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计算机网络基础 - 链路层(3)

article 2025/1/30 1:43:36

计算机网络基础

链路层和局域网
- 交换局域网
- - 链路层寻址
  - 地址解析协议 ARP
  - 以太网
  - - 物理拓扑
    - 以太网帧结构
    - 以太网提供的服务
    - 以太网标准
  - 链路层交换机
  - - 交换机转发和过滤
    - 自学习
    - 交换机优点
    - 交换机和路由器比较

大家好呀！我是小笙，本章我主要分享计算机网络基础 - 链路层(3)学习总结，希望内容对你有所帮助！！

链路层和局域网

交换局域网

链路层寻址

事实上，并不是主机或路由器具有链路层地址，而是它们的适配器具有链路层地址

MAC（LAN/物理/以太网）地址

用于使帧从一个网卡传递到与其物理连接的另一个网卡（在同一个物理网络中）

48bit MAC地址固化在适配器的ROM，有时也可以通过软件设定（通常用十六进制表示法 1A-2F-BB-76-09-AD）
理论上全球任何2个网卡的MAC地址都不相同

不同公司如何在生产适配器的时候，控制使用不同 MAC 地址？

答案是 IEEE在管理着该MAC地址空间。当一个公司要生产适配器时，它支付象征性的费用购买组成24个地址的一块地址空间。IEEE分配这块24个地址的方式是固定一个MAC地址的前24比特，让公司自己为每个适配器生成后24比特的唯一组合

IP地址和MAC地址的作用区别

IP地址具有分层的结构（即一个网络部分和一个主机部分）

当主机移动时，主机的 IP地址需要改变，即改变它所连接到的网络
主要用于IP地址网络到网络的交付

适配器的MAC地址具有扁平结构

网卡在生产时不知道被用于哪个网络，因此给网卡一个唯一的标示，用于区分一个网络内部不同的网卡即可（不论适配器到哪里用都不会变化）
主要用于一个物理网络内部的节点到节点的数据交付

网络地址如果和 MAC 地址进行捆绑，可能存在的问题

局域网是为任意网络层协议而设计的，而不只是用于 IP 和因特网
每次上电都要重新写入网卡 IP地址
在适配器中不使用任何地址，让每个适配器将它收到的每帧数据，沿协议栈向上传递到网络层才能够核对网络地址层是否匹配，这将会导致主机将被局域网上发送的每个帧中断

地址解析协议 ARP

ARP 协议主要用于网络层地址和链路层地址之间的转换（需要在同一个子网中）

每台主机或路由器在其内存中具有一个ARP表，这张表包含IP地址到MAC地址的映射关系（该ARP表也包含一个寿命 TTL 值，它指示了从表中删除每个映射的时间，通常的过期时间是20分钟）

寻址过程

A 要发送帧给 B（B的IP地址已知）但 B 的MAC地址不在 A 的ARP表中
A 广播包含 B 的IP地址的ARP查询包
- LAN上的所有节点都会收到该查询包
B 接收到ARP包，回复 A 关于自己的MAC地址（单播）
A 在自己的ARP表中，缓存 IP - MAC地址映射关系，直到信息超时（软状态: 靠定期刷新维持的系统状态）
ARP是即插即用的
- 节点自己创建ARP的表项
- 无需网络管理员的干预

以太网

日前最主流的LAN技术：98%占有率
100Mbps 以太网只需要30元RMB ，比令牌网和ATM网络简单、廉价
技术带宽不断提升：10M，100M，1G，10G

物理拓扑

总线（在上个世纪80年代很流行）

一次只允许一个节点发送
可靠性差，如果介质破损，截面形成信号的反射，发送节点误认为是冲突，总是冲突

常见的网络拓扑结构有哪几种• Worktile社区

星型（目前最主流）

连接选择：集线器 hub或者交换机 switch （现在一般是交换机在中心）
交换机：每个节点以及相连的交换机端口使用（独立的）以太网协议（不会和其他节点的发送产生碰撞)

以太网帧结构

发送方适配器在以太网帧中封装 IP数据报，或其他网络层协议数据单元

前同步码（8字节）

以太网帧以一个8字节的前同步码字段开始，该前同步码的前7字节的值都是10101010；第八个字节是10101011

前同步码字段的前7字节用于“唤醒”接收适配器，并且将它们的时钟和发送方的时钟同步；前同步码的第8个字节的最后两个比特（出现的两个连续的1）警告适配器需要接收的数据就要到了

目的地址（6字节）

这个字段包含目的适配器的MAC地址，即 XX-XX-XX-XX-XX-XX

当适配器B收到一个以太网帧，帧的目的地址无论是 XX-XX-XX-XX-XX-XX，还是MAC广播地址，它都将该帧的数据字段的内容传递给网络层；如果它收到了任何其他MAC地址的帧，则丢弃之

类型（2字节）

指出高层协（大多情况下是IP，但也支持其它网络层协议Novell IPX和Apple Talk)

数据字段（46~1500字节）

这个字段承载了IP数据报，数据大小必须在 46字节 - 1500字节之间，数据过大需要分片，数据过小需要补齐（网络层使用IP数据报首部中的长度字段来去除填充部分）

CRC（4字节）

CRC(循环冗余检测)字段的目的是使得接收适配器检测帧中是否引入了差错

以太网提供的服务

采用二进制退避的CSMA/CD介质访问控制形式

无连接：帧传输前，发送方和接收方之间没有握手
不可靠：接收方适配器不发送 ACKs或 NAKs给发送方
如果由于丢弃了以太网帧而存在间隙，接收主机上的应用也会看见这个间隙吗？
- 如果应用使用的是 UDP，则接收主机中的应用的确会看到数据中的间隙
- 如果应用使用的是TCP，则接收主机中的TCP将不会确认包含在丢弃帧中的数据，从而引起发送主机的TCP重传

以太网标准

很多不同的以太网标准

相同的MAC协议（介质访问控制）和帧结构
不同的速率：2Mbps、10Mbps、100Mbps、1Gbps、10Gbps
不同的物理层标准
不同的物理层媒介：光纤，同轴电缆和双绞线

名称解读，比如 100BASE-T2 表示的是 100Mbps + 基带以太网 + 物理媒介类型

链路层交换机

交换机转发和过滤

过滤是决定一个帧应该转发到某个接口还是应当将其丢弃的功能
转发是决定一个帧应该被导向哪个接口，并把该帧移动到那些接口的功能
交换机的过滤和转发借助于交换机表(switch table)完成（交换机表的一部分）

举例：假定目的地址为DD-DD-DD-DD-DD-DD的帧从交换机接口x到达。交换机用MAC地址DD-DD-DD-DD-DD-DD索引它的表，有3种可能的情况

表中没有对于DD-DD-DD-DD-DD-DD的表项。在这种情况下，交换机向除接口x外的所有接口前面的输出缓存转发该帧的副本。（换句话说就是没有对于目的地址的表项，交换机广播该帧）
表中有一个表项将DD-DD-DD-DD-DD-DD与接口x联系起来。在这种情况下，该帧从包括适配器DD-DD-DD-DD-DD-DD的局域网网段到来。无须将该帧转发到任何其他接口，交换机通过丢弃该帧执行过滤功能即可（说明目的接口和到来的接口是同一个，只需要过滤即可）
表中有一个表项将DD-DD-DD-DD-DD-DD与接口y≠x联系起来。在这种情况下，该帧需要被转发到与接口y相连的局域网网段。交换机通过将该帧放到接口y前面的输出缓存完成转发功能