【计算机网络】第三章：数据链路层（下）

本篇笔记课程来源：王道计算机考研计算机网络

接下节：【计算机网络】第三章：数据链路层（上）

【计算机网络】第三章：数据链路层（下）

五、介质访问控制
- [1. 介质访问控制](#1. 介质访问控制)
- [2. 信道划分](#2. 信道划分)
- - [Ⅰ. 时分复用（TDM）](#Ⅰ. 时分复用（TDM）)
  - [Ⅱ. 统计时分复用（STDM）](#Ⅱ. 统计时分复用（STDM）)
  - [Ⅲ. 频分复用（FDM）](#Ⅲ. 频分复用（FDM）)
  - [Ⅳ. 波分复用（WDM）](#Ⅳ. 波分复用（WDM）)
  - [Ⅴ. 码分复用（CDM）](#Ⅴ. 码分复用（CDM）)
- [3. 随机访问](#3. 随机访问)
- - [Ⅰ. ALOHA 协议](#Ⅰ. ALOHA 协议)
  - [Ⅱ. CSMA 协议](#Ⅱ. CSMA 协议)
  - [Ⅲ. CSMA/CD 协议 ⚠️‼️](#Ⅲ. CSMA/CD 协议 ⚠️‼️)
  - [Ⅳ. CSMA/CA 协议](#Ⅳ. CSMA/CA 协议)
- [4. 轮询访问](#4. 轮询访问)
六、局域网
- [1. IEEE 802](#1. IEEE 802)
- [2. 局域网基本概念和体系结构](#2. 局域网基本概念和体系结构)
- - [Ⅰ. 局域网特点](#Ⅰ. 局域网特点)
  - [Ⅱ. 局域网分类](#Ⅱ. 局域网分类)
  - [Ⅲ. 局域网硬件架构](#Ⅲ. 局域网硬件架构)
- [3. 以太网与 IEEE 802.3](#3. 以太网与 IEEE 802.3)
- - [Ⅰ. 以太网标准](#Ⅰ. 以太网标准)
  - [Ⅱ. 以太网 MAC 帧](#Ⅱ. 以太网 MAC 帧)
  - [Ⅲ. 帧传播](#Ⅲ. 帧传播)
- [4. VLAN 与 IEEE 802.1Q](#4. VLAN 与 IEEE 802.1Q)
- - [Ⅰ. 基本概念](#Ⅰ. 基本概念)
  - [Ⅱ. 802.1Q 帧](#Ⅱ. 802.1Q 帧)
- [5. 无线局域网与 IEEE 802.11](#5. 无线局域网与 IEEE 802.11)
- - [Ⅰ. 基本概念](#Ⅰ. 基本概念)
  - [Ⅱ. 802.11 帧](#Ⅱ. 802.11 帧)
七、广域网
- [1. 基本概念](#1. 基本概念)
- [2. PPP 协议](#2. PPP 协议)
八、以太网交换机
- [1. 概述](#1. 概述)
- [2. 自学习功能](#2. 自学习功能)
- [3. 交换方式](#3. 交换方式)

五、介质访问控制

1. 介质访问控制

介质访问控制（Medium Access Control，MAC）：多个结点共享同一个 "总线型" 广播信道时，可能发送 "信号冲突"。控制各节点对传输介质的访问，实现减少冲突，甚至避免冲突。
- 早期的网络中，常用一条同轴电缆连接多个节点
- 用集线器连接多个节点
- WiFi、5G 等无线通信
实现介质访问控制的方法：
1. 信道划分：频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多路复用
2. 随机访问：ALOHA 协议；CSMA 协议、CSMA/CD 协议、CSMA/CA 协议
3. 轮询访问：令牌传递协议

2. 信道划分

Ⅰ. 时分复用（TDM）

时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）：将时间分为等长的 "TDM 帧"，每个 "TDM" 帧又分为等长的 m 个 "时隙"，将 m 个时隙分配给 m 个用户（节点）使用。
缺点：
1. 每个节点最多只能分配到信道总带宽的 1 m \frac{1}{m} m1
2. 如果某节点暂不发送数据，会导致被分配的时隙闲置，信道利用率低

