计算机网络-数据链路层

目录

1 核心功能

成帧（Frame）

字符填充法：

比特填充法 (Bit Stuffing)

差错控制

差错检测 - 如何发现错误

1. 奇偶校验

2. 校验和 - TCP/IP 在用

3. 循环冗余码 - 数据链路层在用

差错纠正 - 怎么办

1. 自动重传请求 (ARQ - Automatic Repeat reQuest)

2. 前向纠错 (FEC - Forward Error Correction)

流量控制（与传输层流量控制的区别）

详细举例

场景 1：数据链路层 (L2) 流量控制

场景 2：传输层 (L4) 流量控制

2 介质访问控制 (MAC)

信道划分（FDM, TDM, WDM, CDM）- 静态划分

随机访问协议

1. ALOHA 协议（“莽夫”阶段）

2. CSMA 协议（“文明人”阶段）

3. CSMA/CD（以太网的“交通规则”）

4. CSMA/CA（Wi-Fi 的“交通规则”）

3 局域网

以太网 (Ethernet) 与 IEEE 802.3

MAC 地址 (物理地址)

MAC 帧格式（以太网 II 型）

4 数据链路层设备

网桥（Bridge）

交换机（Switch）

交换机的工作原理（自学习、转发/过滤、消除回路）

1. 自学习

2. 转发/过滤

3. 消除回路

5 协议

ARP (Address Resolution Protocol) （地址解析协议）

RARP（逆地址解析协议）

PPP (Point-to-Point Protocol) - 点对点协议

6 VLAN（虚拟局域网）

一、 为什么要用 VLAN？（解决的问题）

场景：一个没有VLAN的“扁平”网络

二、 VLAN 是什么？（解决方案）

VLAN 带来的好处：

三、 VLAN 是如何工作的？（技术实现）

1. Access Port (接入端口)

2. Trunk Port (中继端口)

四、 VLAN 间的通信（如何“穿墙”？）

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1 核心功能

成帧（Frame）

什么是成帧？

成帧是数据链路层最基本的功能。物理层（第 1 层）只关心传输原始的 010101... 比特流，它并不知道这些比特流的“意义”，也不知道“一段话”从哪里开始，到哪里结束。

成帧就是在来自网络层的数据包（IP Packet）前后添加“帧头 (Header)”和“帧尾 (Trailer)”，将其“包装”成一个帧的过程。

为什么需要成帧？

• 标记起止： 帧头和帧尾就像一句话的“开始符”和“句号”**。它告诉接收方：“嘿，一个数据包从这里开始”，以及“到这里结束了”。
• 承载控制信息： 它提供了一个“信封”，可以在上面写明“收件人地址”、“发件人地址”以及“邮票”（差错校验码）。

为了提高帧的传输效率，应当使帧的数据部分长度尽可能地大于首部和尾部的长度。但是，每一种链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限——最大传送单元MTU (Maximum Transfer Unit)。下图给出了帧的首部和尾部的位置，以及帧的数据部分与MTU的关系。

字符填充法：

定义两个特殊的控制字符（字节），一个叫 SOH (Start of Header) 作为帧开始符，一个叫 EOT (End of Transmission) 作为帧结束符。

示例：SOH [ 帧头...数据...帧尾 ] EOT

遇到的问题： 如果我的数据（Payload）本身（比如一个文本文件）也包含了 EOT 这个字节怎么办？接收方会误以为帧提前结束了。

解决方案（“填充”）：

1. 1. 再定义一个“转义字符” ESC。
   2. 发送方： 扫描数据。如果数据中出现了 SOH 或 EOT，就在它前面插入一个 ESC 字符。如果数据中出现了 ESC，那就在它前面也插入一个 ESC。
   3. 接收方： 扫描数据。如果发现 ESC 后面跟着 SOH 或 EOT 或 ESC，就把前面的 ESC 删除，只保留后面的数据。如果发现一个单独的 EOT，就知道这是真正的帧结尾。

• • 现状： 在一些面向字符的异步通信（如 PPP 协议）中使用。

比特填充法 (Bit Stuffing)

这是最常用、最重要的一种方法，用于像以太网、HDLC、SDLC 这样的协议。

• 方法： 不使用特殊字节，而是使用一个特殊的比特模式作为帧的开始和结束标志。这个标志通常是 01111110 (一个 0，跟着六个 1，再一个 0)。
• 示例：01111110 [ 帧头...数据...帧尾 ] 01111110
• 遇到的问题： 如果我的数据本身包含了 01111110 怎么办？
• 解决方案（“0比特填充”）：

1. 1. 发送方： 扫描数据（不包括标志位）。只要连续检测到 5 个 1，就立即在后面强制插入（Stuffing）一个 0。
   2. 接收方： 扫描数据。只要连续检测到 5 个 1：

• • • 如果第 6 个比特是 0：就知道这个 0 是被发送方填充进去的，直接把它删除，还原原始数据。
    • 如果第 6 个比特是 1：就去看第 7 个比特。

• • • • 如果是 0（凑成了 01111110），就知道这是真正的帧结束标志。
      • 如果是 1M（凑成了 01111111），这通常是一个错误/中止信号。

• 优点： 这种方法保证了在数据中永远不会出现 01111110 这个模式，因此该模式可以被唯一地用作帧的边界，非常高效和健壮。

差错控制

发现并处理”数据在传输过程中（从发送方到接收方）因为物理干扰（如电磁噪声、信号衰减）而发生的错误（比如 0 变成了 1）。

差错控制通常在数据链路层和传输层都会实现，但它们的侧重点和方法有所不同。

差错控制主要包含两大块内容：

1. 差错检测 (Error Detection)： 如何发现数据出错了？（这是基础）
2. 差错纠正 (Error Correction)： 发现了错误后，怎么办？

差错检测 - 如何发现错误

这是最常用也是最基础的技术。发送方会根据要发送的数据，计算出一个简短的“校验码 (Checksum)”，并将其附加到数据后面一起发送。接收方收到数据后，用相同的方法重新计算，并对比校验码是否一致。

