網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除

第四章

數(shù)據(jù)鏈路層的維護(hù)

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本章要點數(shù)據(jù)鏈路層的功能

數(shù)據(jù)鏈路層的組成

以太幀的捕獲與分析

數(shù)據(jù)鏈路層的故障判斷與排除

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數(shù)據(jù)鏈路層的功能

數(shù)據(jù)鏈路層完成了網(wǎng)絡(luò)上的差錯控制與流量控制等很多的功能。事實上，如果用戶的數(shù)據(jù)只在一個“廣播域”內(nèi)傳遞，用戶只需用數(shù)據(jù)鏈路層和物理層就可構(gòu)建一個可用的網(wǎng)絡(luò)。

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為了讓數(shù)據(jù)從源計算機(jī)傳輸?shù)侥康挠嬎銠C(jī),兩端的計算機(jī)上都需要有物理地址。在以太網(wǎng)中,物理地址是一個48比特,以十六進(jìn)制表達(dá)表示的。該物理地址被嵌入NIC（網(wǎng)卡）的芯片中,一般不能修改。這個地址被稱為物理地址或MAC地址。雖然許多NIC允許嵌入的MAC地址被軟件任務(wù)所取代,但是這種做法并不受推崇,因為這樣可能導(dǎo)致MAC地址重復(fù),從而在網(wǎng)絡(luò)上造成災(zāi)難性的后果。

MAC地址由兩個字段組成:OUI(廠商唯一標(biāo)識符)和ID序列號,其中OUI為3比特或25比特,而序列號為24比特。OUI標(biāo)識了NIC的制造廠商,而MAC地址的序列號部分則唯一地標(biāo)識了NIC網(wǎng)卡。這兩部分聯(lián)合在一起就確保了在網(wǎng)絡(luò)中不存在重復(fù)的MAC地址。如果某家廠商想要生產(chǎn)以太網(wǎng)卡，他們就必須從IEEE組織購買一個24比特的ID。1.2基于數(shù)據(jù)鏈路層通信的物理尋址功能

網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!4.2.1數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸對象——“幀”

幀（Frame）是對數(shù)據(jù)的一種包裝或封裝，之后這些數(shù)據(jù)被分割成一個一個比特后在物理層上傳輸。這種數(shù)據(jù)包被稱為“幀”有一個非常簡單的理由：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層向下發(fā)送一個數(shù)據(jù)包到數(shù)據(jù)鏈路層時，這個數(shù)據(jù)包被“幀”化，即在數(shù)據(jù)包的頭部和尾部加上一些字節(jié)作為幀頭和幀尾。如圖4-3所示。

幀頭數(shù)據(jù)幀尾圖4-3帶有幀頭和幀尾的幀結(jié)構(gòu)由于幀是數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行信息操作的單元，因而讀者需要了解“幀”格式化的各種方式，這樣才能在查找問題時有所目標(biāo)。我們首先介紹最常見的“以太幀”的4種格式，以太幀長度范圍為最小的64字節(jié)到最大的1518字節(jié)（64B≤?(L)≤1518B）。比這個范圍還短或還長（即不在這個長度范圍）的幀是無效幀。因而，如果在需要發(fā)送小于64個字節(jié)的情況下，數(shù)據(jù)域會填充進(jìn)一些特定的字符，通常為0，以達(dá)到64個字節(jié)的要求。網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!4.2.2數(shù)據(jù)鏈路層中封裝幀的設(shè)備—NIC網(wǎng)卡

1.網(wǎng)卡與網(wǎng)絡(luò)類型的匹配首先,用戶必須保證NIC的類型和您所使用的網(wǎng)絡(luò)類型相匹配。

2.網(wǎng)卡驅(qū)動程序驅(qū)動程序是連接操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備的一套軟件系統(tǒng)。

3.網(wǎng)卡工作模式NIC通常能夠兼容的工作模式由如下幾種:10Mbps半雙工10Mbps全雙工100Mbps半雙工100Mbps全雙工網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!4.2.3數(shù)據(jù)鏈路層上接收和轉(zhuǎn)發(fā)幀的設(shè)備—交換機(jī)

1.交換機(jī)的功能所有交換機(jī)的基本功能都是相同的：接收幀，尋找通向目的的地址的端口，發(fā)送幀。交換機(jī)保存一個MAC地址表和端口數(shù)對。當(dāng)產(chǎn)換機(jī)剛啟動時，地址表是空的。當(dāng)工作站發(fā)出一個幀時，交換機(jī)讀出幀的源地址和目的地址，記下收到該幀的端口。源地址和端口數(shù)用于建立交換表，存在CAM（按內(nèi)容尋址的存儲器）中。如果交換機(jī)在地址表中已經(jīng)保存了源MAC地址，則它只對計時器作簡單地更新。計時器記錄在源端機(jī)發(fā)送出幀以后，該源地址在地址表中所存儲的時間。該幀的目的地址和表中的地址進(jìn)行核對，然后從選定的相應(yīng)端口輸出。以太網(wǎng)中的交換機(jī)能夠完成各種各樣的功能。它可以作為網(wǎng)絡(luò)的高速中樞，通過這個中樞，成百上千的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過，大量的工作站和服務(wù)器相連。網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!

