L2和L3比较.docx

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L2和L3比较

L2和L3

一、OSI七层模型

OSI——开放系统互连模型，通过将网络模型分解为层，互通性和互操作性的能力变得可以管理。

OSI由低到高分别是物理层,数据链路层,网络层,传输层,会话层，表示层和应用层。

现在主要分析是L2数据链路层和L3网络层，它们的功能和常用设备如下表所示：

三层交换机

其中，L2为面向连接的拓扑结构，而L3则是无连接的网络互连结构。

二、L2和L3网络互连设备

2.1网桥

网桥是一种用于连接两个局域网段的网络设备，其工作在数据链路层。

在网络中，网桥要分析帧地址字段，以决定是否把收到的帧转发到另一个网段上。

网桥的概念模型和工作原理如下图所示。

图X网桥概念模型

201站

202站

103站

104站

DHA104

数据

DHA202

数据

网桥

DHA104

数据

网段2

网段1

图XX网桥工作原理

在图XX中，网桥检查帧的源地址和目的地址，如果目的地址在同一网段内则无需转发；反之，如果源地址和目的地址不在同一网段，网桥就把帧转发到另一个网段。

由此可看出，网桥在网络中起到帧过滤的作用。

网桥的帧过滤特性很有用，当一个网络由于负载过重导致性能下降时可以用网桥把它分成两个网段，并使得段间的通信量保持最小。

例如，可以把分布在两层楼的网络分成每层一个网段，中间通过网桥连接。

这样一方面缓解了网络的负载，提高了通信效率；另一方面，由于网桥的隔离，如果一个网段出现故障不会影响到另一网段的正常工作，提高了网络的可靠性。

网桥可用于运行相同高层协议的设备间的通信，而采用不同高层协议的设备间不能通过网桥进行通信。

另外，网桥也能连接不同传输介质的网络，例如可实现同轴电缆以太网与双绞线以太网之间的互连，或者是以太网与令牌环网之间的互连。

2.2交换机

交换机是一种基于MAC（网卡的硬体地址）识别，能完成封装转发数据包功能的网路设备。

交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，透过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。

目前主流的交换方式是基于存储-转发模式的，交换机对输入的数据包先进行存储，验证，碎片过滤，然后再进行转发。

这种方式时延大，但可以提供差错校验，并支持不同速度的输入输出端口间的交换（非对称交换）。

交换机分类

根据交换的协议层，可以将交换机划分为：

●二层交换机——根据MAC地址交换；

●三层交换机——根据网络层地址（IP转发）进行交换；

●多层交换机——根据第四层端口号或应用协议进行交换；

根据传送网中的适用范围，我们又可以将交换机划分为：

●接入层交换机：

接入层是工作站连接网络的入口，实现要能用户的访问控制，通常要求低成本提供高密度的接入端口（以10/100M端口为主，固定端口或扩展槽方式提供1000M的上联端口）；

●汇聚层交换机：

汇聚层将网络划分为多个广播/组播域，可以实现VLAN间的路由选择，并通过访问控制表实现分组过滤。

这一层交换机要求提供三层交换功能；

●核心层交换机：

核心层采用可扩展的高性能交换机组成主干线路，提供链路冗余，路由冗余，VLAN中继和负载均衡等功能，并且与汇聚层交换机具有兼容的技术，支持相同的协议；

对照之后，我们可以看到基于MAC地址交换的二层交换机部署在接入层和汇聚层；基于IP地址交换的三层交换机应用于核心层，也少量应用于汇聚层；

2.3路由器

路由器工作于网络层，它根据网络逻辑地址在互连的子网之间传递分组。

路由器的概念模型和工作原理如下图所示。

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

数据链路层

物理层

数据链路层

物理层

网络层

网络层

图XXX路由器概念模型

101站

102站

DHA104

DSA.C14

数据

A.05

A.12

网络A

路由器

DHA106

DSA.C14

数据

DHA110

DSA.C14

数据

104

105

106

115

路由器

网络C

103站

110站

C.11

C.14

DHA：

目的硬件地址

DSA：

目的软件地址

网络B

图xxxx路由器工作原理图

在图XXXX中，路由器根据目的硬件地址和软件目的地址将数据报发送到110站。

由此可以看出，路由器在网络中起到寻址的作用。

此外，路由器还具有流量控制等功能。

由于工作在网络层，路由器处理的信息量要比网桥多得多，因此处理速度也慢，但路由器的互连能力更强，可以执行复杂的路由选择算法和协议的转换。

三、Ethernet和IP网络

3.1Ethernet

3.1.1Ethernet介绍

以太网（Ethernet）是一种计算机局域网组网技术。

IEEE制定的IEEE802.3标准给出了以太网的技术标准。

它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。

以太网是当前应用最普遍的局域网技术。

它很大程度上取代了其他局域网标准，如令牌环网、FDDI和ARCNET。

Ethernet一般有以下特征：

●共享媒体：

所有网络设备依次使用同一通信媒体；

●广播域：

需要传输的帧被发送到所有节点，但只有寻址到的节点才会接收到帧；

●CSMA/CD：

以太网中利用载波监听多路访问/冲突检测方法（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）以防止多节点同时发送；

●MAC地址：

媒体访问控制层的所有Ethernet网络接口卡（NIC）都采用48位网络地址，这种地址全球唯一。

3.1.2CSMA/CD

以太网采用带冲突检测的载波帧听多路访问（CSMA/CD）机制。

以太网中节点都可以看到在网络中发送的所有信息，因此，我们说以太网是一种广播网络。

CSMA/CD过程如下：

1、帧听信道上是否有信号在传输：

如果有的话，表明信道处于忙状态，就继续帧听，直到信道空闲为止；

2、若没有帧听到任何信号，就传输数据；

3、传输的时候继续帧听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间后，重新执行步骤1（当冲突发生时，涉及冲突的计算机会发送一个拥塞序列，以警告所有的节点）；

