CN——数据链路层（下）

3.4 局域网

3.4.1 局域网基础概念

局域网（LAN）是覆盖范围、接入站点数目受限的本地网络，覆盖半径通常在1km以内，

典型应用场景：学生宿舍、单体楼宇、校园园区、企业办公园区。

局域网核心特点：

1. 由微型计算机、工作站通过高速链路互联而成，网络传输速率高；

2. 传输时延低、误码率低，网络传输质量稳定；

3. 归属私人、组织独立拥有，可自主完成部署、运维、管理工作；

4. 终端设备位置灵活，可随时调整、变动，组网灵活；

5. 天然支持广播、多播通信，局域网内所有站点可便捷访问、全网共享软硬件资源。

按网络拓扑结构分类

1. 总线型局域网

所有站点直接接入一条公共共享总线，所有设备竞争占用总线资源。传统早期以太网为典型总线型局域网，目前民用、商用以太网已全部演进为星型拓扑，总线型基本淘汰。

2. 星型局域网

以集线器或交换机为中心核心节点，通过双绞线连接所有终端设备，形成星型物理拓扑。是目前局域网主流组网结构，部署简单、维护方便、容错性强。

3. 环形局域网

传输介质首尾相接，形成闭合环形链路，所有站点挂载在环形链路上。数据沿固定方向单向或双向逐站点转发，典型代表为令牌环网。环形拓扑容错性极差，单链路故障会导致全网瘫痪，现已彻底淘汰。

从网络体系结构来看，局域网仅涉及物理层、数据链路层 。当前以太网技术是局域网的绝对主流，基本成为局域网的代名词。

3.4.2 局域网数据链路层分层

局域网发展初期存在两套并行标准：DIX V2以太网标准 、IEEE以太网标准，厂商设备兼容性差、协议不统一。

为适配不同局域网标准、屏蔽底层差异，IEEE委员会将局域网数据链路层拆分为两个独立子层：LLC逻辑链路控制子层 、MAC媒体接入控制子层，实现上层协议与底层硬件、局域网标准解耦。

1. MAC子层（媒体接入控制子层）

贴近物理层，核心负责共享信道的媒体接入控制、帧封装与寻址，是局域网底层核心子层。

核心功能：

1. 完成帧的封装、解封装，识别帧边界，通过FCS校验完成帧差错检测；

2. 定义48位MAC硬件地址，实现局域网内帧的二层寻址与转发；

3. 实现介质接入控制协议，以太网专属使用CSMA/CD协议；

4. 对接物理层，完成比特流的发送与接收。

不同局域网技术（以太网、令牌环网）的MAC子层标准相互独立、互不兼容。

2. LLC子层（逻辑链路控制子层）

贴近网络层，核心作用是屏蔽底层MAC子层、传输介质、局域网标准的差异，为上层网络层提供统一的标准化服务接口。

核心功能：

1. 实现帧的复用与分用，通过DSAP、SSAP字段区分上层各类网络协议；

2. 提供三类传输服务：无确认无连接服务、面向连接服务、有确认无连接服务；

3. 可选实现流量控制、差错恢复，弥补MAC子层仅检错、不纠错的缺陷。

现代以太网实践（重点） ：早期局域网严格遵循「IEEE 802.2 LLC + 802.3 MAC」分层结构。随着TCP/IP协议栈普及，DIX V2以太网标准成为绝对主流，IEEE标准基本废弃。目前绝大多数网卡仅实现物理层+MAC子层功能，LLC子层彻底失去存在意义，实际组网中完全省略。

3.4.3 网络适配器（网卡）工作原理

计算机接入局域网必须配备网络适配器（网卡），分为有线以太网卡、无线WiFi网卡，每块网卡拥有独立唯一接口地址。

网卡数据传输特性：

1. 网卡与CPU、主机内存之间：通过主板I/O总线并行传输数据；

2. 网卡与外部局域网（双绞线、光纤、同轴电缆）之间：串行传输数据。

因此网卡核心必备功能：实现并行数据与串行数据的相互转换 。同时由于主机总线传输速率与网络传输速率不匹配，网卡核心芯片集成缓存寄存器，用于缓冲数据、适配速率。

网卡工作依赖驱动程序：操作系统安装网卡驱动后，可控制网卡收发帧。

网卡帧处理规则：

1. 接收无差错、匹配本机的有效帧：通过中断机制通知CPU，将帧载荷交付上层网络层协议栈；

2. 接收错误帧、无效帧：直接丢弃，不通知CPU，节省主机资源。

3.4.4 MAC地址（物理/硬件地址）

1. MAC地址作用

点对点信道仅有两端设备，无需地址标识；但局域网是广播信道，一台设备发送的帧会全网泛洪，必须依靠MAC地址区分接收设备，实现精准通信。MAC地址是数据链路层的唯一接口标识。