1. 奇偶校验

• 原理： 约定好，在发送的数据（一组比特）后面附加 1 位“校验位”，使得这一整串比特中 1 的个数要么总是奇数（奇校验），要么总是偶数（偶校验）。
• 举例（偶校验）：

• • 要发送数据 1010001 (有 3 个 1)。
  • 为了使 1 的总数是偶数，必须在后面添加一个 1。
  • 最终发送 10100011。
  • 接收方收到后，数一下 1 的个数。如果是偶数，就认为没错；如果是奇数，就知道出错了。

• 缺点：太弱了。如果同时有 2 个比特出错了（比如一个 0 变 1，一个 1 变 0），1 的总数还是偶数，它就检测不出来了。它只能检测出奇数个比特的错误。

2. 校验和 - TCP/IP 在用

• 原理： 这是奇偶校验的升级版。它将数据分割成若干个固定长度的小块（比如 16 比特），然后将这些小块相加，最后对这个“总和 (Sum)”取反码，得到的就是“校验和”。
• 应用：传输层的 TCP、UDP 和 网络层的 IP 协议头部校验，用的都是这种方法。
• 优点： 比奇偶校验强得多，实现简单（用加法）。
• 缺点： 依然有一定概率漏掉某些类型的错误（比如两个块中对应的位互换了）。

3. 循环冗余码 - 数据链路层在用

这是目前数据链路层（L2）使用最广泛、最强大的检错技术。

• 原理： 它不再使用加法，而是使用一种“模 2 除法”（本质是异或 XOR 运算）。

1. 1. 约定： 发送方和接收方事先约定一个“生成多项式”，它对应一个二进制数（比如 1011）。
   2. 发送方：

• • • 在要发送的数据 D 后面补上 k 个 0（k 是生成多项式的位数减 1）。
    • 用这个新数据（D...000）模 2 除以约定的“生成多项式”。
    • 得到的“余数”（这个余数一定是 k 位）就是 CRC 校验码。
    • 发送方将这个“余数”替换掉数据末尾的 k 个 0，然后发送出去。

1. 1. 接收方：

• • • 收到完整的数据（数据 + CRC 余数）后。
    • 用它模 2 除以同一个“生成多项式”。

1. 1. 判断：

• • • 如果余数为 0：恭喜，数据没有出错。
    • 如果余数不为 0：数据在传输中一定出错了。

• 优点：检错能力极强。它能 100% 检测出所有奇数个比特错误、所有双比特错误以及（只要生成多项式选得好）绝大多数的突发错误。
• 应用：以太网 (Ethernet) 帧尾的 FCS (帧校验序列)、Wi-Fi、SATA、PCIe 等，几乎所有 L2 协议都在用 CRC。
• 举例：

• • 要发送的数据 (D): 11010 (5个比特)，约定的生成多项式 (G):1011 (4个比特)
  • 第 1 步：确定 k 值并补 0

• • • 生成多项式 G 的长度是 4 位。k = G 的长度 - 1 = 4 - 1 = 3。
    • 因此，我们要在数据 D 的末尾补 k 个（即 3 个）0。补 0 后的数据为：11010000

• • 执行“模 2 除法”

• • • 计算 11010000 % 1011， 计算得到的余数是 011。 这个 011 (k=3 位) 就是我们要求的 CRC 校验码，也叫 FCS (帧校验序列)
    • 发送方将数据末尾的 k 个 0 替换成这个余数 011。 最终发送的数据帧 (T):11010011

• • 接收方的校验过程，接收方用收到的完整数据 11010011，除以同一个生成多项式 1011。 最终余数为 000， 数据没有出错，接收此数据。 假设数据在传输时，第 3 位发生了错误（0 变成了 1），接收方收到的错误数据是：11110011，最终余数为 110（不为 0）。接收方将丢弃这个数据帧。

差错纠正 - 怎么办

当接收方检测到错误后，有两种处理策略：

1. 自动重传请求 (ARQ - Automatic Repeat reQuest)

这是最常见的策略，也称为“向后纠错”。

• 原理： 接收方只检测错误，不试图纠正错误。
• 流程：

1. 1. 接收方通过 CRC/Checksum 发现数据包（帧）N 出错了。
   2. 接收方直接丢弃这个错误的数据包。
   3. 接收方不发送对 N 的“确认”(ACK)。
   4. 发送方在等待一段时间后，发现没有收到对 N 的 ACK（即超时 Timeout），就自动重新发送数据包 N。

• 举例：

• • TCP (传输层)： TCP 就是一个典型的 ARQ 系统。它使用 Checksum 检错，使用 Seq/Ack 号和超时重传来纠错。
  • Wi-Fi (数据链路层)： Wi-Fi 的 L2 也实现了 ARQ (称为 Stop-and-Wait ARQ)。因为无线信道太容易出错了，如果等 L4 的 TCP 来重传，效率太低。

2. 前向纠错 (FEC - Forward Error Correction)

这种策略更高级，它允许接收方直接纠正错误，而不需要发送方重传。

• 原理： 发送方在发送原始数据 D 时，会额外计算并附加一些冗余的“纠错码”。
• 类比：

• • 简单重复： 你想发送 1，但怕出错，于是你发送 111。

• • • 接收方收到 110 -> 它猜测大多数是对的，纠正为 1。
    • 接收方收到 010 -> 它猜测……失败了。

• • 高级冗余（海明码 Hamming Code）：

• • • 这是一种精妙的编码方式，它通过在数据的特定位置插入“校验位”，使得当某 1 个比特出错时，校验位的值组合会“指向”出错比特的位置。
    • 接收方通过计算校验位，就能定位并翻转（纠正）那个出错的比特。

• 优点：实时性高。非常适合那些对延迟极其敏感（如实时音视频、卫星通信），或者无法重传（如深空探测器）的场景。
• 缺点：开销大。需要发送大量额外的冗余数据（纠错码），占用了带宽。
• 应用： 5G 通信、卫星通信、DVD/CD 刻录（光盘有划痕也能读）、QR 二维码（遮挡一部分也能扫）。