Ⅱ. 统计时分复用（STDM）

统计时分复用（Statistic Time Division Multiplexing，STDM）：又称异步时分复用，在 TDM 的基础上，动态按需分配时隙。
优点：
- 如果需要时，一个节点可以在一段时间内获得所有的信道带宽资源
- 如果某节点暂不发送数据，可以不分配 "时隙"，信道利用率高

Ⅲ. 频分复用（FDM）

如果一个信道中存在两个信号的频率区别很大，就很容易在叠加信号中分辨出来。
频分复用（Frequency Division Multiplexing，DFM）：将信道的总频带划分为多个子频带，每个子频带作为一个子信道，每对用户使用一个子信道进行通信。
优点：各节点可同时发送信号；充分利用了信道带宽（Hz）
缺点：只能用于模拟信号的传输

Ⅳ. 波分复用（WDM）

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）：即光的频分复用
光信号的频带范围（带宽）非常大，因此很适合采用波分复用技术，将一根光纤在逻辑上拆分为多个子信道。

Ⅴ. 码分复用（CDM）

2G、3G 移动网络时代，节点和节点之间的通信常使用 CDMA（Code Division Multiplexing Access）技术，底层原理就是码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）。

给各节点分配专属 "码片序列"：
- "码片序列" 包含 m m m 个码片（信号值），可看作 " m m m 维向量"（分量通常取 1 或 -1）
- 各节点的 " m m m 维相邻" 必须相互正交
- 相互通信的各节点知道彼此的 "码片序列"
例如：A 的 4 维码片序列 a ⃗ = ( 1 , 1 , 1 , 1 ) \vec{a}=(1,1,1,1) a =(1,1,1,1)，B 的 4 维码片序列 b ⃗ = ( 1 , − 1 , 1 , − 1 ) \vec{b}=(1,-1,1,-1) b =(1,−1,1,−1)，C 的 4 维码片序列 c ⃗ = ( 1 , 1 , − 1 , − 1 ) \vec{c}=(1,1,-1,-1) c =(1,1,−1,−1)
- 各节点码片序列相互正交： a ⃗ ⋅ b ⃗ = 0 ， b ⃗ ⋅ c ⃗ = 0 ， a ⃗ ⋅ c ⃗ = 0 , \vec{a} \cdot \vec{b}=0，\vec{b} \cdot \vec{c}=0，\vec{a} \cdot \vec{c}=0, a ⋅b =0，b ⋅c =0，a ⋅c =0,
发送方如何发送数据：
- 节点发送 m m m 个信号值与 "码片序列" 相同，表示比特 1
- 节点发送 m m m 个信号值与 "码片序列" 相反，表示比特 0
例如：A 的 4 维码片序列 a ⃗ = ( 1 , 1 , 1 , 1 ) \vec{a}=(1,1,1,1) a =(1,1,1,1)
- 比特1： a ⃗ = ( 1 , 1 , 1 , 1 ) \vec{a}=(1,1,1,1) a =(1,1,1,1)
- 比特0： − a ⃗ = ( − 1 , − 1 , − 1 , − 1 ) -\vec{a}=(-1,-1,-1,-1) −a =(−1,−1,−1,−1)；
信号在传输过程中"叠加"
- 当多个发送方同时发送数据时，信号值会叠加（本质是多个 m m m 维向量的加法）
例如：A 发送 (比特1) 4 维码片序列 (1,1,1,1)，B 发送 (比特0) 4 维码片序列 (-1,1,-1,1)
- 接收到的叠加信号值为 a ⃗ + ( − b ⃗ ) = ( 0 , 2 , 0 , 2 ) \vec{a}+(-\vec{b})=(0,2,0,2) a +(−b )=(0,2,0,2)
接收方如何接收数据：
- 接收方收到的是 "叠加" 信号，需要从中 "分离" 出各发送方的数据
- 叠加信号与发送方的码片序列做 "规格化内积"，1 表示比特 1，-1 表示比特 0
例如：叠加信号值为 (0,2,0,2)
- 与 A 的码片序列作规格化内积： 1 m a ⃗ ⋅ ( a ⃗ + ( − b ⃗ ) ) = 1 m a ⃗ ⋅ a ⃗ = 1 \frac{1}{m}\vec{a} \cdot (\vec{a} +(-\vec{b}))=\frac{1}{m}\vec{a} \cdot \vec{a}=1 m1a ⋅(a +(−b ))=m1a ⋅a =1，因此 A 发送的是比特1
- 与 B 的码片序列作规格化内积： 1 m b ⃗ ⋅ ( a ⃗ + ( − b ⃗ ) ) = 1 m b ⃗ ⋅ b ⃗ = − 1 \frac{1}{m}\vec{b} \cdot (\vec{a} +(-\vec{b}))=\frac{1}{m}\vec{b} \cdot \vec{b}=-1 m1b ⋅(a +(−b ))=m1b ⋅b =−1，因此 B 发送的是比特0

