以太网和IEEE802局域网/城域网标准
IEEE802局域网/城域网标准
IEEE 802 是一组由 IEEE（电气与电子工程师协会）定义的局域网和城域网通信标准系列，涵盖了从物理层到链路层的多个网络技术。其中：
- IEEE 802.3 定义的是传统的以太网标准；
- IEEE 802.11 是无线局域网（WLAN）的标准，即 Wi-Fi；
- IEEE 802.1 系列包括网络管理、桥接、VLAN 和链路聚合等技术；
- IEEE 802.2 是逻辑链路控制（LLC）子层的标准，虽然现代以太网大多不再显式使用 LLC；
- IEEE 802.16 定义的是 WiMAX（宽带无线接入）标准。
这些标准共同构成了链路层的通信基础，确保不同设备厂商生产的网络设备可以互操作。
以太网帧格式
以太网帧是在链路层传输数据的基本单元。标准的以太网帧结构如下：
- 目的地址：目标设备的 MAC 地址；
- 源地址：发送方的 MAC 地址；
- 类型字段：指明上层协议，例如 0x0800 表示 IPv4，0x86DD 表示 IPv6；
- 数据：有效载荷，最小46字节，最大1500字节；
- CRC：循环冗余校验，用于检测帧传输中的错误。
如果有效载荷不足 46 字节，需要进行填充以满足最小帧长要求（64 字节总长）。以太网帧通过物理层在网络链路上传输，不同介质（如双绞线、光纤）会影响帧的电气/光信号表现，但帧格式保持一致。
虚拟局域网和QoS标签
虚拟局域网（VLAN） 是通过逻辑划分网络的一种机制，使一个物理局域网可以被划分成多个相互隔离的逻辑网络。VLAN 的主要优势包括广播域隔离、安全性提升和简化网络管理。
在以太网中，VLAN 使用 IEEE 802.1Q 标准实现，通过在原始以太网帧中插入一个 4 字节的 VLAN 标签字段：
- 12 位 VLAN ID（VID）：支持多达 4096 个 VLAN；
- 3 位优先级代码点（PCP）：用于服务质量（QoS）调度；
- 1 位 CFI/DEI：指示是否有丢弃优先级。
QoS 标签（PCP） 可实现不同服务流的优先级调度，常用于音视频流、语音或延迟敏感数据的网络传输中。
802.1Q 框架使得交换机能够根据 VLAN 标签对帧进行分类、转发和过滤，从而支持跨多个交换机的 VLAN 构建。
802.1AX：链路聚合
链路聚合（Link Aggregation） 是一种将多个物理链路捆绑成一个逻辑链路的方法，提供更高的吞吐量和冗余容错能力。
IEEE 802.1AX 标准（前称 802.3ad）定义了链路聚合控制协议（LACP），允许两个设备协商并自动聚合多个物理端口。聚合链路在逻辑上表现为单一的接口，但物理上可由两个、四个、甚至更多的以太网端口组成。
全双工、省电、自动协商和802.1X流量控制
双工不匹配
以太网链路可工作在半双工 或全双工模式：
- 半双工：数据在任一时刻只能单向传输，通常依赖冲突检测（CSMA/CD）。
- 全双工：允许双向同时传输，无需冲突检测机制。
双工不匹配问题发生在一端配置为全双工，而另一端为半双工时，会引发通信性能问题：
- 全双工端不会感知冲突；
- 半双工端在接收数据时无法发送，因此会频繁检测到冲突；
- 结果是吞吐量显著下降，表现为掉包、连接中断等异常。
现代设备通常使用**自动协商（Auto-Negotiation）**来确定最优的传输模式和速率，但静态配置不匹配仍是常见故障根源。
局域网唤醒（WoL）省电和魔术分组
局域网唤醒（Wake-on-LAN, WoL） 是一种远程电源管理技术，允许通过网络唤醒处于待机或休眠状态的计算机。
其关键机制是魔术分组（Magic Packet）：
- 是一种特殊的广播帧，包含目标设备 MAC 地址重复16次；
- 网卡即使在主机休眠时，仍保留部分供电以监听魔术分组；
- 一旦检测到合法的魔术分组，即触发系统唤醒流程。
链路层流量控制
以太网通过IEEE 802.3x 全双工流量控制 机制支持链路层的拥塞调节，实现方式是发送特殊的 PAUSE 帧。
