网络故障诊断与实训 第4章 数据链路层的故障分析与排除

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图4-8 由中心交换机隔离成相对较小的冲突域
4.2.3 数据链路层上接收和转发帧的设备 交换机 数据链路层上接收和转发帧的设备—交换机
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5.使用中心交换机来扩展网络 交换机可以作为网络中枢设备的一种选择。当今的交换机能够 传输巨大数量的帧，快速地通过交换机中枢，同时端口能够配置 成从100Mbps到1Gbps的范围。这些类型的交换机通常都是拥有很多 用于插入芯片的插槽的框架模式，而在这些芯片上拥有很多各种 类型的用户需要的交换机端口。用户也可以加入一些用于网络管 理和网络层交换和路由选择功能的模块。图4-9给出了一个典型网 络中心的交换机。注意这种类型的交换机的使用和配置都是特殊 的，取决于具体的供应商。
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4.2.1 数据链路层的传输对象 数据链路层的传输对象——“帧” 帧
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帧（Frame）是对数据的一种包装或封装，之后这些数据被 分割成一个一个比特后在物理层上传输。这种数据包被称为 “帧”有一个非常简单的理由：当网络层向下发送一个数据包 到数据链路层时，这个数据包被“帧”化，即在数据包的头部 和尾部加上一些字节作为帧头和帧尾。如图4-3所示。
帧头 数据 帧尾
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图4-3 带有帧头和帧尾的帧结构
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由于帧是数据链路层进行信息操作的单元，因而读者需要了 解“帧”格式化的各种方式，这样才能在查找问题时有所目标。 我们首先介绍最常见的“以太帧”的4种格式，以太帧长度范围为 最小的64字节到最大的1518字节（ 64B≤ƒ(L)≤1518B ）。比这个范 围还短或还长（即不在这个长度范围）的帧是无效帧。因而，如 果在需要发送小于64个字节的情况下，数据域会填充进一些特定 的字符，通常为0，以达到64个字节的要求。
4.2.3 数据链路层上接收和转发帧的设备 交换机 数据链路层上接收和转发帧的设备—交换机
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交换机用于接收和转发帧，并且基于物理地址决定是过滤 掉还是发送帧。因为一个交换机在功能上相当于多端口网桥， 又由于交换机比网桥更普遍，因而本书只讨论交换机。需要记 住，涉及到交换机的大部分章节的内容同样适用于网桥。 计算机工业的发展进程表明，设备价格不断下降，运行速 度越来越快，一些更快速的网桥被生产出来，而且能够提供更 多的端口，价格也更便宜。计算机工业需要提供性能更好的， 更便宜的，速率更高的网桥进行重新命名，这就是以太网交换 机。其实在本书中所提到的交换机实际上都是网桥。
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数据链路层中封装帧的设备—NIC网卡 4 2.2 数据链路层中封装帧的设备 网卡
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1.网卡与网络类型的匹配 首先,用户必须保证NIC的类型和您所使用的网络类型相匹配。
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2. 网卡驱动程序 驱动程序是连接操作系统和硬件设备的一套软件系统。
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3. 网卡工作模式 NIC通常能够兼容的工作模式由如下几种: 10M bps半双工 10M bps全双工 100M bps半双工 100M bps全双工
1.1 OSI模型中的数据链路层的功能 模型中的数据链路层的功能
数据链路层位于OSI模型中的第二层 .
