文章目录
四、共享式以太网
五、交换式以太网
六、以太网的MAC帧格式
七、虚拟局域网
八、以太网的发展
九、802.11无线局域网
十、结语
四、共享式以太网
共享式以太网概念：共享式以太网是早期采用总线型或集线器（HUB）结构、所有站点共享同一传输介质和总带宽的以太网，核心是共享信道、竞争发送。
要点：
- 所有节点共用一条物理信道或同一个冲突域；
- 使用 CSMA/CD 协议解决信道争用问题；
- 同一时刻只能有一个设备发送数据，否则会产生冲突；
- 网络总带宽被所有节点均分，用户越多，性能越差；
- 已基本被交换式以太网取代。
4.1 网络适配器和MAC地址
4.1.1 网络适配器
网络适配器又称网卡，是计算机与局域网相互连接的网络接口设备，既属于硬件接口，也包含数据链路层功能。
1.主要功能：
- 数据封装与解封装：发送时组装成以太网帧；接收时拆封并提取数据。
- 链路控制：实现 CSMA/CD、差错检测等数据链路层功能。
- 串并转换：完成计算机内部并行数据与网络串行信号的转换。
- 编码与译码：实现数字信号与线路传输信号的转换。
- 缓存数据：内置缓存，协调计算机与网络的速度差异。
- 拥有 MAC 地址：每块网卡全球唯一的物理地址，用于数据链路层寻址。
2.工作层次：
同时涉及物理层和数据链路层功能。
3.简单一句话总结：
网卡是计算机接入网络的接口设备，负责数据收发、链路控制与信号转换，并拥有唯一的 MAC 地址。
4.1.2 MAC地址
4.2 CSMA/CD协议
4.2.1 CSMA/CD协议的基本原理
4.2.2 共享式以太网的争用期、最小帧长和最大帧长
4.2.3 共享式以太网的退避算法和信道利用率
4.3 使用集线器的共享式以太网
4.4 在物理层扩展以太网
4.4.1 扩展站点与集线器之间的距离
4.4.2 扩展共享式以太网的覆盖范围和站点数量
4.5 在数据链路层扩展以太网
4.5.1 使用网桥在数据链路层扩展以太网
4.5.2 网桥的主要结构和基本工作原理
4.5.3 透明网桥的自学习和转发帧的流程
4.5.4 透明网桥的生成树协议STP
五、交换式以太网
5.1 以太网交换机
一、基本概念
以太网交换机是工作在数据链路层的网络设备，用于连接以太网节点，实现帧的转发与过滤，替代传统集线器，大幅提升网络性能。
二、 基本工作原理
- 学习 MAC 地址
交换机通过接收帧，记录源 MAC 地址与对应端口，建立MAC 地址表。
- 根据目的 MAC 转发- 已知单播帧：直接转发到对应端口
- 未知单播帧/广播帧/组播帧：向除入端口外所有端口泛洪
- 隔离冲突域
每个端口独立构成一个冲突域，支持全双工通信，无冲突。
三、主要特点
- 每个端口独享带宽
- 数据链路层转发，效率远高于集线器
- 支持 VLAN、链路聚合、QoS 等扩展功能
- 即插即用，自动学习地址
四、与集线器（HUB）的区别（常考）
- 集线器：物理层设备，共享带宽，所有端口同一冲突域
- 交换机：数据链路层设备，独享带宽，每个端口独立冲突域
5.2 共享以太网和交换式以太网的对比
六、 以太网的MAC帧格式
以太网的MAC帧格式主要有两种：一个是DIX Ethernet V2的帧格式（主流），另一个是IEEE 802.3的帧格式。
由于这两种格式都差不多，这里就只讲DIX Ethernet V2的帧格式。
七、虚拟局域网
7.1 虚拟局域网VLAN
7.1.1 虚拟局域网VLAN的诞生背景
7.1.2 虚拟局域网VLAN概述
7.2 虚拟局域网VLAN的实现机制
VLAN（虚拟局域网）的核心实现机制，是通过交换机的软件配置，将一个物理局域网在逻辑上划分为多个独立的广播域，并依靠 802.1Q 标签协议 实现跨设备的识别与隔离。
一、核心原理：逻辑隔离与标签机制
- 广播域隔离
未划分 VLAN 时，一个物理交换机就是一个大广播域，广播包会发给所有端口。
VLAN 将其切分为多个逻辑广播域。同一 VLAN 内可直接通信；不同 VLAN 二层完全隔离。
- 802.1Q 标签（VLAN Tag）