当接收方缓存即将耗尽时，向发送方发出 PAUSE 控制帧，要求对方在指定时间内暂停发送。PAUSE 帧中包含"暂停时间"（单位是 512 比特时间）。机制仅适用于全双工链路。
此机制是一种端对端链路级流控，具有以下特点：
- 不依赖上层协议（如 TCP）；
- 能在数据链路层直接响应拥塞，适用于低延迟、短缓冲的场景（如数据中心）；
- 存在 头阻塞（Head-of-line blocking） 风险，即一个端口堵塞可能影响到与其共享缓冲区的其他端口。
另一个相关机制是 IEEE 802.1Qbb（优先级流控），提供基于 VLAN 优先级的粒度控制，避免广播/关键流因非关键流堵塞。
网桥和交换机
基础概念
网桥（Bridge） 和 交换机（Switch） 在链路层负责以太网帧的转发和隔离。
- 网桥：早期设备，通常连接两个局域网段，依据 MAC 地址表进行帧转发。
- 交换机：多端口的现代网桥，每个端口连接一个网络设备，构成星型拓扑，执行帧的学习和转发功能。
帧学习（Learning）：交换机根据接收到的帧记录其源 MAC 地址和入端口，建立 MAC 地址表（也叫转发表、过滤表）。
帧转发（Forwarding）：
- 如果目的 MAC 地址已知，帧被转发到特定端口；
- 如果未知，执行泛洪（flooding），将帧发送到除接收端口外的所有端口。
隔离冲突域：每个交换端口是独立冲突域，提高网络效率；
支持全双工通信，与集线器（Hub）形成对比。
生成树协议
生成树协议（Spanning Tree Protocol, STP） ，由 IEEE 802.1D 定义，解决网络环路问题：
- 在实际部署中，网络可能存在冗余链路，以提高可靠性；
- 然而，存在环路会导致帧无限循环、广播风暴、MAC 表混乱等问题；
- STP 通过算法禁用部分路径，构建一个无环的生成树拓扑，防止环路。
STP 工作机制简述：
- 根桥选举：所有交换机比对 Bridge ID（优先级 + MAC 地址），选出"根桥"；
- 计算最短路径：各交换机到根桥的最短路径确定主用链路；
- 端口角色分配 ：
- Root Port：每台非根桥与根桥之间的最佳路径端口；
- Designated Port：在网段中承担转发责任的端口；
- Blocked Port：非必要路径上的端口将被阻断，避免环路。
- 维护过程 ：交换机周期性发送 BPDU（Bridge Protocol Data Units） 包，用于保持拓扑结构。
扩展版本：
- RSTP（Rapid STP, IEEE 802.1w）：改进收敛时间，更快切换路径；
- MSTP（Multiple STP, IEEE 802.1s）：支持多个 VLAN 实例共享生成树，节省资源。
传统STP的问题之一是在拓扑变化之后，只能通过一定时间内未接收到BPDU来检测。如果这个超时很大，收敛时间（沿着生成树重新建立数据流的时间）可能比预期大。
RSTP使边缘端口（只连接到端站的端口）和正常的生成树端口之间，以及点到点链路和共享链路之间都有区别。边缘端口和点到点链路上的端口通常不会形成循环，因此允许它们跳过侦听和学习状态，直接进人转发状态。
802.1ak：多注册协议
在 VLAN、组播、服务发现等场景中，交换机需要维护大量的注册状态。传统 GARP（Generic Attribute Registration Protocol）在大规模网络中效率低，缺乏灵活性。
IEEE 802.1ak 定义了 MRP（Multiple Registration Protocol），用于替代传统的 GARP 协议，增强链路层协议的注册管理能力。
在使用MVRP时，当一个站被配置为一个VLAN成员时，该信息被传输到它所连接的交换机，并由该交换机将站加入VLAN通知其他交换机。这允许交换机根据站的VLANID添加自已的过滤表，也允许VLAN拓扑变化不必通过STP而重新计算现有生成树。避免重新计算STP是从GVRP向MVRP迁移的原因之一。
无线局域网 IEEE 802.11 WIFI
