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.ppt
第四章 数据链路层的维护数据链路层的维护 本本 章章 要要 点点数据链路层的功能数据链路层的功能 数据链路层的组成数据链路层的组成 以太帧的捕获与分析以太帧的捕获与分析 数据链路层的故障判断与排除数据链路层的故障判断与排除 第一节 数据链路层的功能数据链路层的功能 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。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.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，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。1.2 基于数据链路层通信的物理寻址功能基于数据链路层通信的物理寻址功能 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。第二节 数据链路层的组成数据链路层的组成 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”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。帧头数据帧尾图4-3 带有帧头和帧尾的帧结构 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(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 4.2.2 数据链路层中封装帧的设备数据链路层中封装帧的设备NIC网卡网卡 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。4 4.2.2 数据链路层中封装帧的设备数据链路层中封装帧的设备NIC网卡网卡 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。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。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 4.2.3 数据链路层上接收和转发帧的设备数据链路层上接收和转发帧的设备交换机交换机 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。4.2.3 数据链路层上接收和转发帧的设备数据链路层上接收和转发帧的设备交换机交换机 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。4.2.3 数据链路层上接收和转发帧的设备数据链路层上接收和转发帧的设备交换机交换机 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。4.2.3 数据链路层上接收和转发帧的设备数据链路层上接收和转发帧的设备交换机交换机 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。4.2.3 数据链路层上接收和转发帧的设备数据链路层上接收和转发帧的设备交换机交换机 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。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数据链路层上接收和转发帧的设备交换机交换机 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。千兆光纤端口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第三节 以太帧的捕获与分析以太帧的捕获与分析 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。4.3.1 捕获帧的用途捕获帧的用途 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。4.3.2 捕获帧的方法捕获帧的方法 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。图4-10 EtherPeek的错误显示屏4.3.2 捕获帧的方法捕获帧的方法 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。4.3.3 剖析捕获到的帧剖析捕获到的帧 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。4.4 数据链路层的故障诊断与排除数据链路层的故障诊断与排除 前面介绍了数据链路层的功能与组成，下面分别从组成数据链路层的以太帧、发送和接受帧的以太网卡以及转发传输帧的交换机三个方面讨论数据链路层的故障诊断与排除。4.4.1 数据链路层的帧故障诊断与排除数据链路层的帧故障诊断与排除 1、以太帧可能发生的错误2、影响网络性能的以太帧 3、如何发现错误帧 1、以太帧可能发生的错误1）巨帧 2）长帧 3）超短帧和碎片 4）错位帧 5）后期冲突 2、影响网络性能的以太帧影响网络性能的以太帧 1）数据冲突 2）广播帧 3）如何发现错误帧 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,EtherPeek。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。4.4.2 网卡故障诊断与排除网卡故障诊断与排除 在以太网中，网卡用于连接访问介质并控制对介质的存取，以太网采用的载波侦听多路存取/冲突检测（CSMA/CD）方法就是在网卡内实现的。同时，网卡还负责将上层协议形成的协议数据单元（PDU）组成以太数据帧发送到网络上，并负责接收处理网络中传来的以太网帧。网卡故障诊断与排除网卡故障诊断与排除1、网卡工作过程 2、影响网卡工作的因素 3、网卡故障诊断与维护 4.4.3 交换机维护与故障排除交换机维护与故障排除 1、交换机硬件故障分类 1）电源故障 2）端口故障 3）模块故障 4）背板故障 5）线缆故障 2交换机的软件故障分类 1）系统错误 2）配置不当 3）密码丢失 4）外部因素 4、合理使用交换机的VLAN功能 1）VLAN的优势 2）VLAN存在的问题 本章小结 重点主要是OSI参考模型中第二层数据链路层包括了哪些组件、理解以太帧的结构与特性、网络接口卡的工作模式、掌握数据链路层的功能、网络接口卡和交换机的工作原理 难点是如何在以太网中维修各种故障。以太网维护是一项比较复杂的工作，网络管理员应该根据故障信息进行整理和分析，对网络故障测试和调试的方法是解决问题的关键。作业1.简单地描述以太帧的结构及各字段的作用。2.交换机与集线器相比，有什么不同之处？3.00-D0-4C-U7-43-C9是网络接口卡的物理地址吗？为什么？本章实训1、实训名称：使用EtherPeek协议分析仪捕获以太帧2、实训目的练习使用使用EtherPeek捕获数据帧，熟悉协议分析仪的启动界面，掌握常用的操作要领和技巧。3、实训环境搭建应该在工作站上安装EtherPeek协议分析软件。（可以联系本书作者获取该实训软件及软件的安装方法：hs_)