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应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层
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物理层
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数据链路层的功能主要有： 1）链路连接的建立和分离。 2）帧定界和帧同步。 3）对“比特流”的差错检测与恢复。 4）帧的有序传输和基于帧的网络流量控制机制，
4.2.3 数据链路层上接收和转发帧的设备 交换机 数据链路层上接收和转发帧的设备—交换机
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2.交换机的工作方式 一些交换机在发送帧前，可以帮肋网络检查更多的帧信息， 而不仅仅是检查“源”和“目的”地址。正是基于这些区别， 交换机有四种工作方式： 1）直通交换 2）无碎片帧交换 3）存储转发交换 4）自适应交换 3.交换机和集线器的比较 回溯到前面章节，我们进过集线器能够从一个端口提取比 特信号，整理信号，放大信号，然后从其他端口发送出去。集 线器并不知道信号所代表的数据的内容。相反，交换机则对它 所收到的帧进行处理，检查核对目地地址，确定到达目地帧所 需通过的端口。这听起来好像很复杂，事实上也的确是那样。
1.2 基于数据链路层通信的物理寻址功能
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为了让数据从源计算机传输到目的计算机,两端的计算机上 都需要有物理地址。在以太网中,物理地址是一个48比特,以十六 进制表达表示的。该物理地址被嵌入NIC（网卡）的芯片中,一 般不能修改。这个地址被称为物理地址或MAC地址。虽然许多 NIC允许嵌入的MAC地址被软件任务所取代,但是这种做法并不 受推崇,因为这样可能导致MAC地址重复,从而在网络上造成灾 难性的后果。 MAC地址由两个字段组成:OUI(厂商唯一标识符)和ID序列号, 其中OUI为3比特或25比特,而序列号为24比特。OUI标识了NIC的 制造厂商,而MAC地址的序列号部分则唯一地标识了NIC网卡。这 两部分联合在一起就确保了在网络中不存在重复的MAC地址。 如果某家厂商想要生产以太网卡，他们就必须从IEEE组织购买 一个24比特的ID。
千兆光纤端口
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10/100M以太网端口
图4-9 带有8个插槽的箱式交换机
第三节 以太帧的捕获与分析
目 录 以太帧（Ethernet Frame）在网络中的传输过程就象 血液在人体中流动。当人生病时，人体的血液就会发生 变化，医生通过查血的方式去诊断病人的病因。非常类 似的是：当位于数据链路层的网络部分发生故障时，网 络中传输的数据帧就会发生变化，网络工程技术人员就 可以通过捕获与分析以太帧的方式去查找网络的故障。 所以，在学习如何维护与排除数据链路层的网络故障之 前，我们首先学习如何捕获与分析以太帧的方法。我们 下面就讨论这个问题。
第二节 数据链路层的组成
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物理层设备没有校验信息的功能，用于接收和校验直接来 自物理层的信息的任何设备都包含数据链路层的功能。由数据 链路层设备校验的信息是称为“帧”的字节包。在以下的几个 小节中，我们将分析帧、网络接口卡、交换机和网桥。在介绍 这些设备的过程中，读者能够掌握数据链路层的组成和各个组 成设备的工作模式。
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4.3.3 剖析捕获到的帧
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首先让我们对IEEE802.3帧的格式和内容有个大概的认识。 第一项是目的地址，长为6个字节。注意帧具有6个字节的MAC地 址，在这个址地中还名含了供应商的ID编号。这种情况下， EtherPeek将这个地址作为一个多播802.1D网桥组。正如期望那 样，该地址第一个字节的第一个比特被置“1”，则该地址为多 播地址。第二项是源地址，给出了Cisco的供应商ID（用户能够 猜到哪种设备能发送这样帧吗？）。最后一项是802.3帧头，帧 中位置 是[12-13]。802.3帧中的长度项中的数据是帧数据信息 的长度，而并不包括32-bit FCS，源和目的地址和长度项本身 的长度。如图4-15，该帧中的长度值为38。如果再加12个字节 的源和目的地址，4个字节FCS和2个字节的长度项本身，帧的长 度总数为56个字节。
4.2.3 数据链路层上接收和转发帧的设备 交换机 数据链路层上接收和转发帧的设备—交换机
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这种困窘情况常见于一些公司和学校，这些公司和学校从二十 世纪九十年代初到中期就拥有自己的网络，并且不停地扩充，而且 他们投资的网络容量也仅仅能够容下运行中的工作站和服务器的数 量。不久，在一个单个的冲突域里他们便拥有了50，100，甚至300 台的工作站，这一切简直不可思议。如图4-7所示这种情况。
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4.3.2 捕获帧的方法
如果想对网络数据进行更为直观的认识,可以使用网络监控 器或协议分析仪,例如Wildpacket的EtherPeek,Fluke的 Protocol Inspector和 Sniffer Technologies的Sniffer程序 图4-10给出了EtherPeek的错误显示屏。