无线局域网（WLAN）最常见的标准是 IEEE 802.11，也就是我们熟知的 Wi-Fi。与有线以太网不同，802.11 网络必须应对无线信道的不稳定性、多设备共享信道以及节能需求，因此其链路层机制具有明显不同的特点。
802.11帧
802.11 帧格式比以太网复杂许多，主要原因在于无线环境需要更多控制信息以确保可靠通信。
帧类型分为三类：
- 管理帧（Management）：用于发现、认证、关联接入点（AP），如 Beacon、Probe、Authentication、Association 等；
- 控制帧（Control）：用于数据帧传输辅助控制，如 ACK、RTS（请求发送）、CTS（允许发送）；
- 数据帧（Data）：携带真正的用户数据。
控制帧与帧确认用于流量控制，帮助接收方通知发送方降低速度，并让发送方确认数据已被正确接收。802.11网络支持可选的请求发送/明确发送（RTS/CTS）机制：发送方在发送数据前先发出RTS帧，接收方回复CTS帧后，允许发送方在指定时间窗口内发送数据，从而避免隐藏终端问题。
典型的 802.11 帧包含如下字段：
- 帧控制字段：指示帧类型、子类型、加密、功率管理等状态；
- 地址字段（最多四个）：支持中继、转发等复杂拓扑；
- 序列控制字段：防止重复帧；
- 帧校验序列（FCS）：错误检测；
- 可选字段：如 QoS 控制、HT 控制等，用于高吞吐量或多媒体数据支持。
与以太网不同，802.11 的帧中可以同时出现源地址、目的地址、中继地址和接入点地址，以支持基础结构和临时组网模式。
省电模式与时钟同步
无线设备常常依赖电池供电，因此 802.11 专门设计了省电机制：
- TIM（Traffic Indication Map）：接入点（AP）定期通过 Beacon 帧告知哪些省电终端有数据等待接收；
- **省电终端（STA）**在 Beacon 周期中唤醒，检查 TIM，如果有数据，就发送唤醒请求；
- 未被标记的终端可以继续休眠，从而节省能耗。
此外，802.11 网络依赖时钟同步来协调活动：
- 接入点周期性发送 Beacon 帧，其中包含时间戳，所有终端通过这些时间戳调整本地时钟；
- 同步有助于协同唤醒、频率切换、节能调度等机制。
802.11 介质访问控制
无线网络使用共享信道，多个终端竞争同一个频谱资源，因此 802.11 采用**CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）**机制，而非以太网的 CSMA/CD。
核心流程如下：
- 监听信道：终端在发送前必须监听信道是否空闲；
- 随机退避：若信道忙碌，等待一段随机时间后再尝试；
- RTS/CTS（可选）：为防止隐藏节点问题，可在发送数据前先交换 Request To Send 和 Clear To Send 帧，确保接收方准备就绪；
- ACK 确认：每个数据帧发送后都需接收方返回 ACK 确认，确保可靠交付。
点到点协议
点到点协议（PPP，Point-to-Point Protocol）是一种用于通过串行链路（如电话线、专线、无线链路等）传输多种网络层协议（如IP、IPX等）的数据链路层协议。PPP 提供了链路的建立、配置、维护和终止的机制，同时支持认证、压缩和多链路聚合。
链路控制协议
链路控制协议是 PPP 的核心部分，负责在点对点链路上协商和配置链路参数。它的主要功能包括：
- 建立和配置链路：确定链路的工作模式、最大传输单元（MTU）、超时和重传参数等。
- 链路质量监测：通过回显请求与响应检测链路的有效性，确保链路质量。
- 链路维护与终止：在链路出现异常时及时终止或重置连接。
LCP 包括多种帧类型，如配置请求、确认、拒绝、终止等，用于在链路两端进行协商和管理。
LCP通过一系列控制帧完成链路的协商和维护，主要操作包括：
- 配置请求（Configure-Request）：一端发送，提出希望使用的链路参数和选项。