2. MAC地址基础属性

MAC地址又称硬件地址、物理地址，固化在网卡EEPROM（电可擦除只读存储器）中，长度为48比特（6字节） ，采用十六进制连字符格式表示（共6组）。

MAC地址标识网络接口，而非网络设备。

交换机、路由器多接口设备，每个接口对应一个独立MAC地址。

3. MAC地址四大分类

1. 全球单播MAC地址（公有单播）：厂商向IEEE注册购买，固化在设备硬件中，全球唯一，用于常规局域网通信；

2. 全球多播MAC地址（公有多播）：由IEEE统一分配，用于公有网络多播通信；

3. 本地单播MAC地址（私有单播）：不受IEEE管控，用户/组织可自行配置，动态生成、可覆盖原厂MAC，多用于实验室、虚拟化、手机WiFi随机MAC（隐私防追踪）；

4. 本地多播MAC地址（私有多播）：自定义使用，仅用于内网测试、实验室环境。

特殊地址：48比特全1的MAC地址 FF-FF-FF-FF-FF-FF 为广播地址，是本地多播地址的特例。四类MAC地址各占用总地址空间的1/4。

4. 网卡MAC地址匹配规则

网卡接收帧后，检测目的MAC地址，按规则处理：

1. 目的MAC为广播地址：接收该广播帧；

2. 目的MAC为单播地址，且与本机固化MAC一致：接收该单播帧；

3. 目的MAC为多播地址，且本机已加入对应多播组：接收该多播帧；

4. 其余所有情况：直接丢弃帧，避免浪费主机CPU与内存资源。

3.4.5 CSMA/CD 协议（共享总线以太网核心）

1. 协议背景

共享总线以太网天然具备广播特性，所有站点共享同一总线资源，同一时刻仅能一台设备发送数据，多设备同时发送会产生信号碰撞。

CSMA/CD（载波监听多址接入/碰撞检测）用于协调总线信道资源竞争。

2. 协议核心机制

• 多址接入：多站点共享同一总线信道，竞争信道使用权；

• 载波监听（先听后发） ：发送帧前监听信道，信道空闲且持续96比特帧间间隔，才可发送；信道繁忙则等待空闲；

• 碰撞检测（边听边发） ：发送帧的同时持续监听信道，检测到碰撞立即停止发送，等待随机时间重传。

核心限制：CSMA/CD仅支持半双工通信，设备无法同时收发数据。

3. 争用期（碰撞窗口）

设以太网最远两端站点单程传播时延为τ，站点发送帧后，最长经过**2τ（往返时延）**即可检测是否发生碰撞。若2τ时间内无碰撞，本次传输绝对不会冲突。

2τ被定义为争用期/碰撞窗口。10M传统共享以太网争用期=512比特发送时间=51.2μs。

4. 最小帧长与最大帧长

最小帧长 ：为保证发送方在争用期内检测到碰撞，帧发送时延必须≥争用期。公式：最小帧长=传输速率×争用期。以太网最小帧长=64字节（512比特） 。接收端收到小于64字节的帧，判定为碰撞导致的异常无效帧，直接丢弃。