3. 随机访问

Ⅰ. ALOHA 协议

ALOHA 协议（Additive Links On-Line Hawaii Area）：是世界上最早的无线电计算机通信网，1968年美国夏威夷大学的一项研究计划的名字。
纯 ALOHA：如果准备好数据帧，就立刻发送
时隙 ALOHA：
- 时隙大小固定等于传输一个最长帧所需时间
- 只有在每个时隙开始时才能发送帧
- 时隙 ALOHA 避免了用户发送数据的随意性，降低了冲突概率，提高了信道的利用率

Ⅱ. CSMA 协议

CSMA（Carrier Sense Multiple Access）协议：载波监听多路访问协议。
在 ALOHA 协议的基础上提出改进：在发送数据之前，先监听信道是否空闲，只有信道空闲时，才会尝试发送
节点的网络适配器需安装 "载波监听装置"

1-坚持CSMA协议
- 1 表示发送概率为 1。
- 优点：信道利用率高，信道一旦空闲，就可以被下一个节点使用。
- 缺点：当多个节点都已准备好数据时，信道一旦空闲，会有多个节点同时发送数据，冲突概率大。

非坚持CSMA协议
- 也可记为：1-非坚持CSMA协议。
- 优点：当多个节点都已准备好数据时，如果信道不空闲，则各节点会随机推迟一段时间再尝试监听，从而使各节点 "错开" 发送数据，降低冲突概率。
- 缺点：信道刚恢复空闲时，可能不会被立即使用，导致信道利用率降低。

p-坚持CSMA协议
- p 表示发送概率为 p。
- 优点：属于 1-坚持CSMA、非坚持CSMA的折中方案，降低冲突概率的同时，提升信道利用率。

Ⅲ. CSMA/CD 协议 ⚠️‼️

CSMA/CD（Collision Detection）：带有冲突检测的载波监听多路访问，基于 1-坚持CSMA协议进行优化。
CSMA/CD 协议用于早期的有线以太网（总线型）；现在的有线局域网也使用以太网技术，但不一定都是总线型，也可能是星型。
协议总结：先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发
- 第 10 次冲突，是随机重发的分水岭。
- 截断二进制指数退避算法：随机等待时间 = r r r × 争用期，其中 r r r 是随机数。
  1. 如果 k ≤ 10 k≤10 k≤10， r r r 的取值范围是 [ 0 , 2 k − 1 ] [0, 2^k-1] [0,2k−1]
  2. 如果 k > 10 k>10 k>10， r r r 的取值范围是 [ 0 , 2 10 − 1 ] [0, 2^{10}-1] [0,210−1]
- 第 16 次冲突，说明网络拥堵，立即停发，传输失败。放弃传输此帧，并报告网络层。
争用期
- 争用期 = 2 × 最远单向传播距离（考虑距离最远的两个节点）
- 如果争用期内没检测到冲突，本次帧发送就不再可能发送冲突。
- CSMA/CD 没有 ACK 机制，若发送过程中未检测到冲突，就认为帧发送成功
假设：