流量控制（与传输层流量控制的区别）

流量控制的目的是相同的：防止发送方发送数据过快，导致接收方来不及处理而“淹没”接收方。

但数据链路层（L2）和传输层（L4）的流量控制，在控制范围和实现机制上有着本质的区别。

核心区别

1. 控制范围不同：

• 数据链路层（L2）： 是节点到节点（Node-to-Node）或称“逐跳”（Hop-by-Hop）的控制。
• 传输层（L4）： 是端到端（End-to-End）的控制。

1. 控制对象不同：

• L2：控制的是两个直接相连的设备（如 电脑<->交换机，或 交换机<->路由器）之间的数据流。
• L4：控制的是最初的发送主机（如你的电脑）和最终的接收主机（如谷歌服务器）之间的数据流。

1. 目的不同：

• L2：旨在防止中间设备（如交换机）的硬件缓存溢出。
• L4：旨在防止最终接收主机（如服务器）的应用程序接收缓冲区溢出。

1. 实现机制不同：

• L2：在以太网中依赖 PAUSE 帧（802.3x）；在 Wi-Fi 中依赖基于 ACK 的信道访问机制。
• L4：TCP 协议使用滑动窗口机制，通过 ACK 报文中携带的“接收窗口大小 (rwnd)”字段来动态告知发送方自己还能接收多少数据。

详细举例

假设你的电脑（A）要给谷歌服务器（Z）发送大量数据。路径如下：

你(A) <--> 路由器R1 <--> 骨干网R2 <--> 谷歌服务器(Z)

场景 1：数据链路层 (L2) 流量控制

• 发生地点：A 和 R1 之间。
• 触发条件： 你（A）的网卡是万兆网卡，但你的家庭路由器 R1 是个千兆老设备，处理能力较差。你（A）向 R1 发送数据帧（Frame）的速度太快了。
• 发生过程：

1. 1. R1 的硬件接收缓存即将被填满。
   2. R1（作为接收方）立刻向 A（作为发送方）发送一个特殊的以太网帧，称为 PAUSE 帧。
   3. 你（A）的网卡收到 PAUSE 帧后，会立即暂停发送所有数据帧一小段时间（比如几毫秒）。

• 关键点：

• • 这是一次本地对话。R2 和谷歌服务器 Z完全不知道A 和 R1 之间发生了这次“暂停”。
  • 它控制的是物理链路上的数据流。
  • （注：现代有线以太网在家庭/办公环境中很少开启 L2 流量控制，因为 TCP (L4) 的控制更精细。但在数据中心等高性能环境中，它仍然很重要。）

场景 2：传输层 (L4) 流量控制

• 发生地点：A 和 Z 之间。
• 触发条件： 你（A）的发送程序（比如百度网盘）疯狂发送数据，但谷歌服务器 Z 上的接收应用程序（比如 Web 服务器）因为 CPU 繁忙、在写磁盘等原因，来不及从系统缓冲区中读取数据。
• 发生过程：

1. 1. 数据包（TCP Segment）到达 Z 的操作系统，被放入 TCP 接收缓冲区。
   2. Z 上的应用程序处理缓慢，导致这个缓冲区即将被填满。
   3. Z 的 TCP 协议栈在回复 ACK 确认包时，会更新其头部的 Window Size (rwnd) 字段，比如设置为 0 (称为“零窗口”)。
   4. 这个 ACK 包跨越 R2 和 R1，原路返回到你（A）的电脑。
   5. 你（A）的操作系统（TCP 协议栈）收到这个 rwnd=0 的 ACK 后，理解了：“对方缓冲区满了”。
   6. 操作系统会立即停止发送新的数据（但会定期发送“零窗口探测”包，询问对方是否空闲了）。

• 关键点：

• • 这是一次端到端的对话。中间的 R1 和 R2 只是透传了这个 ACK 包，它们不关心rwnd 的值是多少。
  • 它控制的是逻辑连接上的数据流。

2 介质访问控制 (MAC)

信道划分（FDM, TDM, WDM, CDM）- 静态划分

预先就把整条马路（信道资源）强行分割成多个互不干扰的子车道（子信道），分配给每个用户。

• 优点： 一旦分配，用户就独占自己的子车道，绝不会发生冲突。
• 缺点：资源浪费。如果你被分配了车道，但你没有数据要发（比如在看网页发呆），你的车道就空着，别人再忙也不能用。

1. FDM (Frequency Division Multiplexing) - 频分多路复用

• • 原理： 按频率划分。
  • 类比：收音机。整片空域（介质）被划分为 FM 91.5, FM 101.7 等不同频段（子信道）。每个电台（用户）使用自己的频段广播，互不干扰。
  • 应用： 早期电话干线、有线电视 (CATV)。

1. TDM (Time Division Multiplexing) - 时分多路复用

• • 原理： 按时间划分。
  • 类比：轮流发言。信道被划分为一个个“时间片”（Time Slot）。比如 1 秒钟：

• • • 0.0 - 0.2 秒：用户 A 发言
    • 0.2 - 0.4 秒：用户 B 发言
    • 0.4 - 0.6 秒：用户 C 发言
    • ...如此循环。

• • 应用： 传统数字电话（PCM）、2G 移动通信（GSM）。

1. WDM (Wavelength Division Multiplexing) - 波分多路复用

• • 原理： 这是光纤专用的 FDM。
  • 类比： 在一根光纤里，同时传输不同颜色（波长） 的光信号。每种颜色的光都是一个独立的子信道。
  • 应用：光纤骨干网（这是实现超高带宽的基石）。

1. CDM (Code Division Multiplexing) - 码分多路复用

• • 原理： 最高级的一种。所有用户在同一时间、同一频率上发送数据，但每个用户使用一个唯一的“密码本”（正交码片序列） 来对数据进行编码。
  • 类比：在一个嘈杂的鸡尾酒会里，有很多人在同时说话（共享信道）。但你只懂中文（你的“密码本”），所以你只能听懂那个也在说中文的人（目标用户）在说什么，而其他所有语言（英语、法语）对你来说都是背景噪音（被过滤掉）。
  • 应用：3G/4G 移动通信、GPS。