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4.3.1 捕获帧的用途
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协议分析仪就是能够捕获网络报文的设备。协议分析仪的 正当用处在于扑捉分析网络的流量,以便找出所关心的网络中潜 在的问题。例如,假设网络的某一段运行得不是很好,报文的发送 比较慢,而我们又不知道问题出在什么地方,此时就可以用协议分 析仪来作出精确的问题判断。 平时用户的工作并不集中于捕获和分析以太帧，虽然一台 网络监控器仅仅简单地收集和显示统计信息，在日常生活中比 帧捕获和协议分析程序更为重要，但是一些特定的情况下，对 实际收发数据的分析是解决问题最快或惟一的方法。 那么什么类型的问题需要用协议分析仪来处理呢？一方面。 用户可以解决网络应用配置问题，用户也能够处理由不匹配帧 类型、错误配置NIC驱动程序故障引起的帧格式化问题。
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第四章 数据链路层的维护
本 章 要 点
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数据链路层的功能 数据链路层的组成 以太帧的捕获与分析 数据链路层的故障判断与排除
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第一节 数据链路层的功能
数据链路层完成了网络上的差错控制与流量控制等很多的功能。 事实上，如果用户的数据只在一个“广播域”内传递，用户只需 用数据链路层和物理层就可构建一个可用的网络。
数据链路层中封装帧的设备—NIC网卡 4 2.2 数据链路层中封装帧的设备 网卡
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NIC（网络接口卡）用于物理层和数据链路层。在数据链 路层，NIC包含设备的物理地址用于执行特定网络系统结构所 要求的数据格式化操作和介质接入操作的组件。作为操作系统 和NIC之间接口的设备驱动器也是数据链路层的一部分。 观念上,网络接口卡在网络中发挥着不显眼的作用。接口卡 和工作站连在一起,用户只需将接口卡插上,而不用过多地考虑接 口卡的用途和工作原理。这是大多数网络管理人员所采取的方 法,也是一种合理的方法。然而,要记住在选择和配置NIC的工作 模式,以便用户在挑选NIC的过程中有个明确的概念。
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4.2.3 数据链路层上接收和转发帧的设备 交换机 数据链路层上接收和转发帧的设备—交换机
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1.交换机的功能 所有交换机的基本功能都是相同的：接收帧，寻找通向目 的的地址的端口，发送帧。交换机保存一个MAC地址表和端口数 对。当产换机刚启动时，地址表是空的。当工作站发出一个帧 时，交换机读出帧的源地址和目的地址，记下收到该帧的端口。 源地址和端口数用于建立交换表，存在CAM（按内容寻址的 存储器）中。如果交换机在地址表中已经保存了源MAC地址， 则它只对计时器作简单地更新。计时器记录在源端机发送出帧 以后，该源地址在地址表中所存储的时间。该帧的目的地址和 表中的地址进行核对，然后从选定的相应端口输出。 以太网中的交换机能够完成各种各样的功能。它可以作为 网络的高速中枢，通过这个中枢，成百上千的业务数据通过， 大量的工作站和服务器相连。
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4.2.3 数据链路层上接收和转发帧的设备 交换机 数据链路层上接收和转发帧的设备—交换机
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交换机完成这些附加的功能，因此帧只往能够到达目的地的 端口发送。这就意味着减少了每个网段上的通信量和冲突的次 数，然而，这些外加的功能是以时延为代价的。和集线器相比， 如果和设备相连的是交换机，则帧从源地址到目的地址需要花 上更长的时间，当然这些是以使用集线器的网络不会因冲突而 降低网速为前提条件的。 4.使用交换机来隔离冲突域 随着网络的发展，网络不断地新增加电缆、工作站和集线 器。在意识到这些问题之前，您需要在没有违反5-4-3转发器规 则的情况下处理如何增加一个新的集线器的问题。即使强行增 加集线器的过程比较顺利，我们也会马上看到集线器上显示冲 突的LED指示灯在不停地闪动。从此，网络速度开始变慢，用户 开始不满意网络速度了。
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图4-10 EtherPeek的错误显示屏
4.3.2 捕获帧的方法
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这些类型的监控程序能够帮助工作人员快捷、实时地观察 网络的错误和有效性统计数据.当然,这些程序也提供一些历史统 计信息,所以工作人员可以查看过去的错误计数数据，EtherPeek NX软件评估及分析整个OSI七层的架构。解析每个封包及即时的 监视网路的各种状态，包含各个网络结点及网络架构的问题。 问题的自动识别能对其发生的问题提供说明及解决方案，并可 以追踪36种以上的网络状况，及提供Latency及Throughput解析。 还能将网络上的所有结点沟通的状态以图形的方式完全显示出 来。它的显示方式让管理者能非常容易的了解网络目前的状況。