- 配置确认（Configure-Ack）：另一端同意请求中的所有参数。
- 配置否认（Configure-Nak）：另一端不同意部分参数，并提出建议的修改方案。
- 配置拒绝（Configure-Reject）：拒绝某些选项，不支持该选项。
- 回显请求和回显应答（Echo-Request/Reply）：测试链路连通性和质量。
- 终止请求和终止确认（Terminate-Request/Terminate-Ack）：结束链路连接。
- 代码拒绝（Code-Reject）：拒绝未知的LCP代码。
LCP定义了一些可协商的选项，用于指定链路行为和参数，常见选项包括：
- 最大接收单元（MRU）：协商数据帧的最大尺寸，默认通常为1500字节。
- 认证协议：指明认证方式，如PAP或CHAP。
- 压缩协议：协商使用的数据压缩方法。
- 魔术数字（Magic Number）：用于检测环回连接，防止回路。
- 协议字段压缩：指示是否压缩协议字段以节省带宽。
- 地址和控制字段压缩：指示是否压缩链路层地址和控制字段。
多链路PPP
多链路 PPP 允许将多个物理链路聚合成一个逻辑链路，以增加带宽和冗余性。MP包含一个特殊的LCP选项，表示支持多链路，以及一个用于多链路上PPP帧分片与重组的协商协议。一条聚合链路（称为一个捆绑）可作为一条完整的虚拟链路来操作，并包含自己的配置信息。链路捆绑由大量成员链路组成。每个成员链路可能有自己的选项集。
实现MP的典型方法是使分组轮流经过各个成员链路传输。这种方法称为银行柜员算法，它可能导致分组重新排序，可能为其他协议带来不良的性能影响。（虽然TCP/IP可以正确处理重新排序后的分组，但也可能不如没有重新排序处理得好)，MP在每个分组中添加一个2～4字节的序列头部，而远程MP接收方的任务是重建正确的顺序。
压缩控制协议
压缩控制协议用于协商数据压缩和解压缩方法，从而提高链路传输效率。主要内容：
- 协商支持的压缩算法，如 Van Jacobson TCP/IP 头压缩、Stac LZS 压缩等。
- 动态启用或关闭压缩功能，确保链路双方兼容。
- 提供数据的实时压缩和解压缩，减少链路上的传输数据量。
- 压缩过程对上层协议透明，无需修改网络层协议。
PPP认证
PPP 支持多种认证协议，用于验证连接的合法性和安全性，防止未授权访问。常见的认证协议包括：
- PAP（密码认证协议）：使用明文密码进行简单认证，安全性较低。
- CHAP（质询握手认证协议）：通过挑战-响应机制定期验证身份，安全性更高。
- EAP（可扩展认证协议）：支持多种认证机制（如证书、令牌），用于更复杂的安全需求。
认证过程通常发生在链路建立阶段，确保只有授权用户能成功建立连接。
网络控制协议
网络控制协议是 PPP 用于支持不同网络层协议的协商机制。每种网络层协议（如 IP、IPX、AppleTalk）都有对应的 NCP：
- 通过 NCP 协议协商网络层地址（如IP地址）和参数。
- 管理和启用特定网络协议的数据传输。
- 支持动态分配地址，简化网络配置。
常见的 NCP 包括 IPCP（IP 控制协议）、IPXCP、ATCP 等，确保 PPP 链路支持多种网络协议。
头部压缩
PPP 支持多种头部压缩技术，主要用于减少传输的协议头部开销，提升链路效率：
- Van Jacobson TCP/IP 头压缩：针对TCP/IP协议的头部进行压缩，尤其适合慢速链路。
- 其他压缩算法根据不同协议特点设计，减少冗余字段。
- 压缩过程自动且透明，对上层协议无感知。
- 头部压缩显著减少数据包大小，减少链路负载和延迟。
环回
在网络通信中，环回（Loopback）是一种特殊机制，用于让计算机与自身通信，主要用于测试、本地服务访问等目的。它通过一个虚拟的网络接口实现，该接口完全在操作系统内部运行，不经过任何实际的网络硬件。
在IPv4中，所有以 127. 开头的地址都被保留用于环回用途，其中最常用的是 127.0.0.1，通常被命名为 localhost。在IPv6中，环回地址为 ::1，功能等价于 IPv4 的 127.0.0.1。