随机访问协议

这是以太网（Ethernet）和 Wi-Fi 的核心思想。它不预先划分资源，而是采用**“先到先得、发生冲突再解决”**的策略。

• 优点：资源利用率高。谁有数据，谁就尝试使用全部信道。
• 缺点：必须有一套机制来处理“冲突”。

1. ALOHA 协议（“莽夫”阶段）

这是最古老的随机访问协议，思想非常简单。

• 纯 ALOHA (Pure ALOHA)

• • 规则：“想发就发”。
  • 流程： 1. 发送数据 -> 2. 如果没收到确认（说明冲突了） -> 3. 等待一个随机时间 -> 4. 回到第 1 步。
  • 缺点： 极其容易冲突，信道利用率极低（理论最高 18.4%）。

• 时隙 ALOHA (Slotted ALOHA)

• • 规则： 对纯 ALOHA 的一个改进。把时间划分为“时隙”（Slot）。
  • 流程： 1. 必须等到下一个时隙的开头才能发送 -> 2. 后续同上。
  • 优点： 避免了“帧中间”的冲突，只会在“时隙开头”冲突。信道利用率翻倍（理论最高 36.8%）。

2. CSMA 协议（“文明人”阶段）

ALOHA 太“莽”了，CSMA（载波侦听多路访问）引入了一个关键思想：“Listen Before Talk”（先听后说）。

• CS (Carrier Sense)：载波侦听。在发送数据前，先监听一下信道（马路）上有没有人（信号）？
• MA (Multiple Access)：多路访问。这条马路是大家共享的。

根据“监听到信道忙碌时”该怎么办，CSMA 分为三种：

• 1-坚持 (1-Persistent) CSMA

• • 规则： 1. 监听。 2. 如果空闲，立即（100% 概率）发送。 3. 如果忙碌，持续监听，一旦变为空闲，立即发送。
  • 缺点：贪婪。如果 A 和 B 都在等 C 发完，C 一停，A 和 B 会立即同时发送，导致 100% 冲突。

• 非坚持 (Non-Persistent) CSMA

• • 规则： 1. 监听。 2. 如果空闲，立即发送。 3. 如果忙碌，放弃监听，等待一个随机时间后，回头执行第 1 步。
  • 优点： 没那么贪婪，冲突概率降低。
  • 缺点：效率低。在“随机等待”的这段时间里，信道可能已经空闲了，造成资源浪费。

• p-坚持 (p-Persistent) CSMA

• • 规则： （这是对 1-坚持的改进，用于时隙信道）

1. 1. 1. 监听。 2. 如果空闲，以 概率 p 发送；以 概率 1-p 延迟到下一个时隙再监听。 3. 如果忙碌，持续监听，一旦空闲，执行第 2 步。

• • 优点：折中方案。通过概率 p 来平衡贪婪和效率。

3. CSMA/CD（以太网的“交通规则”）

CSMA 解决了“发送前”的问题，但没解决“发送中”的问题：万一 A 和 B 同时监听到空闲，同时决定发送，怎么办？

CSMA/CD（碰撞检测）解决了这个问题。

• CD (Collision Detection)：“边说边听”（Listen While Talk）。
• 适用：有线以太网 (Ethernet)。（特别是早期使用集线器 Hub 的网络）
• 完整流程（经典面试题）：

1. 1. 先听 (CS)： 监听到信道空闲。
   2. 开说 (Send)： 开始发送数据帧。
   3. 边说边听 (CD)： 在发送数据的同时，持续监听信道。

• • • 如果没监听到异常（回来的信号和发出去的一样）：说明没冲突，发送成功。
    • 如果监听到异常（回来的信号和发出去的不一样）：说明发生冲突！

1. 1. 冲突处理：

• • • a. 立即停止发送数据。
    • b. 发送“冲突信号” (Jam Signal)： 立即向信道发送一段“堵塞信号”，确保局域网内所有设备都知道“刚起冲突了！”
    • c. 随机退避 (Backoff)： 采用**“二进制指数退避算法”。

• • • • 第 1 次冲突：在 0 和 1 之间随机选个时间等待。
      • 第 2 次冲突：在 0, 1, 2, 3 之间随机选个时间等待。
      • 第 N 次冲突：在 0 到 2^n-1 之间随机选个时间等待（有上限）。

• • • d. 重试： 等待结束后，返回第 1 步。

• 注意： 现代的交换式以太网（Switched Ethernet）中，如果使用全双工 (Full-duplex) 模式（即网线同时可收可发），已经不再需要 CSMA/CD 了，因为交换机确保了点对点的连接，根本不会发生冲突。

4. CSMA/CA（Wi-Fi 的“交通规则”）

在无线 (Wi-Fi) 环境下，CSMA/CD 失效了。

• 为什么失效？

1. 1. 无法“边说边听”： 无线信号是向四面八方传播的。发送时，自己的信号功率太强，会彻底“淹没”掉（听不到）别人微弱的信号。
   2. “隐蔽站”问题 (Hidden Station)：

• • • A 和 C 都在 AP (B) 的覆盖范围内。
    • A 和 C 互相听不见对方（因为距离太远或有障碍物）。
    • A 监听信道，空闲（听不到 C），开始发送。
    • C 监听信道，空闲（听不到 A），也开始发送。
    • A 和 C 的信号在 AP (B) 那里发生冲突，但 A 和 C 自己却不知道。

因此，Wi-Fi 采用了 CSMA/CA（碰撞避免）。

• CA (Collision Avoidance)： 核心思想是“我不是去检测冲突，我是要尽一切努力去 避免 冲突”。
• 主要机制：

1. 1. 先听 (CS)： 监听到信道空闲。
   2. 随机等待 (关键)： 即使信道空闲，也不能马上发。必须再等待一个随机的“退避时间”（DIFS, EIFS）。如果等待期间监听到别人开始发了，就冻结自己的计时器，等别人发完再说。
   3. RTS/CTS (可选)：