最大帧长 ：限制单设备长期独占总线，避免占用缓存、浪费带宽。以太网V2 MAC帧最大总长1518字节，其中数据载荷最大1500字节，首部+尾部共18字节。

5. 截断二进制指数退避算法

碰撞后站点随机退避重传，规则：

1. 基本退避时间：取争用期2τ（10M以太网51.2μs）；

2. 随机数R：从集合0,1,2...2ᵏ-1中随机选取，k=min(重传次数,10)，重传次数超10则k固定为10（截断特性）；

3. 实际退避时间=基本退避时间×R；

4. 重传16次失败则放弃重传，向上层报告故障。

算法可动态适配网络负载，碰撞越多、重传次数越多，平均退避时间越长，有效降低后续碰撞概率。

6. 信道利用率

3.4.6 以太网V2 MAC帧格式

以太网V2 MAC帧共5个核心字段，无LLC头部，是目前唯一通用帧格式：

1. 目的MAC地址（6字节）：接收设备接口地址；

2. 源MAC地址（6字节）：发送设备接口地址；

3. 类型字段（2字节）：标识上层协议（0x0800=IPv4、0x0806=ARP）；

4. 数据载荷（46~1500字节）：上层协议数据，不足46字节自动填充；

5. FCS帧校验序列（4字节）：CRC-32校验，校验范围为目的地址至数据字段。

帧总长范围：64~1518字节。物理层额外添加前导码，不属于MAC帧内容。

无效MAC帧判定（直接丢弃）

1. 帧长度非整数字节；

2. FCS校验检测出比特误码；

3. 帧总长不在64~1518字节区间。

以太网数据链路层提供不可靠传输服务，无确认、无重传机制。

3.4.7 集线器与物理层扩展以太网

1. 10BASE-T 共享以太网

采用集线器+双绞线组网，10-BASE-T以太网，10=10Mbps速率、BASE=基带传输、T=双绞线。物理拓扑为星型，逻辑仍为总线型。

2. 集线器核心特性

1. 工作在物理层，仅转发比特电信号，不识别帧、MAC地址，无碰撞检测功能；

2. 全网共享总线资源，使用CSMA/CD协议，仅支持半双工；

3. 具备基础容错能力，可自动断开故障端口，保护全网稳定；

4. 不隔离碰撞域、不隔离广播域 ，所有端口同属一个冲突域、一个广播域。

3. 物理层扩展以太网规则

通过中继器、集线器、光纤扩展网络，遵循5-4-3规则 ：最多5个网段、4台中继器、仅3个网段可接入终端设备。

扩展缺陷：物理层扩展仅延长总线长度，所有网段合并为一个超大碰撞域，站点越多、碰撞越频繁，网络性能大幅下降，无法无限扩展。

3.4.8 以太网交换机与数据链路层扩展以太网

1. 交换机基础特性

交换机是工作在数据链路层的多接口设备，可连接终端、集线器、其他交换机。

工作模式：直连终端/交换机时为全双工通信 ，无需CSMA/CD，无碰撞；连接集线器时为半双工，需启用CSMA/CD。

2. 两种转发方式

1. 存储转发 ：完整接收帧、FCS检错后转发，可靠性高，主流方式；

2. 直通转发 ：读取帧头部MAC地址立即转发，时延极低，无检错机制，可能转发无效帧。

3. 交换机自学习与转发机制

交换机维护MAC转发表，记录「源MAC地址-入接口-生存时间」。

1. 自学习 ：接收帧后，提取源MAC与入接口，写入转发表，条目带老化时间，超时自动删除；

2. 单播帧转发：

   1. 查表无目的条目→洪泛转发；

   2. 查表条目出接口≠入接口→定向转发；

   3. 查表条目出接口=入接口→丢弃帧；

3. 广播帧：无需查表，直接向除入接口外所有端口洪泛转发。

4. 域隔离

交换机每个端口为独立碰撞域 ，彻底隔离端口间冲突；整机所有端口同属一个广播域 ，无法隔离广播流量。

5. STP生成树协议

多交换机级联部署冗余链路会产生二层环路，导致帧无限循环、广播风暴、全网瘫痪。

STP协议可自动梳理拓扑，阻塞冗余端口，构建无环路树型拓扑；网络拓扑变更时自动重构，兼顾可靠性与无环路。

3.4.9 共享式以太网 VS 交换式以太网

1. 设备差异 ：共享式依托集线器（物理层） ；交换式依托交换机（数据链路层）；

2. 协议差异 ：共享式必须使用CSMA/CD、半双工 ；交换式全双工、无冲突、无需CSMA/CD；

3. 单播通信 ：共享式单播帧全网广播；交换式精准定向转发；

4. 多终端并发：共享式多终端同时发送必冲突；交换式支持多组终端并行通信；

5. 域隔离：集线器无任何域隔离；交换机隔离碰撞域，不隔离广播域；路由器可同时隔离碰撞域与广播域。

目前交换式以太网已完全取代共享式以太网。

3.4.10 虚拟局域网 VLAN

1. 产生背景

默认交换机所有端口属于同一广播域，ARP、DHCP广播帧频繁发送，易产生广播风暴、占用带宽；同时整网无逻辑隔离，部门数据安全性差。VLAN用于二层划分逻辑广播域。

2. VLAN核心定义

VLAN是与物理位置无关的逻辑局域网，一个VLAN=一个独立广播域。同VLAN二层直接通信，不同VLAN二层完全隔离，必须通过三层设备才可互通。

3. 802.1Q帧标签

在标准以太网帧中插入4字节VLAN标签：2字节TPID（固定0x8100，标识带标签帧）、2字节TCI（含12位VID）。VID有效范围1~4094，0、4095保留禁用。插入标签后需重新计算FCS校验值。