4.2.3數(shù)據(jù)鏈路層上接收和轉(zhuǎn)發(fā)幀的設(shè)備—交換機(jī)

交換機(jī)完成這些附加的功能，因此幀只往能夠到達(dá)目的地的端口發(fā)送。這就意味著減少了每個網(wǎng)段上的通信量和沖突的次數(shù)，然而，這些外加的功能是以時延為代價的。和集線器相比，如果和設(shè)備相連的是交換機(jī)，則幀從源地址到目的地址需要花上更長的時間，當(dāng)然這些是以使用集線器的網(wǎng)絡(luò)不會因沖突而降低網(wǎng)速為前提條件的。

4.使用交換機(jī)來隔離沖突域隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)不斷地新增加電纜、工作站和集線器。在意識到這些問題之前，您需要在沒有違反5-4-3轉(zhuǎn)發(fā)器規(guī)則的情況下處理如何增加一個新的集線器的問題。即使強(qiáng)行增加集線器的過程比較順利，我們也會馬上看到集線器上顯示沖突的LED指示燈在不停地閃動。從此，網(wǎng)絡(luò)速度開始變慢，用戶開始不滿意網(wǎng)絡(luò)速度了。網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!4.2.3數(shù)據(jù)鏈路層上接收和轉(zhuǎn)發(fā)幀的設(shè)備—交換機(jī)5.使用中心交換機(jī)來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)可以作為網(wǎng)絡(luò)中樞設(shè)備的一種選擇。當(dāng)今的交換機(jī)能夠傳輸巨大數(shù)量的幀，快速地通過交換機(jī)中樞，同時端口能夠配置成從100Mbps到1Gbps的范圍。這些類型的交換機(jī)通常都是擁有很多用于插入芯片的插槽的框架模式，而在這些芯片上擁有很多各種類型的用戶需要的交換機(jī)端口。用戶也可以加入一些用于網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)層交換和路由選擇功能的模塊。圖4-9給出了一個典型網(wǎng)絡(luò)中心的交換機(jī)。注意這種類型的交換機(jī)的使用和配置都是特殊的，取決于具體的供應(yīng)商。千兆光纖端口10/100M以太網(wǎng)端口

圖4-9帶有8個插槽的箱式交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!

4.3.1捕獲幀的用途

協(xié)議分析儀就是能夠捕獲網(wǎng)絡(luò)報文的設(shè)備。協(xié)議分析儀的正當(dāng)用處在于撲捉分析網(wǎng)絡(luò)的流量,以便找出所關(guān)心的網(wǎng)絡(luò)中潛在的問題。例如,假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的某一段運行得不是很好,報文的發(fā)送比較慢,而我們又不知道問題出在什么地方,此時就可以用協(xié)議分析儀來作出精確的問題判斷。平時用戶的工作并不集中于捕獲和分析以太幀，雖然一臺網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器僅僅簡單地收集和顯示統(tǒng)計信息，在日常生活中比幀捕獲和協(xié)議分析程序更為重要，但是一些特定的情況下，對實際收發(fā)數(shù)據(jù)的分析是解決問題最快或惟一的方法。那么什么類型的問題需要用協(xié)議分析儀來處理呢？一方面。用戶可以解決網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用配置問題，用戶也能夠處理由不匹配幀類型、錯誤配置NIC驅(qū)動程序故障引起的幀格式化問題。網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!4.3.2捕獲幀的方法

這些類型的監(jiān)控程序能夠幫助工作人員快捷、實時地觀察網(wǎng)絡(luò)的錯誤和有效性統(tǒng)計數(shù)據(jù).當(dāng)然,這些程序也提供一些歷史統(tǒng)計信息,所以工作人員可以查看過去的錯誤計數(shù)數(shù)據(jù)，EtherPeekNX軟件評估及分析整個OSI七層的架構(gòu)。解析每個封包及即時的監(jiān)視網(wǎng)路的各種狀態(tài)，包含各個網(wǎng)絡(luò)結(jié)點及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的問題。問題的自動識別能對其發(fā)生的問題提供說明及解決方案，并可以追蹤36種以上的網(wǎng)絡(luò)狀況，及提供Latency及Throughput解析。還能將網(wǎng)絡(luò)上的所有結(jié)點溝通的狀態(tài)以圖形的方式完全顯示出來。它的顯示方式讓管理者能非常容易的了解網(wǎng)絡(luò)目前的狀況。網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!4.4數(shù)據(jù)鏈路層的故障診斷與排除