• • • 在发送大数据帧之前，先发送一个极短的 RTS (Request to Send) 帧：“（AP），我想发个包，可以吗？”
    • AP (Access Point) 收到后，会广播一个极短的 CTS (Clear to Send) 帧：“（所有人），都闭嘴，A 要发包了！”
    • 作用： 那个“隐蔽站”C 虽然听不到 A 的 RTS，但它能听到 AP 的 CTS，于是 C 就会保持安静，从而避免了冲突。

1. 1. ACK (必须)：

• • • 由于无线信道极其不可靠（干扰多），每一个数据帧在被正确接收后，接收方都必须回复一个 ACK 确认帧。
    • 如果发送方在规定时间内没收到 ACK，它就认为数据丢失了（可能被干扰，也可能是冲突了），立即重传。

3 局域网

局域网（LAN）是在一个有限地理范围内（如一栋建筑、一个家庭、一个校园）的网络。

而“以太网”就是当今世界用来构建有线局域网的绝对主流技术标准。你家里和办公室里用来插网线的那个系统，就是以太网。

以太网 (Ethernet) 与 IEEE 802.3

1. 什么是以太网？

• • 以太网（Ethernet）是一套技术规范，它定义了如何在局域网（LAN）中构建物理网络、使用什么线缆、如何发送和接收数据帧（Frame）。
  • 它是目前应用最广泛的局域网技术，没有之一。

1. 什么是 IEEE 802.3？

• • IEEE（电气与电子工程师协会）是制定标准的老大。
  • 802 委员会是 IEEE 内部专门负责局域网和城域网标准的。
  • 802.3 就是以太网的正式标准代号。
  • （顺便一提，IEEE 802.11 就是 Wi-Fi 的标准代号）。
  • 所以，以太网 和 IEEE 802.3 基本可以互换使用，后者是前者的“学名”。

1. 以太网的演进：

• • 早期（已淘汰）： 使用总线型拓扑和同轴电缆，所有设备共享一根总线，必须使用 CSMA/CD（碰撞检测） 来“抢”信道。
  • 现代（主流）： 使用星型拓扑和双绞线（网线），所有设备都连接到交换机 (Switch)。交换机的使用使得冲突（Collision） 几乎消失了，因为交换机为每个端口提供了点对点的全双工通信。

MAC 地址 (物理地址)

1. 什么是 MAC 地址？

• MAC 地址（Media Access Control Address，介质访问控制地址）是一个全球唯一的、固化在网络硬件（如网卡 NIC、Wi-Fi 芯片）上的物理地址。
• 类比： 如果说 IP 地址是你的“家庭住址”（可以改变，L3），那么 MAC 地址就是你的“身份证号”（出厂时就定了，L2）。

2. 为什么需要 MAC 地址？

• 在一个局域网（LAN）中，数据帧（Frame）是靠交换机 (Switch) 来转发的。
• 交换机是一个 L2 设备，它只认识 MAC 地址，不认识 IP 地址。
• ARP 协议（用 IP 换 MAC）就是为了让电脑知道“下一跳”（如路由器）的 MAC 地址，这样交换机才能把数据帧正确地转发过去。

3. MAC 地址的格式：

• 长度：48 位 (bits)，通常写作 6 字节 (Bytes)。
• 表示： 通常用 12 个十六进制数表示，中间用冒号（:）或短横线（-）分隔。
• 示例：00:1A:2B:3C:4D:5E 或 00-1A-2B-3C-4D-5E

4. MAC 地址的结构：

这 6 个字节分为两部分：

• 前 3 字节 (24 位)：OUI (Organizationally Unique Identifier)，组织唯一标识符。

• • 这是由 IEEE 分配给硬件制造商（如 Intel, Apple, Cisco, 华为）的。
  • 看到 00:1A:2B 就能查到这是哪家公司生产的网卡。

• 后 3 字节 (24 位)：序列号。

• • 由制造商自行分配，确保其生产的每块网卡都有唯一的后 3 字节。
  • OUI + 序列号 = 全球唯一。

5. 特殊的 MAC 地址：

• 广播地址：FF:FF:FF:FF:FF:FF（全部为 1）。

• • 发送到这个地址的帧，会被局域网内所有设备无条件接收。
  • ARP 请求就是发送到这个广播地址的（“广播放“谁是 192.168.1.1？”）。

MAC 帧格式（以太网 II 型）

这是数据链路层如何“封装” IP 包的“信封”样式。目前 TCP/IP 协议栈主要使用以太网 II 型 (Ethernet II) 帧格式。

一个标准的以太网 II 型帧（Frame）结构如下（不包括物理层的前同步码）：

字段	目的 MAC 地址	源 MAC 地址	类型	数据 (Payload)	FCS (帧校验序列)
长度 (字节)	6 字节	6 字节	2 字节	46 ~ 1500 字节	4 字节

1. 目的 MAC 地址 (Destination MAC)

• 6 字节。接收方（下一跳）的 MAC 地址。
• 如果是 FF:FF:FF:FF:FF:FF，就是广播帧。

2. 源 MAC 地址 (Source MAC)

• 6 字节。发送方的 MAC 地址。

3. 类型 (Type / EtherType)

• 2 字节。这个字段极其重要！
• 它用来标识这个帧的“数据 (Payload)”部分装的是哪一种上层（网络层）的协议包。
• 接收方的数据链路层（L2）就是靠这个字段，来决定把“拆开”的数据包交给谁（L3 的哪个协议）去处理。
• 常见值：

• • 0x0800：数据是 IPv4 包。
  • 0x0806：数据是 ARP 请求/响应包。
  • 0x86DD：数据是 IPv6 包。

4. 数据 (Payload)

• 这是帧的核心内容，也就是它所承载的上层数据包（如 IP 包）。
• 长度范围：46 ~ 1500 字节。

• • 最大 1500 字节： 这就是MTU (Maximum Transmission Unit)。一个 IP 包如果大于 1500 字节，就必须在网络层（L3）进行“分片”（Fragmented）。
  • 最小 46 字节： 这是为了配合 CSMA/CD 的最小帧长要求（64 字节）。如果上层（如 IP）传来的数据包太小（比如只有 20 字节），L2 就必须在数据后面填充（Padding） 一些垃圾数据，凑够 46 字节，然后再封装。