A、C、D、B 依次相距 2000m，即 A、B 两个节点相距最远为 6000m。

信号传播速度为 2×10⁸ m/s，信道带宽为 10Mbps。
- 信号传播速度 = 2 × 1 0 8 2×10^8 2×108 m/s = 200 200 200 m/μs
- 最大单向传播时延为 6000 m ÷ 200 m / μ s = 30 μ s 6000\,m÷200\,m/μs=30\,μs 6000m÷200m/μs=30μs
- 信道带宽 = 10 10 10 Mbps = 10 b/μs
- 若 A 节点往信道上发送数据，最多需要 30 μs 可以被其他所有节点监听到信号
- 显然，A 节点往信道上发送的数据可能与其他节点发生 "冲突"。那么在最极限的情况下，从 A 节点发出数据开始，最多需要 2 × 30 μs = 60 μs，A 节点一定可以检测到冲突。
最短帧长
- 最短帧长 = 2 × 最大单向传播时延 × 信道带宽
- 以太网规定最短帧长为 64 B
- 若收到的帧小于最短帧长，视为无效帧。
  - 小于最短帧长时，会导致节点误认为发送过程中没有发送冲突，但实际上已经发生了冲突。
  - 如果实际要发送的数据很少，可填充至合法长度后再发送。
假设：

A、C、D、B 依次相距 2000m，即 A、B 两个节点相距最远为 6000m。

信号传播速度为 2×10⁸ m/s，信道带宽为 10Mbps。
- 最短帧长 = 2 × 30 μ s × 10 = 600 b i t 2×30\,μs×10=600\,bit 2×30μs×10=600bit
最长帧长
- 规定最长帧长可防止某些节点一直占用信道。
- 以太网规定最长帧长为 1518 B

Ⅳ. CSMA/CA 协议

CSMA/CA（Collision Avoidance）：带有冲突避免的载波监听多路访问。发送过程中不用检测冲突，发送前尽量避免冲突（但无法完全避免）
用于 IEEE 802.11 无线局域网（WiFi），无线局域网不采用 CSMA/CD 原因：
1. 硬件上很难实现 "边听边发，冲突检测"，因为接收信号的强度往往远小于发送信号的强度，且在无线介质上信号强度的动态变化范围很大。
2. 存在 "隐蔽站" 问题，在无线通信中，并非所有站点都能够听见对方，发送节点处没有冲突并不意味着接收节点处就没有冲突。
接入点（Access Point，AP）：也就是无线 WiFi 热点
- 家用路由器 = 路由器 + 交换机 + AP
- 校园网 = 路由器 + n n n 个交换机 + n × m n × m n×m 个 AP
- 所有移动站点都需要和固定站点 AP 进行通信
帧间间隔（Inter Frame Space，IFS）
- DIFS：分布式协调 IFS，最长的帧间间隔。为每次 "帧事务" 开始之前需要等待的时间
- SIFS：短 IFS，最短的帧间间隔。为收到一个帧后需要预留的一段处理时间（如完成差错控制等）
- PIFS：中等长度的帧间间隔，暂不关注。
协议要点：
- 发送方：先听后发，忙则退避
  - 若信道空闲，间隔 DIFS 后，再发送帧（一口气发完，发送过程中不用检测冲突）
  - 若信道不空闲，则进行 "随机退避"。随机退避原理：
    1. 用二进制指数退避算法确定一段随机退避时间（倒计时）
    2. 发送方会保持监听信道，只有信道空闲时才 "扣除倒计时"，倒计时结束后立即发送帧（此时信道一定空闲）
- 接收方：停止等待协议
  - 每收到一个正确数据都返回 ACK；
  - 若发送方超时未收到 ACK，则进行 "随机退避"
解决 "隐蔽站" 问题，需要在 CSMA/CA 协议的基础引入信道预约机制：先预约，再发送
1. 发送方广播 RTS 控制帧（先听后发，忙则退避）
  - RTS 控制帧（Request To Send，请求发送），它包括源地址、目的地址和这次通信所需的持续时间。
  - 需在 RTS 中指明预约时长。
2. AP 广播 CTS 控制帧
  - CTS 控制帧（Clear To Send，允许发送），它包括源地址、目的地址和这次通信所需的持续时间。
  - 需在 CTS 中指明预约时长。
3. 其他无关节点收到 CTS 后自觉 "禁言" 一段时间（即：虚拟载波监听机制）；发送方收到 CTS 后，就可以发送数据帧
  - 如果超时未收到 CTS，说明预约失败，则 "随机退避" 后再次 RTS 预约。
4. AP 收到数据帧后，进行 CRC 校验，若无差错就返回 ACK 帧

