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华为、华三、思科高级网络工程师必经之路(4)我们的爱如同TCP连接,始终可靠,永不掉线——P2P、HDLC、MA网络保姆级别详解

2025-04-27 22:01:23 0 阅读

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上节回顾

网络类型及数据链路层协议

1.MA网络

1.1 数据链路层的基本概念

1.2. 以太网协议概述

1.3. 以太网帧结构

上图所关键键字段说明:

1.4. 基于MA网络的介质访问控制(MAC)

补充常见访问媒介出现冲突问题的MA协议类型

CSMA/CD重点盘点一下 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

1.5. 以太网的工作流程

1.6. 以太网的演变与现代应用

2.P2P网络

2.1P2P网络的核心特点包括:

2.2P2P网络的应用

3.HDLC---高级数据链路控制协议

3.1. HDLC协议的基本概述

关键特性:

​编辑

3.2. HDLC的帧结构

3.3. HDLC的帧类型

3.4. HDLC的工作原理

3.5. HDLC的应用

3.6. HDLC的优缺点

4.盘点一下DHLC的接口地址借用

4.1DHLC的接口地址借用配置命令


网络类型及数据链路层协议

1.MA网络

1.1 数据链路层的基本概念

在OSI模型中,数据链路层(Data Link Layer)是第二层,位于物理层(第一层)之上。它的作用是确保数据的可靠传输,并提供错误检测与纠正、帧定界、流量控制等功能。在局域网(如以太网)中,数据链路层的协议负责在同一网络中不同设备之间传输数据帧。

数据链路层协议将网络层(如IP协议)传输的分组(Packets)封装为帧(Frames),并确保这些帧能够无误地传输到目标设备。

1.2. 以太网协议概述

以太网协议是数据链路层协议的一种实现。它通过使用MAC(Media Access Control)地址来唯一标识网络中的设备,并利用**CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)**机制来控制设备之间对共享通信媒介的访问。

  • MAC地址:每个以太网设备都有一个唯一的物理地址,通常为48位二进制数,通常用12个十六进制数字表示。MAC地址用于标识设备,并确保数据帧能够发送到正确的目标设备。

  • CSMA/CD:这是以太网在共享媒介上的接入控制方法。通过CSMA/CD机制,设备在发送数据之前会先“监听”网络(Carrier Sense),确保没有其他设备在发送数据。如果网络处于空闲状态,设备便开始发送数据;如果发生冲突(Collision),设备会停止发送,并在随机的延迟后重新尝试。

1.3. 以太网帧结构

以太网帧是数据链路层传输的基本单元,其结构如下:

字段长度 (字节)描述
前导码7用于同步发送和接收设备的时钟,确保帧的开始。
帧开始定界符1指示数据帧的开始。
目标MAC地址6目的设备的MAC地址。
源MAC地址6发送设备的MAC地址。
类型2标识帧中数据的协议类型(如IPv4、IPv6等)。
数据46-1500包含实际传输的数据,最小长度46字节,最大长度1500字节。
CRC校验码4用于检测传输中的错误。
上图所关键键字段说明:
  • 前导码和帧开始定界符(Preamble & Start Frame Delimiter): 前导码包含7个字节,用于让接收方的接收设备同步其时钟,确保正确接收数据。帧开始定界符标识数据帧的起始位置。

  • 目标和源MAC地址(Destination & Source MAC Address): 以太网使用48位的MAC地址来标识设备。目标MAC地址用于指定接收设备,而源MAC地址表示发送设备。

  • 类型(Type): 该字段表示帧中承载的数据类型(如IPv4、ARP等),指示上层协议的数据类型,通常是2个字节的字段。

  • 数据(Data): 这是帧中的有效载荷,携带实际的数据。以太网标准规定数据字段的最小长度为46字节,最大长度为1500字节。

  • CRC校验码(Cyclic Redundancy Check): 这是一个4字节的字段,用于检测数据在传输过程中是否出现了错误。接收方会计算数据的CRC值,并与发送方传输的值进行对比。如果两者不匹配,表示数据帧出现了错误,需要丢弃该帧并请求重传。

