在可靠性和效率间取舍。
交换机的原理
交换机内部存在一张 MAC 地址表，其中记录了 设备 MAC，端口号，老化时间，VLAN 号 信息。
在不提及 VLAN 的情况下，收到数据时会遵循如下的处理流程：
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首先查询 MAC 表，是否存在端口号和源 MAC 地址信息。
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如果存在，不做处理
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不存在，则将源 MAC 和入口端口记录。
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再次查询 MAC 表，看表中是否存在目的 MAC 地址。
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如果存在，则单播转发。
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不存在，进行泛洪操作（广播）。终端收到后，检查二层包头，如果目的 MAC 是自己的话，进行回包，否则丢弃。
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规范：
- 交换机只记录源 MAC 地址（转发过程通过有来回，双方 MAC 都可以记住）
- 广播帧和组播帧向所有的端口进行转发
- 泛洪：收到未知单播帧（MAC 地址未知）或者广播帧
- 转发：收到已知的单播帧
- 丢弃：FCS 损坏，或者目的 MAC 不是自己
MAC 地址表的老化时间
MAC 地址表项的老化时间为 300 秒。从地址加入后开始计时，如果在老化时间内各端口未收到源地址为该 MAC 地址的帧，那么该地址将从动态转发地址表（由源 MAC 地址、目的 MAC 地址和它们相对应的交换机的端口号）中被删除。静态 MAC 地址表不受地址老化时间影响。
交换机在真正转发时，实际涉及两张表 CAM 和 TCAM 表。
CAM 表（实际上是 MAC 表）用于精确匹配，对应转发结果只有两种情况。如拿 48bit MAC 地址来说，只会出现 48 位完全匹配和不匹配的情况。
而 TCAM （三态内容寻址）表中用于模糊匹配，如 ACL 抓取，匹配 QoS 策略等。
对应匹配结果有三种情况：
- 精确匹配
- 不匹配
- 忽略
思科 Switching 机制
对于交换机和路由器这类转发设备，在转发数据的过程中，控制平面和数据平面是经常被提到的一个概念。
- 控制平面：比如通过路由协议，学习或者配置后生成的路由表，就属于控制平面。
- 数据平面（转发平面）：为了更快转发数据，通过控制平面生成一张转发平面的数据表，当有数据需要转发时，直接通过数据平面进行转发，不在查询控制层面。
通常来说，控制平面的转发都需要 CPU 进行计算。而数据平面的转发，是直接的硬件转发，性能更高。
在思科设备中可通过 show ip cef 来查看数据层面的转发表。
对于思科的交换机来说，一般存在三种转发机制：
- 进程转发
- 快速转发
- 思科专有转发
进程转发
可以将进程转发理解成每个数据包都需要经过 CPU 的处理，才能转发。性能较差。
快速转发
对于快速转发来说，第一个数据包会交由 CPU 处理，然后会将其缓存起来，后续去往相同地址数据包都会直接走缓存（硬件转发），不再交由 CPU 处理。简单来说，就是一次路由，多次转发。
路由指的是控制层面，转发指的是数据层面。
思科专有转发（CEF）
Cisco Express Forwarding (CEF) 是 Cisco 专有的转发机制，在思科设备上默认开启。为了实现更快速度的线性转发（硬件），设计了如下的数据结构：
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Forwarding Information Base (FIB): FIB 就是通过路由表（需要 CPU 计算），而再次生成的一个数据结构。当网络中的路由表发生变化时，FIB 同样也会发生变化。在转发数据时，根据 FIB 直接转发，而不需要看路由表，从而提高效率。
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Adjacency Table：邻接表，就是在二层链路层维护的一张表，其实就是 ARP 表。用于记录在链路层中，仅需一跳就可以达到的设备。CEF 使用它作为 2 层地址解析，维护了整个 2 层的下一跳地址。
数据链路层的传输媒介
由于Ethernet 的实际转发速度取决于实际的传输介质，一般为：
- 双绞线
- 光纤
- 同轴电缆（早期，淘汰）
双绞线（应用较多）
双绞的目的，为了屏蔽内部的电磁干扰。一般来说，双绞线的速度可以从 10 Mbps 到 40 Gbps.，传输的最大距离是 100 m.
双绞线的线序：
T568B 线序为： 橙白，橙，绿白，蓝，蓝白，绿，粽白，粽
T568A 线序：绿白，绿，橙白，蓝，蓝白，橙，棕白、棕
其实 1,2 发生数据，3,6 接受数据
不同线序的目的：
同种设备连接需要用交叉线（568a，568b），不同种设备需要用直通线（568b）。原因在于同种设备使用直通线会冲突，因为 1,2 都是发送，3,6是接受。
交叉线：交换机和交换机，路由器和路由器，路由器和PC，PC 和 PC
直通线：交换机和路由器，交换机和 PC，交换机和服务器。
光纤
多模光纤（ST），波长 850nm，1310nm，光由二级发光产生，传输距离短，造价低。
单模光纤（SC，LC，FC），波长 1310nm，1550 nm，由激光产生，距离长，造价高。
数据链路层-数据帧的结构
数据链路层的主要职责是负责传输数据，其中常用的协议有：
- 局域网中的 Ethernet 2 协议
- 广域网中的 PPP，HDLC 协议
这里着重介绍下 Ethernet 2 协议，PPP 和 HDLC 请参看这篇：
Ethernet 2
1980 年，由 Digital, Intel, Xerox 主导并用其公司首字符联合开发了 DIX 1.0 标准，该标准也称为 Ethernet I.