4. 轮询访问

主要采用令牌环网技术（Token Ring）：
- 是 IBM 公司在 1984 年开发的一种局域网技术。
- 核心特点：环形拓扑结构，各节点 "轮询访问" 信道，不会发生信道冲突，效率高，因此适用于负载高的网络。
- 通过令牌传递协议实现介质访问控制。
- 无论是令牌帧还是数据帧，都只能沿单向传递。
令牌帧：
- 需指明当前获得令牌的节点编号。
- 只有获得令牌（Token）的节点才能往信道上发送数据帧
- 如果获得令牌的节点没有数据发送，就将令牌传递下一个节点
- 获得令牌的节点，每次只能发一帧，发完就释放令牌
数据帧：
- 需指明数据帧的源地址 / 目的地址、是否已被接收、获得令牌的节点编号
- 数据帧从源节点发出，"传递一圈" 后回到源节点
- 数据帧 "传递一圈" 的过程中，会被目的节点复制一份数据，并将数据帧标记为 "已接收"
- 数据帧回到源节点后，如果发现异常状况，就尝试重发；若无异常，就将令牌传递下一个节点
多站接入单元（Multistation Access Units，MAU）：是令牌环网的集中控制站，用于集中控制 "令牌环网"

六、局域网

1. IEEE 802

IEEE：Institute of Electrical and Electronics Engineers，I-Triple-E，电气电子工程师学会。
IEEE 802 委员会：致力于研究局域网和城域网的物理层和MAC层中定义的服务和协议，对应 OSI 网络参考模型的最低两层（即物理层和数据链路层）。层次划分为：
- 物理层：某个具体局域网技术的研究范畴
- 介质访问控制子层（Medium Access Control，MAC 子层）：属于数据链路层，研究与访问传输介质有关的部分功能（如：组帧、差错控制、透明传输、介质访问控制等）
- 逻辑链路控制子层（Logical Link Control，LLC 子层）：属于数据链路层，研究与传输介质无关的部分功能，由 IEEE 802.2 负责，目前已解散
常见的工作组：
1. 802.2：兼容各种局域网技术（工作组已解散）
2. 802.3：以太网技术（DEC、Intel、Xerox）
3. 802.5：令牌环网技术（已被淘汰，工作组已解散）
4. 802.8：FDDI 光纤分布数字接口（工作组已解散）
5. 802.11：Wi-Fi 技术（AT&T、Nokia 等）
6. 802.1Q：VLAN 技术

Wi-Fi 技术标准化成果：

标准	迭代	年份
802.11 b	Wi-Fi 1	1999 年
802.11 a	Wi-Fi 2	1999 年
802.11 g	Wi-Fi 3	2003 年
802.11 n	Wi-Fi 4	2009 年
802.11 ac	Wi-Fi 5	2013 年
802.11 ax	Wi-Fi 6	2021 年
802.11 be	Wi-Fi 7	2024 年

2. 局域网基本概念和体系结构

Ⅰ. 局域网特点

覆盖较小的地理范围
较低的时延和误码率
局域网内的各节点之间以 "帧" 为单位进行传输
支持单播、广播、多播
- 单播：一对一发送帧，如 A → B
- 广播：一对全部发送帧，如 A → B+C+D+E+F+G
- 多播：一对部分发送帧，如 A → B+C+E

Ⅱ. 局域网分类

按拓扑结构、传输介质、介质访问控制方法区分：

网络类型	拓扑结构	传输介质	介质访问控制方法
令牌环网	环形	同轴电缆或双绞线	令牌传递协议
同轴电缆以太网	总线型	同轴电缆	CSMA/CD 协议
双绞线以太网 (集线器)	物理上星型，逻辑上总线型	双绞线 (集线器连接)	CSMA/CD 协议
双绞线以太网 (交换机)	物理和逻辑上都是星型	双绞线 (交换机连接)	CSMA/CD 协议或无
光纤以太网	点对点	光纤	无
Wi-Fi / 802.11	星型	无线	CSMA/CA 协议