标准协议在以太网帧头部插入 4 字节标签：
TPID (16bit)：固定 0x8100 ，标识这是 802.1Q 帧。
PCP (3bit)：服务质量（QoS）优先级。
CFI (1bit)：格式指示，以太网默认为 0。
VID (12bit)：VLAN ID（1--4094，0、4095 保留）。
二、交换机端口工作模式
- Access 端口（接入终端）
用途：连接 PC、服务器等普通设备。
规则：- 只属于一个 VLAN（PVID 端口默认 VLAN）。
收包：无标签 → 交换机打上 PVID 标签。
发包：有标签 → 剥离标签再发给终端。
- Trunk 端口（交换机互联）
用途：交换机之间、交换机与路由器/服务器。
规则：- 允许多个 VLAN 流量通过。
帧始终带标签传输。
允许列表（Allowed VLAN）外的流量被丢弃。
三、数据转发流程（跨交换机示例）
PC1（VLAN10）发数据 → 发无标签帧到 Switch1 的 Access 口。
Switch1 按端口 PVID 打上 VLAN10 标签。
Trunk 链路 → 带标签帧传到 Switch2。
Switch2 查 VLAN 表 → 只发给 VLAN10 的 Access 口。
Access 口剥离标签 → 发给 PC2。
四、VLAN 划分方式
基于端口（最常用）：按交换机端口固定分配 VLAN。
基于 MAC 地址：设备 MAC 绑定 VLAN，移动位置不变。
基于协议/IP：按网络层协议或网段划分。
五、VLAN 间通信（三层转发）
不同 VLAN 二层隔离，必须通过三层设备互通：
三层交换机：用 SVI 虚拟接口（VLANIF）做路由。
单臂路由：路由器子接口封装 802.1Q，分别对应各 VLAN。
六、总结
核心：802.1Q 标签 + 端口模式 + 广播域隔离。
作用：缩小广播域、提升安全、简化管理、灵活组网 。
八、以太网的发展
以太网从 1970 年代实验性网络，演进为全球主流有线局域网（LAN）技术，核心是速度持续升级、介质从同轴→双绞线→光纤、拓扑从共享总线→交换网络、标准不断迭代。
一、诞生与早期（1970s）
1973：Bob Metcalfe（以太网之父）在施乐 PARC 提出 Ethernet 雏形（原称 Alto Aloha Net）
1975：施乐推出 2.94 Mbps 实验网，粗同轴电缆、总线型
1977：获"带冲突检测的多点通信系统"专利（CSMA/CD 核心）
二、10Mbps 时代（1980s）：标准化与商用
1980：DEC、Intel、施乐（DIX）发布 10Mbps Ethernet V1
1982：DIX Ethernet V2（至今仍常用帧格式）
1983：IEEE 发布 802.3 标准（10BASE5 粗缆）
1985：10BASE2（细缆）更便宜、易部署
1990：10BASE-T（双绞线、星型）→ 彻底替代同轴
三、快速以太网（1990s）：100Mbps 爆发
1995：IEEE 802.3u（100BASE-TX） → 100Mbps
介质：5类双绞线、光纤（100BASE-FX）
关键：交换机普及，取代共享式集线器（HUB），全双工、无冲突
四、千兆以太网（2000s初）：骨干与桌面
1998：IEEE 802.3z（光纤）
1999：IEEE 802.3ab（1000BASE-T） → 5类线跑 1Gbps
应用：服务器、核心交换机、企业骨干
五、万兆/40G/100G（2000s末---2010s）：数据中心时代
2002：802.3ae（10Gbps） → 只支持光纤、全双工
2010：40G/100G（802.3ba） → 数据中心核心
2003--2009：PoE（802.3af/at） → 网线供电（IP电话、AP、摄像头）
六、超高速时代（2010s---至今）：400G/800G/1.6T
2017--2020：200G/400G（802.3cd/bs）
2020s：800G/1.6T 标准推进，面向 AI、超算、云数据中心