4. 交换机端口模式

1. Access端口（接终端） ：仅属于单个VLAN，接收无标签帧、打上PVID标签；发送时剥离标签，收发均为普通帧；

2. Trunk端口（交换机互联） ：承载多个VLAN流量，可收发带标签帧与本征VLAN无标签帧，实现跨交换机VLAN通信。

5. VLAN优势

1. 缩小广播域，抑制广播风暴，提升网络带宽利用率；

2. 逻辑隔离不同部门网段，提升内网安全性；

3.4.11 无线局域网 IEEE 802.11（WiFi）

1. 组网模式分类

（1）有固定基础设施（主流）

核心单元为BSS（基本服务集）：1台AP接入点+若干无线终端。所有终端通信必须经过AP转发。多个BSS通过DS分配系统互联，构成ESS扩展服务集，支持终端无缝漫游。

核心参数：SSID（无线网络名称）、BSSID（AP固有MAC地址）、无线信道；单BSS覆盖半径≤100米。

（2）无固定基础设施（Ad Hoc自组网）

无AP、无中心节点，终端对等互联，多跳转发数据，终端需具备路由功能，多用于临时组网。

2. 802.11帧类型

1. 数据帧：承载业务数据；

2. 控制帧：协调信道访问（RTS、CTS、ACK、PS-POLL）；

3. 管理帧：负责入网、认证、关联、拓扑维护（信标帧、认证帧）。

无线帧含4个地址字段，通过帧控制字段标识转发路径；采用CRC校验，依靠停止等待协议实现可靠传输。

3. CSMA/CA 碰撞避免协议

无线局域网无法使用CSMA/CD：无线信号强弱差异大、硬件难以检测碰撞，且存在隐蔽站问题 （两端终端互相检测不到信号，同时发包引发冲突），因此采用CSMA/CA（载波监听多址接入/碰撞避免）。

核心：无法杜绝碰撞，仅能最大限度降低碰撞概率。

（1）两种工作模式

1. DCF分布式协调（默认必选）：所有站点竞争信道，基于CSMA/CA组网；

2. PCF点协调（可选、极少用）：AP集中轮询，无竞争传输。

（2）核心机制

1. 帧间间隔IFS：SIFS（短间隔，高优先级帧）、DIFS（长间隔，普通数据帧），通过等待时长区分帧优先级；

2. 虚拟载波监听NAV：帧头部携带信道占用持续期，其他站点更新NAV计时器，计时器归零前默认信道繁忙，避免冲突；

3. 随机退避算法 ：

4. RTS/CTS信道预约 ：发送大数据帧前先发RTS请求帧，AP回复CTS确认帧，全网更新NAV，彻底解决隐蔽站问题。

（3）可靠传输机制

无线信道误码率高，CSMA/CA依靠ACK确认帧+超时重传实现数据链路层可靠传输，区别于有线以太网的不可靠传输。

3.4.12 介质访问控制技术总分类

1. 静态划分信道（物理层）

预分配信道资源，无碰撞、稳定性高，灵活性差。包含：FDM频分复用、TDM时分复用、CDM码分复用、WDM波分复用。应用：电话、卫星、有线电视。

2. 随机访问（数据链路层）

站点竞争信道，冲突后重传，灵活性高，适合突发数据，高负载性能下降。

• 纯ALOHA：无监听、直接发包，想发就发，碰撞窗口2T，利用率极低；

  

• 时隙ALOHA：改善ALOHA正在发送帧在时间上的随意性，仅时隙起点发包，碰撞窗口缩为T，性能提升；

• CSMA系列：先监听后发包，包含非坚持、1-坚持、P-坚持CSMA；

• CSMA/CD：有线以太网专用，边发边检测、冲突即停；

• CSMA/CA：无线局域网专用，信道预约、随机退避、避免碰撞。

3. 轮询访问（受控访问）

无信道竞争、无碰撞，由中心节点或令牌机制管控发送权。典型：令牌环网（分散控制）、中心轮询（集中控制）。

令牌环网

3.5 广域网基础

广域网（WAN）是覆盖大范围地理区域的通信网络，核心特点：

1. 覆盖范围极广，跨度可达数十千米至全球；

2. 传输时延高，数据需经过多台运营商设备转发、长距离传输；

3. 依托运营商基础设施（电信、移动、联通），用户租赁使用；

4. 主要用于跨区域局域网互联、远距离数据传输。