1.4. 基于MA网络的介质访问控制(MAC)

  • 在以太网中,**多点接入(Multiple Access,MA)指的是多个设备共享同一传输媒介(例如同一条物理线路)。为了管理这种共享,网络采用了介质访问控制(MAC)**机制。
补充常见访问媒介出现冲突问题的MA协议类型
  • CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection):在传统的以太网中,使用CSMA/CD协议来管理节点对共享媒介的访问。设备在发送数据之前先监听信道是否空闲,如果空闲则发送数据,否则等待。若发生碰撞,设备会重新尝试发送。

  • CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance):在无线网络中,使用CSMA/CA协议来避免碰撞,尤其是因为无线信号的传播特性更复杂,无法像有线网络那样容易检测到碰撞。

  • TDMA(时分多址):在TDMA协议中,时间被划分为多个时隙,每个节点在指定的时隙中传输数据,避免了节点之间的冲突。

  • FDMA(频分多址):频谱被划分为多个频带,每个节点在不同的频带上传输数据,避免了冲突。

  • CDMA(码分多址):每个节点使用独特的编码来在同一频带上并行传输数据,避免冲突。

现代以太网网络(如全双工以太网)不再使用CSMA/CD机制,因为全双工网络允许同时发送和接收数据,从而避免了以及可以通过交换机(Switch)来分隔各个设备的通信流冲突。

CSMA/CD重点盘点一下 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

以太网使用CSMA/CD协议来控制多个设备如何在同一时间共享传输媒介,避免发生冲突。

  • Carrier Sense(载波侦听):在发送数据之前,设备会先“侦听”网络,看是否已有设备在传输数据。如果网络空闲,设备就开始发送数据。

  • Multiple Access(多点接入):多个设备可以同时访问网络,但必须遵循一定的规则来避免冲突。

  • Collision Detection(碰撞检测):如果两台设备同时发送数据,会发生碰撞。碰撞发生后,设备会停止发送数据,并在随机的时间后重新发送数据。

CSMA/CD工作流程:

  1. 设备开始发送之前,先监听媒介,确保网络空闲。
  2. 如果媒介空闲,设备开始发送数据。
  3. 如果两个设备同时发送数据,发生冲突。设备通过检测冲突信号知道发生了碰撞。
  4. 在检测到碰撞后,设备立即停止发送数据,并等待一个随机的时间间隔后重新尝试发送数据。

1.5. 以太网的工作流程

以太网协议的工作流程可以概括为以下几个步骤:

  1. 帧的生成:当上层协议(如IP协议)需要传输数据时,数据会被封装成以太网帧。
  2. 介质访问控制:发送方设备会检查共享媒介是否空闲(Carrier Sense),并通过CSMA/CD协议来决定是否可以发送数据。
  3. 数据传输:当媒介空闲时,设备开始发送数据帧,数据通过共享媒介传输到目标设备。
  4. 接收与解封装:接收方设备接收到数据帧后,检查目标MAC地址是否与自身匹配,如果匹配则提取数据并交给上层协议处理。如果存在传输错误,设备会丢弃数据帧,并请求重传(如在以太网中通常由上层协议处理重传请求)。

1.6. 以太网的演变与现代应用

自从以太网协议推出以来,随着技术的发展,它也经历了多次演变,以应对更高的数据传输需求。比如:

  • 10BASE-T:最早的以太网标准,传输速率为10 Mbps。
  • 100BASE-TX(Fast Ethernet):传输速率提升至100 Mbps。
  • 1000BASE-T(Gigabit Ethernet):传输速率提升至1 Gbps。
  • 10GBASE-T(10 Gigabit Ethernet):传输速率提升至10 Gbps及更高。