有线局域网（LAN）
- 令牌环网使用年份：1984-2000
- 同轴电缆以太网：
  - 物理层采用曼彻斯特编码
  - 1980年开始商用
  - 1982年发布的第一个同轴电缆以太网标准：10Base5（10Mbps、基带信号、500m）
  - 可用中继器连接多个同轴电缆网段
- 双绞线以太网：
  - 20世纪80年代后期出现的技术
  - 1990 年 IEEE 802.3 发布第一个双绞线以太网标准：10BaseT
  - 集线器连接的双绞线以太网只支持半双工通信
  - 1994 年后逐步由交换器取代集线器
  - 交换机连接的双绞线以太网，半双工模式下需采用 CSMA/CD 争抢信道，全双工模式下不用争抢信道。
- 光纤以太网：
  - 20世纪90年代初出现的技术，用于扩大以太网覆盖范围
  - 1993年 IEEE 802.3 发布第一个光纤以太网标准：10BaseF
  - 光纤用于中继器 / 集线器 / 交换机之间的传输，不会直接连接终端节点
  - 使用两条光纤实现全双工通信，因此不需要考虑介质访问控制方法
无线局域网（WLAN）
- 无线（Wireless）：1 个 AP + N 台移动设备

Ⅲ. 局域网硬件架构

有线局域网使用曼彻斯特编码实现串行通信，无线局域网使用电磁波模拟信号。
网络适配器结构：
- ROM：存放全球唯一的 MAC 地址（物理地址）
  - 每个 MAC 地址有 48 bit，用十六进制表示，8位一组，共 6 组。如：B0:46:92:1D:99:CD。
  - 高 24 bit 为厂商号，低 24 bit 由厂商分配
- RAM：帧缓冲
  - 通过 I/O 总线实现与主存的并行通信
网络适配器（又名：网络接口卡、网卡）负责：
1. 负责把帧发送到局域网。关于 "将 IP 数据报（IP 分组）封装成帧"，有些系统由主机实现，有些系统由网络适配器负责。
2. 负责从局域网接收帧。如果收到正确帧，就用 "中断" 通知 CPU；如果收到异常帧，就直接丢弃。
3. 需要根据接入的局域网类型，按照标准实现数据链路层 + 物理层功能
4. 需要完成数据的串 / 并行转换
5. 需要支持帧缓冲

3. 以太网与 IEEE 802.3

Ⅰ. 以太网标准

同轴电缆只支持半双工
双绞线：
1. 速率 < 2.5 Gbps 可支持半双工和全双工（节点连接时协商）
2. 速率 ≥ 2.5 Gbps 仅支持全双工
3. 交换机连接的终端节点都支持全双工，集线器连接的节点仅支持半双工
光纤只支持全双工

各种传输介质的适用情况

标准名称	传输媒体	编码	拓扑结构	最大段长	最多节点数目
10Base5	同轴电缆（粗缆）	曼彻斯特编码	总线型	500m	100
10Base2	同轴电缆（细缆）	曼彻斯特编码	总线型	185m	30
10Base-T	非屏蔽双绞线	曼彻斯特编码	星型	100m	2
10Base-F	光线对（850nm）	曼彻斯特编码	点对点	2000m	2

几种高速以太网技术（速率 > 100 Mbps）

标准名称	传输速率	传输介质	通信方式	介质访问控制协议
100Base-T 以太网	100 Mb/s	双绞线	半双工、全双工	CSMA/CD 或无
吉比特以太网	1 Gb/s	双绞线或光纤	半双工、全双工	CSMA/CD 或无
10 吉比特以太网	10 Gb/s	双绞线或光纤	全双工	无

Ⅱ. 以太网 MAC 帧

有两种常见的以太网 MAC 层标准：
1. 常用：DEC、Intel、Xerox 推出的 DIX Ethernet V2 标准
2. IEEE 802.3 推出的 IEEE 802.3 标准
- 两种标准在 "帧" 格式是有细微差别。

V2 标准的以太网 MAC 帧：
- 记忆口诀：6 6 2 N 4，收发协数验
- 每个帧的长度范围是：64 ~ 1518 字节
- 前导码：
  - 把帧交给物理层后，会在帧首插入一个 8 字节的前导码（7 同步，1 定界）
  - 其中前 7 字节为 1、0 交替的前同步码
  - 最后 1 字节为帧开始定界符
- 目的地址：6 字节（48 bit），用于指明接收方 MAC 地址
- 源地址：6 字节（48 bit），用于指明发送方 MAC 地址
- 类型：2 字节，指明网络层协议
- 数据
  - 限制了最短、最长帧长：46 ~ 1500 字节
  - IP 数据报太长，就 "分片"；太短，就 "填充"
- FCS：4 字节，记录 CRC 校验码，用于差错控制
- 帧结尾定界（物理层）采用 "违规编码法"，且一个帧传完会留一段间隙

