计算机网络第三章笔记（三）

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| 拓扑类型 | 核心连接方式 | 典型应用 |
| 总线型 | 以同轴电缆为公共总线，所有站点直接接入，总线资源共享 | 传统以太网（早期10BASE-T之前） |
| 星型 | 所有站点通过集线器/交换机连接到中心节点 | 主流以太网（现代局域网标配） |
| 环型 | 传输介质连成闭合环路，数据沿环路单向传输 | 令牌环网、FDDI网 |

3. 局域网标准体系

核心标准制定组织：IEEE 802委员会，制定IEEE 802系列标准。
标准分层：将OSI数据链路层拆分为逻辑链路控制（LLC）子层 和介质访问控制（MAC）子层；物理层对应OSI物理层。
标准独立性：LLC子层与传输介质无关，MAC子层和物理层随传输介质不同而变化。

二、以太网介质访问控制协议（CSMA/CD）

1. 核心定义

英文全称：Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，即带冲突检测的载波监听多路访问。
适用场景：共享式以太网（半双工模式），解决多站点共享同一传输介质的冲突问题。

2. 工作原理

载波监听 ：站点发送数据前，先监听总线是否空闲（有无载波信号）。
空闲发送 ：若总线空闲，立即发送数据；若总线忙，继续监听，直到空闲。
冲突检测 ：发送数据过程中，持续监听总线，判断是否出现信号叠加（冲突）。
冲突处理 ：一旦检测到冲突，立即停止发送数据，发送冲突强化信号 （确保所有站点都能检测到冲突）；随后执行二进制指数退避算法 ，等待随机时间后重新监听总线。

3. 二进制指数退避算法

核心目的：降低冲突再次发生的概率，避免多个站点同时重发数据。
计算步骤：
- 定义冲突次数，初始值，最大重传次数。
- 计算退避时间：从中随机选择一个整数，退避时间（争用期：以太网争用期规定为64字节发送时间）。
- 重传限制：若则认为该帧无法到达，丢弃该帧，并向高层报告错误。

4. 以太网帧结构（IEEE 802.3标准帧）

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| 字段名称 | 字段长度（字节） | 核心作用 |
| 前导码 | 7 | 同步接收方时钟，使接收方与发送方同步 |
| 帧起始定界符 | 1 | 标记帧的真正起始位置 |
| 目的MAC地址 | 6 | 接收帧的站点硬件地址 |
| 源MAC地址 | 6 | 发送帧的站点硬件地址 |
| 长度/类型 | 2 | 表示数据字段的长度，或上层协议的类型（如IP协议） |
| 数据 | 46~1500 | 上层协议的数据包（不足46字节时填充至46字节） |
| 帧校验序列（FCS） | 4 | 采用CRC循环冗余校验，检测帧传输过程中是否出错 |

最小帧长：64字节（由争用期决定，确保冲突检测有效）；最大帧长：1518字节。

三、共享式以太网与交换式以太网

1. 核心设备对比

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| 对比维度 | 共享式以太网（集线器） | 交换式以太网（交换机） |
| 工作层次 | 物理层 | 数据链路层 |
| 核心功能 | 信号放大、再生、转发 | 帧的存储转发、MAC地址学习 |
| 地址学习能力 | 无（不识别MAC地址） | 有（自动构建MAC地址转发表） |
| 转发方式 | 广播转发（所有端口） | 精准转发（仅目标端口） |

2. 核心区别要点

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| 对比维度 | 共享式以太网 | 交换式以太网 |
| 单播帧传输 | （天然广播特性）广播方式传播，所有站点都能接收 | 根据MAC转发表精准转发，仅目标站点接收 |
| 广播帧传输 | 全网广播，所有站点同属一个广播域 | 非入帧接口广播，仍同属一个广播域 |
| 多主机通信 | 同一时刻只能一台主机发送数据，易发生冲突 | 多接口并行交换，无冲突（全双工模式） |
| 域隔离能力 | 不隔离碰撞域、不隔离广播域 | 隔离碰撞域、不隔离广播域 |

3.交换机的交换方式

直通交换方式

接收到该帧（不进行检错）就按照目的MAC地址立即决定转发接口，通过内部的基于硬件的交叉矩阵进行转发

交换机自学习和查表转发

学习过程：交换机接收帧时，记录帧的源MAC地址和对应的入端口，存入MAC地址转发表。
转发过程：
1. 若目标MAC地址在转发表中，从对应端口转发；
2. 若目标MAC地址不在转发表中，执行泛洪操作（除入端口外所有端口转发）；
3. 若目标MAC地址为广播地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF），直接泛洪转发。
老化机制：由于网络内可能会发生变化，转发表中的条目有老化时间，超时无更新则删除，保证转发表有效性。

四、虚拟局域网（VLAN）

1. 核心定义与作用

定义：将局域网内的站点，按照功能、部门或应用需求 ，划分为与物理位置无关的逻辑工作组，每个逻辑组即为一个VLAN。
核心作用：
- 缩小广播域，减少广播风暴对网络性能的影响；
- 提高网络安全性，不同VLAN间站点默认无法直接通信；
- 简化网络管理，站点移动时无需重新布线。

2. VLAN实现标准与帧结构

标准协议：IEEE 802.1Q ，为以太网帧添加VLAN标签。
标签位置：插入在以太网帧的源MAC地址字段 与长度/类型字段之间。
标签结构（4字节）：

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| 字段名称 | 长度（比特） | 核心作用 |
| 标签协议标识符（TPID） | 16 | 固定值0x8100，标识该帧为带VLAN标签的帧 |
| 优先级（PRI） | 3 | 帧的优先级，用于QoS（服务质量）保障 |
| 规范格式指示器（CFI） | 1 | 标识帧的格式（以太网帧/令牌环帧） |
| 虚拟局域网标识符（VID） | 12 | 标识帧所属的VLAN，取值范围1~4094（0和4095保留） |

3. 交换机接口类型及规则

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| 接口类型 | 适用场景 | 接收帧处理规则 | 发送帧处理规则 |
| Access | 连接终端主机（如电脑、服务器） | 接收普通帧时，自动插入接口的PVID（默认VLAN ID）标签 | 发送帧时，若帧的VID与接口PVID一致，删除标签后转发；否则丢弃 |
| Trunk | 连接交换机与交换机、交换机与路由器 | 接收带标签帧：VID在允许列表内则接收；接收普通帧：插入接口PVID标签 | 发送帧时，若VID与接口PVID一致，删除标签后转发；否则直接转发带标签帧 |

4. VLAN间通信原理

同一VLAN内：站点可直接通信，无需三层设备转发。
不同VLAN间：默认无法直接通信，需借助三层网络设备（如三层交换机、路由器）实现路由转发。
通信关键：三层设备为每个VLAN分配独立的IP子网，通过路由表实现不同子网（VLAN）间的数据转发。

五、高速以太网

1. 高速以太网分类

2. 关键技术说明

载波延伸：吉比特以太网半双工模式下，争用期变为512字节时间而最短帧长仍为64字节，延长帧的传输时间，确保冲突检测有效。
分组突发：当有多个短帧要发送时，第一个帧采用载波延伸，后续帧连续发送，减少载波延伸带来的带宽开销。