5. FCS (Frame Check Sequence) - 帧校验序列

• 4 字节。放在帧尾。
• 它使用 CRC (循环冗余码) 算法，对除 FCS 外的整个帧（从目的 MAC 到数据）进行计算，得出一个校验值。
• 作用：差错检测。接收方收到帧后，用同样的 CRC 算法计算一遍，如果算出的值和 FCS 字段的值不一致，说明数据在传输中出错了，接收方会直接丢弃这个帧（不会通知发送方，依赖 L4 的 TCP 去重传）。

4 数据链路层设备

该层设备工作在数据链路层，看得懂MAC地址，看不懂IP地址。核心功能是根据MAC地址，智能地转发数据帧，以隔离冲突域。

网桥（Bridge）

• 是什么？ 网桥是“交换机”的前身，你可以把它理解为一个“只有两个端口的、比较慢的”交换机。
• 历史背景： 在早期（比如总线型网络），一个局ARPA网（LAN）就是一个巨大的冲突域（所有人抢一根线）。
• 功能： 网桥被发明出来，用于连接两个物理上独立的局域网段（Segments），并过滤它们之间的流量。
• 工作原理：

1. 1. 网桥有两个端口，Port A 和 Port B，分别连接两个网段。
   2. 它会监听两个网段的流量，学习每个网段上有哪些 MAC 地址，并建立一个 MAC 地址表。
   3. 决策（过滤）： 当一个数据帧从 Port A 进来：

• • • 网桥检查目的 MAC 地址。
    • 如果在 MAC 表中，这个目的地址也位于 Port A，网桥就“过滤”（丢弃）这个帧，不会让它跑到 Port B 去，从而避免了不必要的流量。
    • 如果目的地址在 Port B，网桥就“转发”（Forward）这个帧。

• 缺点： 端口少（通常只有 2-4 个）、主要靠软件转发（慢）、性能低。
• 现状：已被交换机完全取代。

交换机（Switch）

• 是什么？ 交换机（也叫“交换式集线器”）就是“多端口网桥”。
• 功能： 它是现代星型拓扑局域网的核心。它连接局域网内的所有设备（电脑、服务器、路由器、打印机）。 并确保数据（帧） 能够高效、准确地从“发送方”到达“接收方”。
• 与集线器 (Hub, L1) 的天壤之别：
• 集线器 (Hub)： 物理层设备。一个帧从 Port 1 进来，它会无脑地广播给所有其他端口。连接到 Hub 的所有设备共享一个冲突域，效率极低。
• 交换机 (Switch)： 数据链路层设备。一个帧从 Port 1 进来（发给 BBBB），它会精确地只从 Port 5（BBBB 所在的位置）发出去。交换机的每一个端口都是一个独立的冲突域。
• 优点： 极大地减少了网络冲突（在全双工模式下冲突为 0），极大地提高了局域网性能，允许多对设备同时通信。

交换机的工作原理（自学习、转发/过滤、消除回路）

• 交换机之所以智能，全靠它内部的一张动态维护的“MAC 地址表”。它主要依赖以下三个核心动作：

1. 自学习

• 目的： 自动构建和维护 MAC 地址表。
• 原理： 交换机“偷看”所有进入它的数据帧的“源 MAC 地址”。
• 过程：

1. 1. 交换机刚开机时，MAC 地址表是空的。
   2. 主机 A（MAC AAAA）通过 Port 1 发送了一个数据帧（比如一个 ARP 请求）。
   3. 交换机收到这个帧，它立即检查帧的源 MAC 地址（AAAA）和入口端口（Port 1）。
   4. 交换机在 MAC 地址表中创建一条新条目：{ "MAC": "AAAA", "Port": 1 }。
   5. 同理，主机 B（MAC BBBB）通过 Port 2 回复了主机 A。
   6. 交换机收到这个回复，创建新条目：{ "MAC": "BBBB", "Port": 2 }。

• 老化 (Aging)： 这个表项不是永久的。如果交换机在一段时间内（默认 5 分钟）没有再从 Port 1 收到 AAAA 的帧，它会认为主机 A 可能关机或拔线了，就会删除这条表项，以保持表的时效性。

2. 转发/过滤

• 目的： 根据 MAC 地址表，决定数据帧的去向。
• 原理： 交换机检查数据帧的“目的 MAC 地址”。
• 过程：

1. 1. 一个帧从 Port 1 进来，其目的 MAC 是 BBBB。
   2. 交换机查询 MAC 地址表，寻找 BBBB。
   3. 决策（三种情况）：

• • • 情况 A：精确转发

• • • • 交换机在表中找到了！ 表项显示 BBBB 位于 Port 2。
      • 动作：交换机将该帧仅从 Port 2 发送出去。

• • • 情况 B：未知单播（泛洪/广播）

• • • • 交换机在表中找不到BBBB 的记录（可能主机 B 还没发过言）。
      • 动作：交换机没辙，只能将该帧“泛洪”——即广播到除 Port 1（入口）之外的所有其他端口。
      • （局域网内其他主机收到后，发现 MAC 不匹配会丢弃；主机 B 收到后会处理，并且当 B 回复时，交换机就能“自学习”到 B 的位置了。）

• • • 情况 C：过滤

• • • • 交换机在表中找到了！ 但表项显示 BBBB 位于 Port 1。
      • 动作： 交换机知道“发送方和接收方在同一个端口上”（比如连着同一个老式 Hub）。
      • 它会直接丢弃这个帧，因为没必要再把它发回去了。

3. 消除回路

• 问题： 为了提高网络的可靠性，管理员可能会在两台交换机之间连接两条或多条物理线路（冗余备份）。这会形成一个物理环路。
• 环路的灾难：

1. 1. 一个广播帧（如 ARP）进入环路。
   2. 交换机 A 会把这个帧从所有端口（包括两条链路）发给 B。
   3. 交换机 B 收到两份广播帧，它又会把这两份帧从所有端口（包括两条链路）发回给 A。
   4. A 收到四份，再发回给 B……
   5. 这个过程无限循环，帧被指数级放大，在 1 秒钟内就会塞满所有带宽，导致网络瘫痪。这就是“广播风暴”。