IEEE 802.3 标准的以太网 MAC 帧：
- 记忆口诀：6 6 2 N 4，收发长数验
- 与 V2 标准的帧类似，只是把协议变为了长度，用于记录数据部分的长度。

Ⅲ. 帧传播

MAC 地址是数据链路层的概念。路由器、交换机有 MAC 地址，集线器没有 MAC 地址
冲突域
- 如果两个结点同时发送数据，会导致冲突，则二者处于同一个 "冲突域"
- 交换机隔离冲突域，但不隔离广播域
广播域
- 目的地址全 1 表示 "广播帧"，会被局域网内的所有结点接收。
- 如果一个结点发送广播帧，可以被另一个结点接收，则二者处于同一个 "广播域"
- 路由器隔离冲突域，也隔离广播域，路由器收到广播帧后，不会再转发至其它网络，只有同一个局域网内的各节点才属于同一个 "广播域"。
集线器不隔离冲突域，也不隔离广播域

如图：

单播帧：

A → C：仅 C 能收到并接收帧

A → F：E、F、G 能收到，仅 F 接收帧

E → A：F、G、A 能收到，仅 A 接收帧

E → F：F、G 能收到，仅 F 接收帧

广播帧：

A 发出广播帧，B、C、D、E、F、G、R 都能收到并接收帧

E 发出广播帧，A、B、C、D、F、G、R 都能收到并接收帧

4. VLAN 与 IEEE 802.1Q

Ⅰ. 基本概念

虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）
VLAN 出现原因：
- 大型局域网是一个很大的广播域，容易出现 "广播风暴"
- 局域网内可能有一些敏感节点，不利于信息安全
VLAN 特点：
- 可将一个大型局域网分割成若干个较小的 VLAN，每个 VLAN 是一个广播域，每个 VLAN 对应一个 VID
- 划分 VLAN 需要使用支持 VLAN 功能的以太网交换机来实现。
VLAN 的划分方式：
1. 基于接口：在交换机内配置 VID 与接口号的映射关系。
2. 基于 MAC 地址：在交换机内配置 VID 与 MAC 地址的映射关系。
3. 基于 IP 地址
  - 在交换机内配置 VID 与 IP 地址的映射关系；
  - 这种方式可以让 VLAN 范围跨越路由器，让多个局域网的主机组成一个 VLAN
  - 需要网络层功能支持，且交换机会更复杂

Ⅱ. 802.1Q 帧

主机与交换机之间传输标准以太网帧（V2标准），交换机与交换机之间（干线链路）传输 802.1Q 帧
相较于标准以太网帧，在中间插入了 4 字节的 VLAN 标签

记忆口诀：6 6 4 2 N 4，收发V协数验
4 字节 VLAN 标签 = 16+4+12 bit = 固定 + 随便 + VID
- 固定：802.1Q 标签类型，固定为 0x8100，表示这是 802.1Q 帧；
- 随便：无意义的 4 bit，凑满 2 字节
- VID：12 bit 指明发送方所属的 VLAN 的 VID