同时：2.5G/5G BASE-T 普及（家用/企业，低成本升级）
七、发展主线
速度：2.94M → 10M → 100M → 1G → 10G → 40G/100G → 400G → 800G+
介质：粗同轴 → 细同轴 → 双绞线（RJ45） → 光纤
拓扑：共享总线（半双工） → 交换式星型（全双工）
应用：PC局域网 → 企业网 → 数据中心 → 工业/车载/5G承载
九、802.11无线局域网
9.1 802.11无线局域网的组成
802.11 就是我们常说的 Wi-Fi，它的网络结构主要分为硬件组成和逻辑体系结构两部分。
一、硬件基本组成
- 站点（STA，Station）- 所有带无线网卡的终端
- 如：手机、笔记本、平板、物联网设备
- 无线接入点（AP，Access Point）- 俗称"无线热点"
- 负责无线信号收发，把无线转有线接入网络
- 无线网卡（WLAN NIC）- 终端内置或外接的 Wi-Fi 模块
- 实现 802.11 协议的调制解调
- 分布式系统（DS，Distribution System）- 连接多个 AP 的有线网络
- 通常是交换机、路由器、以太网
- 有线端设备- 路由器、AC 控制器、交换机、防火墙等
二、逻辑体系结构
- 基本服务集（BSS，Basic Service Set）
一个 AP + 若干 STA 组成
是 WLAN 的基本单元
分为两种：- 独立 BSS（IBSS）：无 AP，设备直连（Ad-hoc 模式）
基础结构 BSS：有 AP，最常用模式
- 扩展服务集（ESS，Extended Service Set）
多个 BSS 通过分布式系统（DS）互联
实现跨 AP 漫游
对外表现为一个统一的无线网络
- 分布式系统（DS）
连接不同 AP，实现数据转发
一般为以太网
- 门户（Portal）
WLAN 与有线网/外网的逻辑接口
相当于网关，完成协议转换
三、管理与控制设备（企业级）
AC（无线控制器）：统一管理多个 AP
PoE 交换机：给 AP 供电+传数据
认证服务器：如 Radius，用于账号密码认证
四、简单总结
802.11 WLAN 由 站点(STA)、AP、分布式系统(DS)、基本服务集(BSS)、扩展服务集(ESS) 构成，核心是BSS 为基本单元，ESS 实现漫游。
9.2 802.11无线局域网的物理层
9.3 802.11无线局域网的数据链路层------使用CSMA/CA协议
9.4 802.11无线局域网的数据链路层------CSMA/CA协议的基本工作原理
CSMA/CA 是 IEEE 802.11 无线局域网使用的介质访问控制协议，全称 载波侦听多路访问/冲突避免。核心思想：先听后发、空闲发送、忙则等待、冲突避免。
一. 基本原理
- 载波侦听
站点在发送数据前，先监听信道是否空闲。- 信道忙 → 等待
- 信道空 → 准备发送
- 冲突避免（核心）
无线环境无法像以太网那样检测冲突，只能尽量避免冲突。
采用 随机退避 + 握手机制 减少碰撞。
- 多路访问
多个站点共享同一信道，按规则竞争使用。
二. 详细工作流程
- 发送前侦听信道
若信道空闲，等待 DIFS（分布式帧间间隔） 后再发送。
- 信道忙则执行退避算法- 选取一个随机的退避时间
信道空闲时，退避计时器递减
计时器减到 0 且信道仍空闲，才发送数据
- RTS/CTS 握手机制（可选）
为进一步避免冲突，发送方先发 RTS（请求发送），
接收方回复 CTS（允许发送），
其他站点收到后会设置 网络分配矢量（NAV），知道信道要被占用，从而不发送。
- 确认应答 ACK
数据发送完成后，等待 SIFS，接收方返回 ACK 确认。
未收到 ACK 则认为出错，重发。
三. 一句话总结
站点发送数据前先侦听信道，信道空闲则等待一段固定时间后发送；信道忙则采用随机退避算法等待；通过 RTS/CTS 握手和 ACK 确认机制，避免冲突、保证可靠传输。
9.5 802.11无线局域网的MAC帧
十、结语
终于将前面的内容补充完了，数据链路层已更新完毕。