• 解决方案：STP (Spanning Tree Protocol) - 生成树协议 (IEEE 802.1D)。
• STP 原理（简化版）：

1. 1. 交换机们开机后，会互相发送一种叫 BPDU 的“配置消息”。
   2. 它们通过“选举”，在全网选出一个“老大”（根桥 Root Bridge）。
   3. 所有其他交换机计算出一条到达“老大”的“最短路径”。
   4. 如果存在多条路径（即环路），STP 会逻辑上“阻塞”那些多余的（非最短） 路径上的端口。
   5. 这个端口的物理线缆还插着，灯也可能亮着，但交换机不允许任何数据帧（BPDU 除外）通过这个端口。
   6. 这样，网络在逻辑上就形成了一个没有环路的“树状结构”。
   7. 容错： 如果“最短路径”上的那根线断了，STP 会在几十秒内检测到，并自动“解封”那个之前被阻塞的备份端口，网络恢复通畅。

5 协议

ARP (Address Resolution Protocol) （地址解析协议）

核心功能： 在同一个局域网内，通过一个已知的 IP 地址，查询（广播）得到该 IP 对应的物理 MAC 地址。

工作流程：

1. 场景： 主机 A (IP: 1.1) 想给主机 B (IP: 1.2) 发数据，但只知道 B 的 IP。
2. 检查缓存： A 先检查自己的“ARP 缓存表”里有没有 1.2 的记录。
3. 广播询问： 缓存中没有。A 向局域网内所有人（广播 MAC: FF:FF:FF:FF:FF:FF）发送一个请求：“你好！请问谁的 IP 是 1.2？请告诉我你的 MAC 地址。”
4. 单播响应 (ARP Response)：

• • 局域网内所有其他主机（C, D...）收到广播，发现 IP 不匹配，丢弃该请求。
  • 主机 B 收到广播，发现 IP 匹配，立即单独（单播）向 A 回复一个响应：“你好 A！我就是 1.2，我的 MAC 地址是 [B的MAC地址]。”

1. 更新缓存： A 收到 B 的响应，将 (1.2 = [B的MAC地址]) 这条记录存入自己的 ARP 缓存表，然后开始发送数据。

• 应用场景：所有基于以太网（和 Wi-Fi）的局域网通信都必须依赖 ARP。它是 IP (L3) 和 MAC (L2) 之间的核心粘合剂。

RARP（逆地址解析协议）

核心功能： （与 ARP 完全相反）一个设备在只知道自己物理 MAC 地址的情况下，广播询问网络，希望有服务器能告诉它“你应该使用哪个 IP 地址”。

工作流程：

1. 场景： 一台没有硬盘的“无盘工作站”开机。
2. 广播询问 (RARP Request)： 该工作站向局域网广播：“你好！我的 MAC 地址是 [我的MAC地址]，谁能给我分配一个 IP 地址？”
3. 单播响应 (RARP Response)： 网络上的 RARP 服务器收到请求后，在自己的配置表里查找这个 MAC，然后回复：“OK，你应该使用 IP 1.2。”

应用场景：

• 已淘汰 (Obsolete)。
• 被谁取代： 被 DHCP (动态主机配置协议) 完美取代。
• 为什么： RARP 只能分配一个 IP。而 DHCP 功能强大得多，它在分配 IP 的同时，还能提供子网掩码、网关地址、DNS 服务器地址等所有上网必需的信息。

PPP (Point-to-Point Protocol) - 点对点协议

核心功能： 在两个设备（“点对点”）之间建立一个专用的、直接的数据链路连接。

关键特性：

1. 身份验证： 这是它与以太网最大的不同。PPP 可以在链路建立时，要求对方提供用户名和密码（使用 PAP 或 CHAP 协议进行验证）。
2. 链路协商 (LCP)： 双方可以协商链路参数，如“最大帧大小 (MRU)”。
3. 网络层协商 (NCP)： 协商如何配置网络层，最常见的就是分配 IP 地址（例如，ISP 的服务器通过 NCP 告诉你的路由器：“认证通过，分配给你这个公网 IP...”）。

应用场景：

• (历史) 电话线拨号上网 (ADSL)： 你家的电脑通过“猫”(Modem) 呼叫 ISP，建立的就是 PPP 连接。
• (现代) PPPoE (PPP over Ethernet)： 你的家庭光纤路由器需要设置宽带账号和密码才能上网。这个过程就是你的路由器（点 A）在以太网上运行 PPP，与 ISP 的服务器（点 B）进行身份验证和 IP 分配。

6 VLAN（虚拟局域网）

VLAN 的核心功能就是：在同一个物理局域网（LAN）内部，通过软件配置，强行划分出多个逻辑上隔离的“虚拟”局域网。

一、 为什么要用 VLAN？（解决的问题）

要理解 VLAN，我们必须先知道没有 VLAN的网络有什么问题。

场景：一个没有VLAN的“扁平”网络

• 物理布局： 假设你有一栋 3 层的办公楼，每层楼都有一台交换机 (Switch)。所有交换机都连在一起。公司有 3 个部门：财务部、技术部、市场部，员工分布在各个楼层。
• 网络状态： 这是一个单一的、巨大的局域网（也是一个广播域）。

(所有交换机互连，PC A/B/C 分别代表不同部门，都插在交换机上)

这会带来三个严重问题：

1. 广播风暴 (Broadcast Storm)：

• • 任何一台电脑（比如财务部的 A）发送一个广播包（如 ARP 请求：“谁是网关？”）。
  • 这个广播包会被所有交换机无条件地泛洪 (Flooding) 到所有端口。
  • 结果：全公司所有电脑（无论你是财务、技术还是市场部）都会收到并处理这个广播。
  • 后果： 电脑数量一多，网络中会充斥着巨量的广播流量，严重消耗网络带宽和 CPU 资源，导致网络卡顿。