4、若未发现冲突则发送成功，计算机会返回到帧听信道状态。

3.1.3Ethernet帧结构

以太网的数据单元称为帧，在帧中使用MAC地址来标记发送方和接收方。

发送方在发送数据时，将接收方的MAC地址和本方的MAC地址封装在帧中进行发送，接收方收到数据后对帧中的目的MAC地址进行判断，如果和自己的MAC地址相符，就接收并处理这个帧；如果和自己的MAC地址不符，就丢弃这个帧。

（两种帧格式，802.3和EthernetII，其中现在常用的是EthernetII）

●以太网帧前12字节分别标识出发送数据帧的源节点MAC地址和接收数据帧的目标节点MAC地址；

●接下来的2个字节标识出以太网帧所携带的上层数据类型，如16进制数0x0800代表IP协议数据；

●数据字段长度为46～1500字节，用来承载第三层数据包，如果字段中没有承载数据包，则用“0”来补足；

●在不定长的数据字段后是4个字节的帧校验序列（FCS），采用32位CRC循环冗余校验对从"目标MAC地址"字段到"数据"字段的数据进行

3.1.4Ethernet类型

传统以太网：

IEEE802.3是传统的以太网标准，数据传输率是10Mbps，采用10BaseT或10BaseF物理标准连接各节点。

“10BaseT”的含义是：

最大瞬时理论数据传输速率为10Mbps，采用基带传输，物理介质是双绞线。

快速以太网：

IEEE802.3u规定了快速以太网标准，也叫做百兆以太网。

IEEE802.3u在物理层使用100BaseTX或100BaseFX标准。

IEEE802.3中规定物理层采用4B/5B编码，可以适应半双工或全双工工作方式。

工作在半双工状态下时，在数据链路层同样采用CSMA/CD介质占用规则。

100M以太网在采用光纤连接时物理标准为100BaseFX。

千兆以太网：

IEEE802.3ab规定了在铜缆介质上的千兆以太网标准。

IEEE802.3ab在物理层使用1000BaseT标准，采用8B/10B编码。

千兆以太网一般使用交换机连接各节点，工作于全双工工作方式下。

IEEE802.3z规定了在光缆介质上的千兆以太网标准。

IEEE802.3z在物理层使用1000BaseLX或1000BaseSX标准，采用8B/10B编码。

一般用于光交换或骨干网段对端连接。

802.3z还定义了一种帧突发方式，使得一个站可连续发送多个帧。

万兆以太网：

IEEE802.3ae规定了万兆以太网标准，通过不同的编码方式或波分复用支持10Gbps的传输速率。

与千兆以太网类似，万兆以太网基本应用于点到点线路，不再共享带宽，没有冲突检测，载波监听和多路访问技术也不再重要。

3.2IP网络

3.2.1IP数据报包含报头区和数据区两部份：

•数据区：

高层传输的数据。

•报头区：

为了正确传输高层数据而增加的控制信息。

报头中各主要字段的功能

1、版本与协议类型

•版本：

数据报对应的IP协议版本号（目前使用的IP协议版本号为4）

•协议类型：

数据报数据区数据的高级协议类型（如TCP），指出数据报携带的运输层数据使用的协议。

2、长度

•报头长度：

报头区的长度（以32bits为单位），若不是4字节的整数倍，用最后一个填充字段填充。

•总长度：

整个IP数据报的长度（以8bits为单位）。

头长度与数据之和的长度。

3、服务类型

•转发过程中对该数据报的处理方式。

•它为路由器提供服务信息，服务类型字段的前三个比特表示优先级。

4、生存周期

•即TTL（TimeToLive），数据包每经过一个路由器，其TTL值减1，当TTL为0时，路由器将丢弃该数据包。

建议值为32秒。

•IP数据报在互联网中的存活时间（避免死循环）。

5、头部校验和

•采用CRC校验码，只校验数据报的首部。

•保证IP数据报报头的完整性。

6、地址

•源IP地址（4字节）：

数据报的发送者。

•目的IP地址（4字节）：

数据报的接收者。

3.2.2IP封装

IP数据报在各个物理网络中需要重新封装

3.2.3MTU与分片

1、MTU

•MTU：

网络规定的一个帧最多能够携带的数据量

•IP数据报的长度只有小于或等于网络的MTU，才能在这个网络传输

•与路由器连接的各个网络的MTU可能不同

2、分片：

IP数据报的尺寸大于将发往网络的MTU值时，路由器将IP数据报分成若干较小的部分的过程

•每个分片由报头区和数据区两部分构成

•每个分片经过独立的路由选择等处理过程，最终到达目的主机

3.2.4重组

重组：

在接收到所有分片的基础上，主机对分片进行重新组装的过程

•目的主机进行重组

•减少了中间路由器的计算量

•路由器可以为每个分片独立选路

•路由器不需要对分片进行重组，也不可能对分片进行重组

3.2.5分片控制

1、标识

•源主机赋予IP数据报的标识符

•该域需要复制到新分片的报头中

•目的主机利用此域和目的地址判断分片属于哪个数据报

•标志

•标识是否已经分片，是否是最后一个分片

2、片偏移

•本片数据在初始IP数据报数据区的位置

•偏移量以8个字节为单位

8.3IP数据报选项

功能：

主要用于控制和测试

用户可以使用也可以不使用IP选项。

但所有实现IP协议的设备必须能处理IP选项

IP数据报选项由选项码、长度和选项数据三部分组成

1、源路由选项

源路由：

IP数