1982 年，Ethernet I 被 DIX2.0 取代，该标准沿用至今，就是为人熟知的 Ethernet II 标准。
但由于这两个版本的 Ethernet 协议为私有协议，1983 年由 IEEE 主导，为了将网络设备之间的协议标准化，而不依赖于具体厂商，将其拆分为 MAC 子层和 LLC 子层，其中 MAC 子层，用于处理物理层的访问。LLC 子层，用于上层协议的复用。推出了 802.3 Ethernet 标准。
其中 LLC 层标准为 - 802.2，MAC 子层根据具体的传输介质而不同：
| 数据链路层 LLC 子层 - 与网络层打交道 | 802.2 | 802.2 | 802.2 | 802.2 |
|---|---|---|---|---|
| 数据链路层 MAC 子层 - 与物理层打交道 | 802.3 | 802.1 | 802.5 | FDDI |
| 物理层 | 双绞线 | 无线 | 令牌 | 光纤 |
Ethernet II 的数据帧格式：
Preamble：
- 8 字节，用于告知 NIC 网卡有数据传来。
MAC 地址字段：
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大小为 6 字节，48 bits. 前 24 位由 OUI 组成，后 24 位由 vendor 定义组成.
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其中第 8 位为 1 时，表示组播，为 0 时表示单播
-
目的地址为
ffff.ffff.ffff全 F，表示为广播地址 -
目的地址唯一时，为单播地址。
Ether Type:
- 2 字节，表明该以太网帧中封装了那种网络层的协议。
- '0080' - IPV4
- '0806' - ARP
data Unit:
- 数据最小至最大范围为：46 ~ 1500 字节，如果上层协议长度小于 46 字节，必须补位到 46 字节。
FCS：
- 4 字节，用于差错校验。
IEEE 802.3 Ethernet
前 8 字节和 Ethernet II 类似，1 位前导符加上 7 位帧分隔符。
源 MAC 和目的 MAC 也和之前一样，每个 6 字节。
接着 5 字节表示 LLC Header:
Length： 两字节，表示该帧的长度。理论上是 0 - 65534 字节，但由于 Ethernet 帧限制，MTU 最大为 1500 字节。
d：1 字节，表示 DSAP。
s：1 字节，表示 SSAP。
c: 2 字节，表示控制字段
通过 DSAP 和 SSAP 标识内嵌了哪种网络协议,常见值为：
- hex '04' - IBM SNA
- hex '06' - IP 协议
剩下的位置为数据单元和 4 字节的校验和。
但由于 SAP 的设计方式和一些协议并不兼容，SNAP 又被设计出来，用于改善该问题，使其不兼容的协议可以用 802.3 标准通信。
在使用 SNAP 时，同时将 DSAP 和 SSAP 设置为 AA，Control 设置为 03.
之后的 5 字节作为 SNAP 的头部：
O：3 字节，表示 Organization Unique Identifier
T：2 字节，表示用到的私有协议。
剩下的同为数据单元和校验和。
虽然说 802.2 + 802.3 整合可以起到 Ethernet 2 的作用，当由于前者的位数更长，所以支持 Ethernet 2 慢慢成为主流。
但有一个问题就出现了，就是如何区分 Ethernet2 和 802.3 协议呢？
在目的 MAC 之后，Ethernet2 用 2 字节表示所用的协议，802.3 用两字节表示帧的长度。
由于在以太网中 MTU 最大值为 1500 字节 - hex '05DC'，所以如果作为长度时（802.3），该值一定会小于 1500 字节。
进而在大于 1500 字节时，表示的是 Ethernet2 协议，否则为 IEEE 802.3 协议。
具体在传输时，通过所在 字段，length 和 ethertype 字段，如果大于 1500 表示 Ethernet 2 否则为 IEEE 802.3.
至于在以太网中，为什么 MTU 的最大值设置成 1500 Byte 字节，可以阅读阿里这篇文章.
概括来说，MTU=1500 是在考虑传输效率和常见带宽的一个折中方案。
一般来说，协议的传输用 802.3，用户流量用的是 Ethernet2.
企业网络架构
从扁平网络到分层网络：
在最初的设计时，整体采用扁平式的网络结构，所有的终端设备直接连接交换机，交换机直接连到路由器，从而接入互联网。很明显，这样设计的网络没有冗余，存在单点故障的问题，当交换机或者路由器挂掉时，整个网络都无法正常通信。
随着网络规模的增大以及扁平式网络无法很好的提供服务，逐渐演化成分层式架构，对应也是软件层面上的解耦，各司其职。
分层式架构常分为三层：
- 接入层 ：一般使用二层交换机，工作在数据链路层。
- 分布层 ：一般使用三层交换机，工作在网络层。
- 核心层：一般使用三层交换机，工作在网络层。
接入层：负责设备接入，并且常用来检查设备是否合规。
分布层( 汇聚层 )：部署策略，提供冗余，容易排错。
核心层：负责高速转发数据.
下面两幅图是在是否添加了核心层的对比：
没有核心层：
添加核心层：
可以发现，如果没有核心层存在的话，核心设备直接相互连接，在拓展性，易用性上，维护成本都存在着极大的挑战。
常见企业架构模型
发展到现在，下图中是较为常见的企业架构模型：
- 企业园区：企业的核心网络
- 企业边缘：
- Internet 端，用于在连接互联网时，进行一些安全产品的防护
- WAN 端，企业分支如何连接仅企业的核心网络，同样需要一些安全产品的防护
- 运营商：这里提供互联网访问，和企业内网（WAN，VPN）用于远程站点的访问。
- 远程站点：公司的分支机构，通过如 VPN 等，连接到企业核心网络。
