系统架构设计师备考第10天——网络技术-局域网以太网

一、局域网（LAN）核心知识

1. 定义与特性

• 范围：有限地理区域（建筑/园区）的封闭网络。
• 核心功能：资源共享（文件、打印机等）。
• 关键指标：
  • 传输速率 ≥10Mb/s（现代可达10Gb/s）。
  • 误码率 <10⁻⁸（高可靠性）。
• 类型：有线局域网（LAN）、无线局域网（WLAN）。

2. 拓扑结构对比

拓扑类型	结构	优点	缺点	适用场景
星状	所有节点连接中心节点（交换机）	易管理、扩展方便	中心节点单点故障导致全网瘫痪	企业办公网络
树状	分层级联（核心-汇聚-接入）	成本低、支持大规模扩展	非叶节点故障影响子网	园区网络、数据中心
总线	节点共享一条传输介质	布线简单、成本低	总线故障全网瘫痪、负载能力低	早期局域网（已淘汰）
环形	节点首尾相连成环	无信道冲突、结构稳定	单点故障导致瘫痪、扩展困难	令牌环网络（特定场景）
网状	任意节点间直连	高可靠性（无单点故障）	布线复杂、成本高、控制逻辑复杂	军事/金融核心网络

考点提示：

• 星状/树状占实际应用90%以上（成本与扩展性平衡）。
• 网状拓扑需权衡可靠性需求与实施成本。

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二、以太网（Ethernet）核心技术

1. 帧结构（IEEE 802.3标准）

• 以太帧格式：

  [目标MAC(6B) | 源MAC(6B) | 长度/类型(2B) | 数据/填充(46-1500B) | 帧校验(4B)]
  

  • 关键字段解析：
    • 长度/类型字段：
      • 值 ≤1500：表示数据长度（需填充至46字节）。
      • 值 >1500：标识上层协议类型（如IPv4=0x0800，IPv6=0x86DD）。
    • 数据填充：不足46字节时补0，确保最小帧长64字节。
    • FCS校验：CRC校验，检测传输错误。

2. 核心机制

• 最小帧长（64字节）：
  • 目的：确保发送节点在传输结束前检测冲突（冲突窗口=51.2μs）。
  • 原理：传播延迟 ≤ 帧传输时间（64B@10Mb/s=51.2μs）。
• 流量控制：
  • 半双工模式：通过模拟碰撞（Back-Pressure）强制降速。
  • 全双工模式：发送PAUSE控制帧（IEEE 802.3x）暂停数据发送。
  • 高级策略：交换机采用定向阻塞（仅限制拥塞端口的输入源）。

考点提示：

• 最小帧长与冲突检测的关系是高频考点。
• Length/Type字段双重含义需结合数值边界（1500）理解。

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三、重点考点与典型考题

1. 高频考点

• 拓扑故障影响：
  • 星状：中心节点故障 → 全网瘫痪。
  • 环形：单节点故障 → 需专用协议（如RPR）恢复。
  • 树状：非叶节点故障 → 子网隔离。
• 以太帧交互逻辑：
  • Length/Type >1500时，MAC层直接提交数据至上层协议（无需分帧）。
• 流量控制实践：
  • 全双工交换机优先使用PAUSE帧，避免全网性能波动。

2. 典型考题

题目1：为什么以太网最小帧长为64字节？
答案：确保发送方能在传输结束前检测到冲突（传播延迟≤51.2μs）。

题目2：若以太帧的Length/Type字段值为0x0800，其含义是什么？
答案：标识上层协议为IPv4（因0x0800>1500）。

题目3：全双工交换机检测到端口拥塞时如何通知源节点？
答案：发送64字节的PAUSE MAC控制帧，请求暂停发送指定时间。

题目4：比较星状与网状拓扑的可靠性差异。
答案：星状存在中心节点单点故障风险；网状无单点故障，但成本高且控制复杂。

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四、知识总结思维导图

五、学习建议

1. 实践结合理论：
   • 使用Wireshark抓包分析以太帧字段（重点关注Length/Type值变化）。
   • 模拟不同拓扑故障场景（如星状中心交换机断电）。
2. 记忆技巧：
   • 拓扑可靠性口诀：“星心脆，树枝断，全网连通最保险”。
   • 最小帧长关联公式：最小帧长 = 带宽 × 冲突窗口（10Mb/s × 51.2μs = 64B）。
3. 考试聚焦：
   • 拓扑选择场景题（如企业办公网络→星状/树状）。
   • 以太帧字段功能辨析（Length/Type双重含义）。
   • 冲突检测与流量控制机制对比。