计算机网络——数据链路层简解

1. 前言：

数据链路层，即在物理层之上网络层之下，数据链路层的数据交互可以通过mac来确实身份和发送数据。

说到数据链路层这里简单介绍下设备：

网桥（Bridge）：网桥是一种数据链路层设备，用于连接两个或多个局域网，并根据目的地址在它们之间转发数据帧。网桥通过学习源地址和目的地址的对应关系，构建一个地址表，以决定是否转发数据帧。现代网络中，通常使用交换机代替网桥。

交换机（Switch）：交换机是一种高级形式的网桥，它可以连接多个设备，并根据目的MAC地址在它们之间转发数据帧。交换机通常具有更多的端口和更高的性能，可以提供更快的数据传输速度。

网卡（Network Interface Card，NIC）：网卡是连接设备到网络的硬件接口，位于计算机或其他设备的数据链路层。它负责将计算机内部数据封装成数据帧，并发送到网络上，同时负责接收和解析从网络上接收到的数据帧。

集线器（Hub）：集线器是一种被广泛用于早期以太网的设备，它将所有连接到它的设备视为一个共享的冲突域。当一个设备发送数据时，所有其他设备都会收到，这可能导致网络冲突。由于其共享特性和较低的性能，集线器逐渐被交换机所替代。

😄 数据链路层的组网设备现在几乎只有交换机（高级网桥）一种了，而普通网桥，集线器几乎已经是被淘汰的处境了。

😄现如今，二层的所有重要功能几乎都是靠着交换机实现的，要了解数据链路层就从交换机开始了解吧。

2. 交换机

2.1. 交换机的核心功能：

交换机能够根据目的MAC地址快速、精确地将数据帧从一个端口转发到另一个端口。提高了网络性能。

❓为什么要有这个功能?

集线器会将数据广播到所有端口，这样信道利用率极低，通常不超过30%

❓如何实现的?

mac地址是一个用于在网络上唯一标识网络适配器（网卡）的地址。每个网络适配器都有一个独特的 MAC 地址，通常由48位二进制数字组成，以六组十六进制数表示
交换机通过mac学习存储mac表，精准记录某某mac在哪个端口上的。

这里简单实验交换机的mac学习功能（使用华为ensp模拟）：

网络扑朔如上图所示（ip分别为192.168.1.1/24,192.168.1.2/24）
查看交换机mac表

powershell 复制代码

display mac-address

pc1发送ping命令到pc2

powershell 复制代码

ping 192.168.1.2

检查mac表

可以看到pc1在ping pc2的过程中记录了两台设备的mac，这里简单介绍，可以了解到交换机可以在通信中获取设备mac。这就是交换机能精准发送消息的关键。

2.2. 交换机的数据处理：

泛洪（Flood）：当交换机收到一个数据帧，且不知道目标设备的位置时，它会采用泛洪机制。交换机将数据帧发送到所有的端口，除了接收到数据帧的那个端口。这样做的目的是确保数据帧能够到达目标设备，同时学习目标设备的位置。
转发（Forwarding）：一旦交换机学习到了目标设备的位置（MAC地址与端口的对应关系），以后相同目标的数据帧就会被直接转发到目标设备所在的端口，而不再采用泛洪的方式。这提高了网络的效率和带宽利用率。
丢弃（Discard）：当交换机接收到的数据帧的目标MAC地址不在它的地址表中时，而且也无法进行泛洪，那么交换机就会选择丢弃这个数据帧。这种情况可能发生在学习到的地址表中没有目标地址，同时也无法进行泛洪的情况下。

2.3. 虚拟局域网VLAN：

Vlan是大部分交换机的具备的功能，可以使用认为的把局域网隔离开，每个 VLAN 表现为一个独立的广播域 。

2.4. 交换机端口类型：

Access接口：交换机上常用来连接用户PC、服务器等终端设备的接口。Access接口所连接的这些设备的网卡往往只收发无标记帧。Access接口只能加入一个VLAN。
Trunk接口：Trunk接口允许多个VLAN的数据帧通过，这些数据帧通过802.1Q Tag实现区分。Trunk接口常用于交换机之间的互联，也用于连接路由器、防火墙等设备的子接口。
Hybrid接口:Hybrid接口与Trunk接口类似，也允许多个VLAN的数据帧通过，这些数据帧通过802.1Q Tag实现区分。用户可以灵活指定Hybrid接口在发送某个（或某些）VLAN的数据帧时是否携带Tag。

2.5.Stp防环协议：

在了解这个之前，我们先了解一下网络环路的危害。

广播风暴（Broadcast Storm）：

定义：广播风暴是指网络中的广播消息在短时间内迅速传播，导致网络中的设备都收到大量的广播流量。原因：

通常是由于网络中某个设备发生故障或配置错误，导致持续产生大量广播消息。这可能是因为设备出现循环冗余（broadcast

loop）或因其他原因导致广播消息无法停止。影响：

广播风暴会占用网络带宽，导致其他正常通信的数据包无法正常传输，最终可能使整个网络变得非常缓慢或不可用

简单总结是：环路造成广播信息无限转发，到达一个数据链路无法接受的量级，导致网络瘫痪。

那么答案就呼之欲出了，stp协议就是通过交换机的功能设计，有交换机自动处理环路的算法。

stp过程简析：