前面介紹了數(shù)據(jù)鏈路層的功能與組成，下面分別從組成數(shù)據(jù)鏈路層的以太幀、發(fā)送和接受幀的以太網(wǎng)卡以及轉(zhuǎn)發(fā)傳輸幀的交換機(jī)三個方面討論數(shù)據(jù)鏈路層的故障診斷與排除。

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1、以太幀可能發(fā)生的錯誤

1）巨幀

2）長幀

3）超短幀和碎片

4）錯位幀

5）后期沖突

網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!4.4.2網(wǎng)卡故障診斷與排除在以太網(wǎng)中，網(wǎng)卡用于連接訪問介質(zhì)并控制對介質(zhì)的存取，以太網(wǎng)采用的載波偵聽多路存取/沖突檢測（CSMA/CD）方法就是在網(wǎng)卡內(nèi)實現(xiàn)的。同時，網(wǎng)卡還負(fù)責(zé)將上層協(xié)議形成的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）組成以太數(shù)據(jù)幀發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，并負(fù)責(zé)接收處理網(wǎng)絡(luò)中傳來的以太網(wǎng)幀。

網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!4.4.3交換機(jī)維護(hù)與故障排除

1、交換機(jī)硬件故障分類

1）電源故障

2）端口故障

3）模塊故障

4）背板故障

5）線纜故障

網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!4、合理使用交換機(jī)的VLAN功能

1）VLAN的優(yōu)勢

2）VLAN存在的問題

網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!作業(yè)1.簡單地描述以太幀的結(jié)構(gòu)及各字段的作用。

2.交換機(jī)與集線器相比，有什么不同之處？

3.00-D0-4C-U7-43-C9是網(wǎng)絡(luò)接口卡的物理地址嗎？為什么？網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!1.1OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層的功能

數(shù)據(jù)鏈路層位于OSI模型中的第二層.

應(yīng)用層

表示層

會話層

傳輸層

網(wǎng)絡(luò)層

數(shù)據(jù)鏈路層

物理層

數(shù)據(jù)鏈路層的功能主要有：1）鏈路連接的建立和分離。2）幀定界和幀同步。3）對“比特流”的差錯檢測與恢復(fù)。4）幀的有序傳輸和基于幀的網(wǎng)絡(luò)流量控制機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!

物理層設(shè)備沒有校驗信息的功能，用于接收和校驗直接來自物理層的信息的任何設(shè)備都包含數(shù)據(jù)鏈路層的功能。由數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備校驗的信息是稱為“幀”的字節(jié)包。在以下的幾個小節(jié)中，我們將分析幀、網(wǎng)絡(luò)接口卡、交換機(jī)和網(wǎng)橋。在介紹這些設(shè)備的過程中，讀者能夠掌握數(shù)據(jù)鏈路層的組成和各個組成設(shè)備的工作模式。

第二節(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層的組成

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4.2.2數(shù)據(jù)鏈路層中封裝幀的設(shè)備—NIC網(wǎng)卡

NIC（網(wǎng)絡(luò)接口卡）用于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。在數(shù)據(jù)鏈路層，NIC包含設(shè)備的物理地址用于執(zhí)行特定網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所要求的數(shù)據(jù)格式化操作和介質(zhì)接入操作的組件。作為操作系統(tǒng)和NIC之間接口的設(shè)備驅(qū)動器也是數(shù)據(jù)鏈路層的一部分。觀念上,網(wǎng)絡(luò)接口卡在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著不顯眼的作用。接口卡和工作站連在一起,用戶只需將接口卡插上,而不用過多地考慮接口卡的用途和工作原理。這是大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)管理人員所采取的方法,也是一種合理的方法。然而,要記住在選擇和配置NIC的工作模式,以便用戶在挑選NIC的過程中有個明確的概念。

網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!4.2.3數(shù)據(jù)鏈路層上接收和轉(zhuǎn)發(fā)幀的設(shè)備—交換機(jī)

交換機(jī)用于接收和轉(zhuǎn)發(fā)幀，并且基于物理地址決定是過濾掉還是發(fā)送幀。因為一個交換機(jī)在功能上相當(dāng)于多端口網(wǎng)橋，又由于交換機(jī)比網(wǎng)橋更普遍，因而本書只討論交換機(jī)。需要記住，涉及到交換機(jī)的大部分章節(jié)的內(nèi)容同樣適用于網(wǎng)橋。計算機(jī)工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程表明，設(shè)備價格不斷下降，運行速度越來越快，一些更快速的網(wǎng)橋被生產(chǎn)出來，而且能夠提供更多的端口，價格也更便宜。計算機(jī)工業(yè)需要提供性能更好的，更便宜的，速率更高的網(wǎng)橋進(jìn)行重新命名，這就是以太網(wǎng)交換機(jī)。其實在本書中所提到的交換機(jī)實際上都是網(wǎng)橋。