2.P2P网络

  • 当一个网络中只能存在两台设备,并且不允许第三台设备加入,这样的网络被称为P2P网络。

2.1P2P网络的核心特点包括:

  • 对等性:每个节点都有相同的能力和角色,所有设备都可以互相提供服务,不存在主从关系。
  • 去中心化:P2P网络不像传统的客户端-服务器(C/S)模型那样依赖于一个中心服务器。网络中的每个节点都可以直接与其他节点通信。
  • 动态性:网络中的节点可以随时加入或退出,网络拓扑会根据节点的加入或离开动态变化。

2.2P2P网络的应用

  • 文件共享:如BitTorrent协议,它允许用户直接与其他用户交换文件,而无需依赖中心化的服务器。
  • 分布式计算:如SETI@home和Folding@home等,多个计算机协作完成计算任务。
  • 去中心化通信:如区块链技术中的点对点通信和分布式账本,去除了中介节点,数据直接在参与节点之间传输。
  • VoIP和视频会议:如Skype,它基于P2P架构实现点对点的语音和视频通信。

3.HDLC---高级数据链路控制协议

3.1. HDLC协议的基本概述

背景:

  • HDLC最初是由ISO(国际标准化组织)定义的,旨在标准化数据链路层的通信。它用于在同步通信的环境中传输数据,广泛应用于广域网(WAN)通信、局域网(LAN)以及其他网络环境中。HDLC能够提供高效、可靠的传输服务,并且支持不同类型的物理媒体。
    标准的HDLC-----ISO组织
    
    非标的HDLC-----各厂商根据标准协议魔改而成
    
    两者互不兼容

    思科公司采用的串线协议默认为HDLC协议。

[r1-Serial1/0/0]link-protocol hdlc   ----修改串口接口的数据链路层协议为非标准的HDLC
关键特性:
  • 同步通信:HDLC基于时钟同步方式进行通信,数据的传输不依赖于任何特定的传输时序。
  • 全双工:HDLC支持全双工通信,即数据可以在两个方向上同时传输。
  • 可靠性:HDLC采用帧结构来封装数据,提供了错误检测和数据重发机制,从而保证数据的可靠传输。

 

3.2. HDLC的帧结构

HDLC协议将数据分为不同的“帧”进行传输。HDLC帧的结构非常简单,通常包括以下几部分:

  1. 帧起始标志(Flag):

    • 每个HDLC帧的开头和结尾都有一个特殊的比特模式 01111110(0x7E),称为帧起始标志(Flag)。
    • 这个标志用于标识帧的开始和结束,同时也帮助接收方分辨数据流中的边界。
  2. 地址字段(Address Field):

    • 地址字段用于指定接收方的地址。HDLC协议在点对点连接中使用单个地址,而在多点连接中则使用广播或组播地址。
    • 地址字段的长度取决于实现,通常是1个字节。
  3. 控制字段(Control Field):

    • 控制字段用于指示帧的类型和控制信息。在HDLC中,控制字段有三种类型的帧:
      • 信息帧(I-frame):用于传输实际的数据。
      • 监督帧(S-frame):用于控制和管理数据传输(如请求重传)。
      • 未编号帧(U-frame):用于链路管理和设备控制。
    • 控制字段的结构取决于帧类型。
  4. 信息字段(Information Field):

    • 信息字段用于承载实际传输的数据(在I-frame中)。它的长度可以变化,通常没有固定的大小,直到到达链路的最大传输单位(MTU)为止。
  5. CRC(Cyclic Redundancy Check):

    • CRC字段用于错误检测。它通常是一个16位或32位的校验和,用于检测传输过程中是否发生了错误。
    • 接收方在接收到数据后,通过重新计算CRC来验证数据的完整性。
  6. 帧结束标志(Flag):

    • 和帧起始标志相同,帧结束时也有一个01111110的标志,指示帧的结束。

 