5. 无线局域网与 IEEE 802.11

Ⅰ. 基本概念

无线局域网的分类
1. 有固定基础设施的无线局域网，如 802.11 无线局域网（Wi-Fi）
2. 无固定基础设施移动自组织网络，如苹果隔空投送（AirDrop）、华为分享（Huawei Share）
一些名词：
- 基本服务集（Basic Service Set，BSS）
  - 一个基本服务集包含 1 个基站（AP）和多个移动站
  - 包含两个属性：
    - 服务集标识符（SSID）：无线局域网名字，不超过 32 字节。
    - 基本服务区（BSA）：基本服务集能覆盖的地理范围。
- 扩展服务集（ESS）：将多个 AP（基本服务集）连接到同一个分配系统（DS），组成一个更大的服务集，如校园网。
- 门户（Portal）：可将 802.11 无线局域网接入 802.3 有线局域网
  - AP 与移动站之间通过无线链路（802.11 帧）传输
  - AP 与 AP之间、AP 与路由器之间、AP与以太网交换机之间通常用有线链路（以太网帧）传输
  - AP 通常具备 "帧格式转换" 功能，可以将无线链路上传输的 802.11 帧格式，与有线链路上传输的以太网帧格式相互转换
- 漫游：一个移动站从一个基本服务集切换到另一个基本服务集，仍然可以保持通信。
802.11 无线局域网
- 星型拓扑，中心称为接入点（AP），也可称为无线接入点（WAP）
- 使用 CSMA/CA 协议实现介质访问控制
- 两个移动站之间不能直接通信，必须通过基站（AP）转发帧

Ⅱ. 802.11 帧

帧分类：
1. 数据帧
2. 控制帧：如 ACK、RTS、CTS
3. 管理帧：如探测请求 / 探测响应帧，用于发现 Wi-Fi
数据帧格式：
- 记忆口诀：
  - 30 N 4 首数验，首部 3+1 地址
  - 九十比特表去来，帧的中转靠 AP
  - 去往 AP 中起止，来自 AP 止中起
- 数据帧 MAC 首部，占 30 字节，主要关注：
  1. 控制帧占 2 字节：
    - 类型：管理帧 00、控制帧 01、数据帧 10
    - 子类型：数据帧 0000、RTS 1011、CTS 1100、ACK 1101
    - 去往 AP：位于控制帧的第 9 bit，0 可记为 false，1 可记为 true 即当前帧是移动站发往 AP 的
    - 来自 AP：位于控制帧的第 10 bit，1 表示当前帧是 AP 发往移动站的
  2. 持续期占 2 字节：用于表示在本帧结束后还需占用信道多少实践（单位微秒 μs）
  3. 地址 1：表示发往结点的 MAC 地址，可为 AP 和目的地址
  4. 地址 2：表示发送结点的 MAC 地址，可为源地址和 AP
  5. 地址 3：如果地址 1（发往地址）是 AP 则该地址为目的地址，如果地址 1 是目的地址则该地址为源地址
- 数据帧帧主体：占 0 ~ 2312 字节
- 数据帧 MAC 尾部：占 4 字节，为 CRC 校验码，用于差错控制
控制帧：
1. RTS（Request To Send，请求发送）帧格式
  - 帧控制字段中，类型为 01，子类型为 1011
2. CTS（Clear To Send，允许发送）帧格式
  - 帧控制字段中，类型为 01，子类型为 1100
3. ACK（Acknowledge，确认）帧格式同 CTS 帧
  - 帧控制字段中，类型为 01，子类型为 1101

七、广域网

1. 基本概念

略

2. PPP 协议

略

八、以太网交换机

1. 概述

交换机 = 多端口网桥
交换机工作在数据链路层，可以根据目的 MAC 地址转发帧
交换机每个端口通常支持全双工通信，如果该端口与集线器连接则使用半双工通信

2. 自学习功能

交换表：
- 初始为空，记录【MAC 地址，端口号】的对应关系
- 每收到一个帧，就将 "发送方" 的【MAC 地址，端口号】更新到交换表（即只记录发送方）
- 为动态新增和删除结点，交换表中每个表项都有 "有效时间"，过期表项自动作废
转发帧：
- 如果 不知道 "接收方" 在哪里，就把帧广播到除入口外的其他端口（即当作广播帧处理）
- 如果知道 "接收到" 在哪里，就把帧 精准转发 至某个端口

3. 交换方式

直通交换方式
- 类似于电路交换
- 只需要知道帧的目的地址（6字节，48 bit），就能决定应该从哪个端口转发
- 优点：转发时延低
- 缺点：不适用于需要速率匹配、协议转换或差错检测的线路
存储转发交换方式
- 先把帧完整地接收到交换机内部的高速缓存中，进行差错检测等必要处理，再根据交换表决定从哪个端口转发出去
- 优点：适用于需要速率匹配、协议转换或差错检测的线路
- 缺点：转发时延高