網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!4.2.3數(shù)據(jù)鏈路層上接收和轉(zhuǎn)發(fā)幀的設(shè)備—交換機(jī)2.交換機(jī)的工作方式一些交換機(jī)在發(fā)送幀前，可以幫肋網(wǎng)絡(luò)檢查更多的幀信息，而不僅僅是檢查“源”和“目的”地址。正是基于這些區(qū)別，交換機(jī)有四種工作方式：

1）直通交換

2）無碎片幀交換3）存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換

4）自適應(yīng)交換

3.交換機(jī)和集線器的比較回溯到前面章節(jié)，我們進(jìn)過集線器能夠從一個端口提取比特信號，整理信號，放大信號，然后從其他端口發(fā)送出去。集線器并不知道信號所代表的數(shù)據(jù)的內(nèi)容。相反，交換機(jī)則對它所收到的幀進(jìn)行處理，檢查核對目地地址，確定到達(dá)目地幀所需通過的端口。這聽起來好像很復(fù)雜，事實上也的確是那樣。網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!4.2.3數(shù)據(jù)鏈路層上接收和轉(zhuǎn)發(fā)幀的設(shè)備—交換機(jī)這種困窘情況常見于一些公司和學(xué)校，這些公司和學(xué)校從二十世紀(jì)九十年代初到中期就擁有自己的網(wǎng)絡(luò)，并且不停地擴(kuò)充，而且他們投資的網(wǎng)絡(luò)容量也僅僅能夠容下運行中的工作站和服務(wù)器的數(shù)量。不久，在一個單個的沖突域里他們便擁有了50，100，甚至300臺的工作站，這一切簡直不可思議。如圖4-7所示這種情況。圖4-8由中心交換機(jī)隔離成相對較小的沖突域網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!第三節(jié)

以太幀的捕獲與分析

以太幀（EthernetFrame）在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸過程就象血液在人體中流動。當(dāng)人生病時，人體的血液就會發(fā)生變化，醫(yī)生通過查血的方式去診斷病人的病因。非常類似的是：當(dāng)位于數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)部分發(fā)生故障時，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀就會發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)人員就可以通過捕獲與分析以太幀的方式去查找網(wǎng)絡(luò)的故障。所以，在學(xué)習(xí)如何維護(hù)與排除數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)故障之前，我們首先學(xué)習(xí)如何捕獲與分析以太幀的方法。我們下面就討論這個問題。網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!4.3.2捕獲幀的方法

如果想對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行更為直觀的認(rèn)識,可以使用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器或協(xié)議分析儀,例如Wildpacket的EtherPeek,Fluke的ProtocolInspector和SnifferTechnologies的Sniffer程序圖4-10給出了EtherPeek的錯誤顯示屏。圖4-10EtherPeek的錯誤顯示屏網(wǎng)絡(luò)故障診斷與實訓(xùn)第4章數(shù)據(jù)鏈路層的故障分析與排除共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!4.3.3剖析捕獲到的幀

首先讓我們對IEEE802.3幀的格式和內(nèi)容有個大概的認(rèn)識。項是目的地址，長為6個字節(jié)。注意幀具有6個字節(jié)的MAC地址，在這個址地中還名含了供應(yīng)商的ID編號。這種情況下，EtherPeek將這個地址作為一個多播802.1D網(wǎng)橋組。正如期望那樣，該地址個字節(jié)的個比特被置“1”，則該地址為多播地址。第二項是源地址，給出了Cisco的供應(yīng)商ID（用戶能夠猜到哪種設(shè)備能發(fā)送這樣幀嗎？）。最后一項是802.3幀頭，幀中位置是[12-13]。802.3幀中的長度項中的數(shù)據(jù)是幀數(shù)據(jù)信息的長度，而并不包括32-bitFCS，源和目的地址和長度項本身的長度。如圖4-15，該幀中的長度值為38。如果再加12個字節(jié)的源和目的地址，4個字節(jié)FCS和2個字節(jié)的長度項本身，幀的長度總數(shù)為56個字節(jié)。

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4.4.1數(shù)據(jù)鏈路層的幀故障診斷與排除

1、以太幀可能發(fā)生的錯誤2、

影響網(wǎng)絡(luò)性能的以太幀

3、如何發(fā)現(xiàn)錯誤幀

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