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title: Internet - 區域網路和鏈結層
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# Internet - 區域網路和鏈結層
###### tags: `CCNA`
## 前言
1. 區域網路中最常用的是乙太網路，所以這邊先主要介紹乙太網路的觀念，注意乙太網路是鏈結層的。
2. 學習區域網路時其他層的觀點 ： 
   - 應用層、傳輸層 ： 給予要傳送的資料。
   - 網路層 ： 牽扯到IP先忽略。
   - 實體層 ： 工作僅有把封包轉成數位信號送出。
3. 一些用詞注意 ： 
   - 主機、機器 ： 網路上的一個節點。
   - 資料、封包 ： 要在網路上傳輸的數據。  
4. 鏈結層的功用 ： 
   - 因為實體曾傳送的數位信號是代表0或1，即位元。
   - 所以，**鏈結層的工作是將位元轉成位元組以供軟體進行複雜作業。或將位元組轉成位元傳輸出去**
## 一 . 區域網路基礎
### (一) . 乙太網路和鏈結層
1. 乙太網路 ： 即Ethernet，是TCP/IP模型中，最常用於鏈結層和實體層的協定。 
2. 乙太網路特色 ： 
   - 競爭式媒體存取法 ： 網路上的主機共享頻寬。
   - 易擴充，所以非常容易增加新研發的網路設備。

### (二) . 碰撞網路、廣播網路
1. 碰撞網路 ： 在同一個碰撞網路上的Ａ和Ｂ主機，若Ａ主機正在傳送資料，則Ｂ主機就無法傳遞資料。
2. 廣播網路 ： 在同一個廣播網路上的Ａ和Ｂ主機，若Ａ主機必須用廣播的方式(即向所有的主機傳送封包)，則Ｂ主機就必須接收。
3. 集線器、交換器、路由器 ： 
   - 集線器 ： 簡單的分享器，屬於實體層。僅擴大實體網路，同個集線器仍屬於同一個碰撞網路、自然也屬於同一個廣播網路。
   - 交換器 ： 屬於鏈結層。有更複雜的軟體程式，可以分割碰撞網路，一個交換器的連接埠口屬於一個分割的碰撞網路，但所有交換器連接的機器仍屬於同一個廣播網路。
   - 路由器 ： 屬於網路層。有有更複雜的軟體程式，基本上路由器都有完整的五層功能，可以分割廣播網路，一個路由器的連接埠口屬於一個分割的廣播網路。
4. 物理分割、邏輯分割：
   - 基礎的網路定義告訴我們，網路連線的基礎仍是要實體由物理媒介相連。
   - 物理分割 ： 分成多個群的網路，如有Ａ-Ｆ六台主機，可以三台三台相連形成兩個群。 
   - 邏輯分割 ： 可以用非實體層的協定，進行分割原本相連的設備，如上例，我們可以在Ａ-Ｆ六台主機中加入兩台交換器，形成六個碰撞網路。
## 二 . 區域網路協定
### (一) . CSMA/CD協定
1. 碰撞的定義 ： 在同一個碰撞網路之下，若兩台主機同時發出傳送的資料，則會在實體的纜線裡面發生數位信號的干擾，此時就成為『碰撞』發生。
2. CSMA/CD協定 ： 乙太網路中，預防和處理碰撞的方式。
   - 有下面三種功能。
3. 功能一 ：  監聽媒體使用情況 (Carrier Sense)
   - A 主機要發送資料前，需要先對網路媒體進行監聽，**確認沒有人在使用後， 才能夠發送出資料**。

4. 功能二 ： 多點傳輸 (Multiple Access)：
    - **A 主機所送出的資料會被集線器複製一份，然後傳送給所有連接到此集線器的主機**！ 也就是說， A 所送出的資料， B, C, D 三部電腦都能夠接收的到！但由於目標是 D 主機，因此 B 與 C 會將此資料丟棄，而 D 則會抓下來處理。(處理的依據就是MAC位址，可以先看下面的內容)
    - 但交換器不一定會傳送給所有的主機，交換器會識別資料的起點和終點，不會傳遞給不是終點的主機。

5. 功能三 ： 碰撞偵測 (Collision Detection)：
   - 該資料附有檢測能力，若其他主機例如 B 電腦也剛好在同時間發送資料時， 那麼 A 與 B 送出的資料碰撞在一塊 (出車禍) ，此時這資料框就是損毀，**那麼 A 與 B 就會各自隨機等待一個時間**， 然後重新透過第一步再傳送一次該資料。

### (二) . MAC位址
- 上面我們理解到了下面這幾個重點 ：
   - 網路分割 ： 碰撞網路、廣播網路。
   - 網路裝置 ： 集線器、交換器。
   - 網路傳輸 ： 碰撞、CSMA/CD協定。
   - 重點在於區域網路的分割和資料運送的抽象概念。 
   - 但我們不知道他實際運送的資料是什麼經由如何的實體運作產生。
1. 網路卡 ： 每個主機上都會有一個網路卡，作為傳送封包和接受封包的媒介。
2. MAC位址 ： 每個網路卡都會有一個獨一無二的48位元的代碼，即MAC位址。
   - 功用 ： 乙太網路的運輸，每個封包上都會加上傳送方和目的地的MAC位址，讓封包傳送有依據。
   - 組成 ： 前24位元為廠商代碼、後24位元為廠商生產碼。
   - 廣播位址 ： 用於廣播時的位址，為全1。
   
### (三) . MAC訊框 
- 有了MAC位址之後，乙太網路可以用這個為傳送的依據，但我們並不知道『資料』在傳輸的路徑上是怎麼組成的。
1. 訓框(frame) ： 特指在鏈結層傳送的資料最小單位的形式，組成如下。 
![](https://i.imgur.com/LbDADS9.png)
2. 前導碼 ： 分成兩個部分。
   - 前置位元 ：7bytes。 因為實體層的傳送仍是數位信號，一次只能傳送一個位元。這個部分提供了接收裝置要鎖定的位元流量。
   - 訊框的起始符號/同步 ： 1bytes。表示frame的內容正式開始。
3. 目的位址 ： 可能是單機位址，可能是廣播位址，若為廣播位址，則傳遞給此廣播網域的所有主機。
4. 來源位址 ： 表示來源，不能是廣播位址。
5. 資料欄位通訊 ： 用於表示訓框長度或表示上層的協定。
6. 主要資料 ： 網路層下傳的封包。 
7. 檢查碼 ： 用於循環冗餘檢查的依據。
8. 循環冗餘檢查 ： 鏈結層會進行的處理，看訊框是否有破損，注意，僅偵測，不是矯正。
### (四) . MTU
- 這裡說明一個可能在網路層學習的時後才會有的一個問題。
1. MTU : 鏈結層的frame的主要資料最大容量。
   - 網路層IP的封包最大可以到6500多bytes，那為什麼frame只可以是1500bytse。
   - 其實MTU可以最高支援到9000bytes的容量
2. 處理方法 ： 一個網路層封包可以變成多個frame傳出。
3. 設計原因 ： 因為不是每個網路設備都可以支援9000bytes的容量，因此為了通用性，仍用1500bytes比較好。


## 三 . 區域網路的佈局和實體層

### (一) .單工、半雙工、雙工
1. 單工：簡單的說就是一方只能發信息，另一方則只能收信息，通信是單向的。
2. 半雙工：比單工先進一點，就是雙方都能發信息，但同一時間則只能一方發信息。
3. 全雙工：比半雙工再先進一點，就是雙方不僅都能發信息，而且能夠同時發送。
4. 集線器為半雙工、交換器為雙工。