发送到环回地址的数据报不会离开主机，它们不会出现在网络上传输。操作系统处理这些数据时，仍会让其完整地通过网络协议栈（包括传输层、网络层等），直到在网络层将数据"回送"回来。这种完整路径处理虽然绕过了硬件，但有助于调试和性能测试，确保协议栈在没有网络设备干扰的情况下正常运行。
在类 UNIX 系统（如 Linux）中，环回接口名为 lo，可通过命令如 ping 127.0.0.1 或 ping ::1 测试本地 TCP/IP 栈是否正常工作。
MTU和路径MTU
在网络通信中，最大传输单元（MTU，Maximum Transmission Unit） 指的是链路层一次能传输的最大数据负载大小。不同链路层技术对MTU有不同的规定：
- 以太网 ：MTU 通常为 1500 字节，即数据帧的有效负载部分不超过 1500 字节。
- PPP（点到点协议）：一般也使用 1500 字节，以与以太网保持兼容。
- 串行链路：MTU 可配置，通常取决于所采用的帧封装协议（如 PPP）。
当 IP 层需要发送一个比底层链路的 MTU 更大的数据报时，会进行 IP 分片（将在后续章节详细讨论），将数据拆分为多个小块，使每个分片都不超过链路的 MTU。
当两台主机之间的通信路径跨越多个网络链路时，每条链路可能有不同的 MTU。此时，路径 MTU 是指从源主机到目的主机路径中，所有链路中最小的 MTU 值。
为避免 IP 分片带来的性能损耗，IPv4 和 IPv6 都支持一种机制来发现路径 MTU：
- IPv4 路径 MTU 发现（PMTUD）：由 [RFC 1191] 定义。
- IPv6 路径 MTU 发现：由 [RFC 1981] 定义。
- 改进型 PMTUD（PLPMTUD）：由 [RFC 4821] 提出，避免依赖某些网络可能会屏蔽的 ICMP 消息。
PMTUD 的目标是自动找出通信路径上允许的最大数据报大小，以提高传输效率，避免中途分片。它对于 TCP 性能 尤其关键，因为数据传输依赖可靠且高效的分段大小。
隧道基础
在网络通信中，隧道（Tunneling） 是一种技术，用于在一个网络协议中封装另一个协议的数据包，使得它们可以在不支持原始协议的网络中传输。隧道技术广泛应用于 VPN（虚拟专用网络）、IPv6 过渡机制、多播传输、移动网络等场景。
隧道的基本原理是将原始的数据包作为负载封装进另一个数据包中（外部头部），通过中间网络传输到目标节点，目标节点解封装后还原原始数据进行处理。这种传输形式通常由一对隧道端点控制：
- 入口节点（Ingress）：将原始数据包封装。
- 出口节点（Egress）：接收并解封装数据包，恢复为原始协议格式。
GRE
GRE（Generic Routing Encapsulation） 是由 IETF 提出的通用隧道协议，标准为 [RFC 2784]。它支持在 IP 网络中封装多种网络层协议（如 IPX、AppleTalk、IPv6），用于构建逻辑连接。
- 协议号为
47（IP 协议字段）。 - 支持多种封装类型，可封装 IPv4、IPv6、MPLS、甚至带有 VLAN 的帧。
- 可选字段允许加入 校验和 、密钥（用于识别不同的 GRE 隧道）等扩展信息。
GRE 封装的灵活性使它在构建 VPN、负载均衡、IPv6 过渡等场景中广泛使用。然而，它本身不提供加密或认证，因此若需要安全性，常结合 IPsec 使用。
单向链路
单向链路 是一种物理或逻辑上传输仅支持一个方向的通信链路。即数据只能从发送端传到接收端，不能反方向传输。这在卫星通信、广播网络和某些高带宽光纤网络中较常见。
在 TCP/IP 协议栈中，单向链路带来如下挑战：
- 确认帧无法返回：例如 TCP 的 ACK 不能反向传输，会导致连接失败。
- 无对称路由能力：许多协议默认使用相同路径返回响应，单向链路打破这一假设。
通常会将单向链路与辅助的双向控制信道配对使用，或者采用特定协议对其进行封装和管理。隧道机制在此类场景中也可用于绕过协议栈对双向链路的需求。