3.3. HDLC的帧类型

HDLC协议定义了三种类型的帧,分别用于不同的通信目的:

  1. 信息帧(I-frame,Information frame):

    • 用于传输用户数据(有效载荷)。它负责承载上层传输的数据,并且包含序列号,用于支持数据的有序传输和确认。
    • I-frame包含数据字段、控制信息、序列号(发送和接收)以及CRC校验。
  2. 监督帧(S-frame,Supervisory frame):

    • 用于链路控制,如流量控制、错误恢复、帧确认等。它不承载用户数据。
    • 主要用于请求重发数据或确认接收到的数据。
    • 常见的监督帧有:
      • RR(Receive Ready):通知接收方准备接收数据。
      • REJ(Reject):用于请求重新传输丢失的数据。
      • RNR(Receive Not Ready):表示接收方暂时不能接收数据。
  3. 未编号帧(U-frame,Unnumbered frame):

    • 用于链路的控制和管理。它们不带序列号,主要用于链路建立、管理和释放。
    • 常见的U-frame包括:
      • SABM(Set Asynchronous Balanced Mode):请求建立连接。
      • DISC(Disconnect):请求断开连接。
      • UA(Unnumbered Acknowledgement):用于确认连接的建立。

 

3.4. HDLC的工作原理

HDLC协议工作在数据链路层,通过帧的发送与接收来完成数据传输。其工作过程大致如下:

  1. 链路建立:在通信开始之前,通过U-frame(如SABM)建立链路。
  2. 数据传输:数据以I-frame的形式进行传输,发送方将数据帧发送到接收方,接收方通过CRC验证数据的完整性。
  3. 确认和重传:如果接收方发现数据有错误(通过CRC检测),则使用REJ帧请求重传。如果接收方成功接收到数据,则通过RR帧发送确认。
  4. 链路断开:数据传输完成后,可以通过DISC帧断开连接。

3.5. HDLC的应用

HDLC协议非常适合于同步传输,它已被广泛应用于各种通信环境中,包括:

  • 广域网(WAN):例如在ISDN、X.25和Frame Relay等协议中,HDLC常用作数据链路层协议。
  • 局域网(LAN):虽然以太网协议更为常见,但HDLC也被用于一些特定的网络中。
  • 无线通信:某些无线通信标准也使用HDLC作为数据链路层的基础协议。
  • 数据交换:在许多企业网络中,HDLC常用于点对点连接的设备之间的可靠数据交换。

3.6. HDLC的优缺点

优点:

  • 高效性:HDLC能够提供同步传输,使得数据传输速度较高。
  • 可靠性:提供错误检测、流量控制和重传机制,确保数据传输的可靠性。
  • 灵活性:支持点对点和多点通信,适应不同的网络结构。
  • 标准化:作为国际标准,HDLC具有广泛的兼容性。

缺点:

  • 复杂性:由于需要错误检测、流量控制、序列号和重传机制,HDLC的实现较为复杂。
  • 开销大:HDLC在帧头部分需要占用较多的比特,导致每个数据单元的传输开销较大。

4.盘点一下DHLC的接口地址借用

  • 建议使用环回接口作为被借用的接口,原因在于该接口为虚拟接口,总是处于活跃状态,可以提供稳定可用的IP地址信息。
  • 接口地址借用可以避免一个物理接口长时间独自占用一个IP地址,节省IP地址资源。
  • 在点到点网络中,IP地址一般使用32位掩码

4.1DHLC的接口地址借用配置命令

[r2]interface LoopBack 0

[r2-LoopBack0]ip address 1.1.1.1 32

[r2]interface Serial 1/0/0

[r2-Serial1/0/0]ip address unnumbered interface LoopBack 0  ---借用环回接口的IP地址作为串口的
IP

[r1]ip route-static 1.1.1.1 32 Serial 1/0/0

[r2]ip route-static 12.0.0.1 32 Serial 1/0/0


 

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