1. 网络安全 (Security)：

• • 由于所有人在同一个局域网，技术部员工（B）可以轻易地使用“抓包”工具（如 Wireshark）来嗅探网络流量。
  • 后果： 尽管交换机能阻止单播嗅探，但 B 还是能轻易截获到所有广播流量，甚至能通过“ARP 欺骗”等手段，窃听到财务部 A 的敏感数据。

1. 管理困难 (Management & Flexibility)：

• • 场景： 市场部的一个员工（C），要从 1 楼搬到 2 楼（技术部旁边）的空工位。
  • 后果： 为了让他还能连上市场部的网络（或者出于安全考虑不让他连上技术部的网络），网络管理员必须跑到 2 楼的机柜，重新跳线（把 C 的网线从“技术部交换机”上拔下来，插到“市场部交换机”上，如果有的话）。这非常繁琐。

二、 VLAN 是什么？（解决方案）

VLAN 就是用来解决上述所有问题的。

VLAN 就像是在你那个“大平层”的物理局域网里，建起了“虚拟的、看不见的墙”。

它在交换机内部，通过逻辑配置，把物理端口划分到不同的“组”里。每个组就是一个 VLAN。

• VLAN 10： 命名为“财务部”
• VLAN 20： 命名为“技术部”
• VLAN 30： 命名为“市场部”

(同样的物理布局，但在交换机内部，端口被逻辑划分为 VLAN 10, 20, 30)

VLAN 带来的好处：

1. 隔离广播域 (解决广播风暴)：

• • 现在，财务部（VLAN 10）的 A 发送一个广播包。
  • 交换机只会将这个包转发给其他同属于 VLAN 10 的端口。
  • VLAN 20 和 30 的端口（技术部和市场部）根本看不见这个包。
  • 结果： 广播被“墙”挡住了，被限制在了各自的 VLAN 内部。一个大的广播域被切分成了 3 个小的广播域。

1. 增强安全性 (解决安全问题)：

• • VLAN 之间是默认“老死不相往来”的。
  • 技术部（VLAN 20）的 B，无法直接访问或嗅探到财务部（VLAN 10）的 A。它们在逻辑上根本就不在一个网络里。
  • 这种隔离是在交换机（L2）层面实现的，非常安全。

1. 提高灵活性 (解决管理问题)：

• • 场景： 市场部（VLAN 30）的 C，搬到了 2 楼，物理上插到了 2 楼交换机的 5 号口（这个口原本是 VLAN 20 的）。
  • 管理员操作： 登录 2 楼的交换机，敲一行命令，将 5 号口的配置从 vlan 20 改成 vlan 30。
  • 结果： 电脑 C 立即“穿墙”回到了市场部的虚拟网络中。无需任何物理跳线。

三、 VLAN 是如何工作的？（技术实现）

交换机是如何知道一个数据帧（Frame）是属于哪个 VLAN 的？这需要两种类型的端口：

1. Access Port (接入端口)

• 功能： 用于连接终端设备（如 PC、打印机、服务器）。
• 特点：

• • 一个 Access 口只能属于一个 VLAN（比如，配置为 vlan 10）。
  • 它从 PC 收到的是普通的以太网帧（不带 VLAN 信息）。
  • 当交换机准备将这个帧转发出去时，它会在内部“标记”这个帧属于 vlan 10。
  • 当它向另一个 Access 口（同属 vlan 10）发送时，会移除这个标记，PC 收到的还是普通帧。

• 总结： Access 口是 PC 与 VLAN 之间的“大门”，PC 自己不知道 VLAN 的存在。

2. Trunk Port (中继端口)

• 功能： 用于交换机与交换机之间的连接。
• 特点：

• • 一个 Trunk 口可以承载（Trunk）多个 VLAN 的流量。
  • 问题： 如果 VLAN 10 和 VLAN 20 的帧都从这个口发给对面的交换机，对面的交换机怎么区分哪个是哪个？

• 解决方案：IEEE 802.1Q (VLAN 标签)

• • 当一个帧（来自 VLAN 10）要通过 Trunk 口发送时，交换机 A 会修改这个以太网帧，在“源 MAC”和“类型”字段之间，插入一个 4 字节的“VLAN 标签 (Tag)”。
  • 这个 Tag 里写着：VLAN ID = 10。
  • 交换机 B 收到这个“带标签的帧”，一看 Tag，就知道“哦，这是 VLAN 10 的”，于是它移除 (Untag) 标签，然后只转发给它上面属于 VLAN 10 的 Access 端口。

• 总结： Trunk 口就像是 VLAN 之间的“高速公路”，802.1Q 标签就是给不同 VLAN 车辆贴上的“通行证颜色”。

四、 VLAN 间的通信（如何“穿墙”？）

VLAN 默认是隔离的。那如果财务部（VLAN 10）需要访问技术部（VLAN 20）的某台服务器，怎么办？

• 答案： 靠路由器 (Router) 或 三层交换机 (L3 Switch)。
• 流程（三层路由）：

1. 1. 财务部 A (192.168.10.5) 要访问技术部服务器 B (192.168.20.10)。
   2. A 发现 B 和自己不在同一个网段，于是 A 把数据包发给自己的网关（比如 192.168.10.1）。
   3. 这个“网关”其实就是路由器（或三层交换机） 上为 VLAN 10 创建的一个虚拟接口 (SVI)。
   4. 路由器（L3） 收到了这个包。它同时认识 VLAN 10（财务部）和 VLAN 20（技术部）。
   5. 路由器检查自己的路由表，发现 192.168.20.10 位于 VLAN 20。
   6. 路由器再把这个包转发（路由）到 VLAN 20，最终 B 收到了数据。

• 总结：

• • VLAN 内（同VLAN） 通信，靠交换机（L2）。
  • VLAN 间（跨VLAN） 通信，必须靠路由器（L3）。VLAN 让你能在这个L3设备上设置安全策略（ACL），比如“允许财务部访问技术部，但禁止市场部访问”。