计算机网络 数据链路层课后题

1.以太网帧有哪些不同的封装格式？他们有何区别和应用场景？

1. 以太网II封装（Ethernet II）：以太网II封装是最常用的以太网封装格式，也被称为DIX封装。它在数据链路层首部使用6个字节的目的MAC地址和6个字节的源MAC地址，接着是2个字节的类型字段，表示上层协议的类型（如IPv4、ARP等）。以太网II封装适用于大多数局域网和广域网的数据传输，支持多种上层协议。
2. IEEE 802.3封装：IEEE 802.3封装是以太网的标准封装格式，也称为以太网标准帧。与以太网II封装相比，IEEE 802.3封装在数据链路层首部使用的是2个字节的目的MAC地址和2个字节的源MAC地址，之后是2个字节的长度字段（表示数据字段的长度），接着是最小46个字节的数据负载和4个字节的帧校验序列。IEEE 802.3封装适用于数据传输速达到10 Mbps的以太网。
3. 原始太网封装（Raw Ethernet）：原始以太网封装在数据链路层的首部只包含目的MAC地址和源MAC地址，没有类型字段（或称为长度字段）。这种封装格式通常用于在网络中直接发送或接收特定的协议数据，例如在网络安全和网络监控等应用中，可以使用原始以太网封装来传输特定协议的数据。

2.为什么以太网有一个最小帧长和最大帧长

​ 以太网规定最小帧长为64字节，即512比特 数据字长最小46字节

​ 以太网的最小帧长确保了主机在帧发送完成之前就检测到该帧的发送过程是否遭遇了碰撞，凡是长度小于64字节的帧都是由于碰撞而异常终止的无效帧

​ 为了防止主机长时间占用总线，以太网的帧也不能太长

3.数据链路层使用PPP协议或CSMA/CD协议时，既然不能保证可靠传输，为什么要对所传输的帧进行差错检测

1. 提前发现错误：差错检测机制可以在接收端提前检测到传输过程中引入的错误。尽管无法进行纠错，但能够及时发现错误并通知发送端，以触发相应的重传机制或其他错误处理措施。

2. 错误通知和丢弃：接收端通过差错检测能够判断接收到的帧是否出现了错误，通过错误通知可以提示发送端重新发送或采取其他纠错措施。同时，检测到错误的帧还可以被丢弃，避免传递到上层协议，保持上层协议的数据完整性。

3. 误诊断和排错：差错检测机制可以提供有关错误发生的信息，以帮助排查网络故障和错误的来源。通过对帧的诊断，可以确定故障影响的范围，进一步采取相应的纠正措施。

4. 适应不可靠传输环境：尽管PPP协议或CS/CD协议不能提供可靠传输，但错检测机制仍然能够在不可靠的传输环境中起到一定的作用。通过不断进行差错检测，可以减少传输中的错误率，提高数据传输的可靠性和稳定性。

4.以太帧中的目的MAC地址和源MAC地址分别在局域网中的哪些环节起到重要作用？

​ 数据链路层：以太帧的目的MAC地址和源MAC地址是数据链路层的重要组成部分。在数据链路层，通过目的MAC地址，接方可以识别出帧的目标设备，并将帧转发给正确的接收方。源MAC地址则用于标识帧的发送方。

​ 交换机：交换机是局网中重要的网络备，用于转发以太网帧。交换机根据目的MAC地址来决定将帧传输到哪个端口。通过学习的MAC地址和对应的端口关联，交换机可以实现帧的有针对性转发，提高局域网的传输效率。

​ 网络分段：在局域网中，根据源MAC地址和目的MAC地址进行网络分段是常见的网络管理技术。通过指定源MAC地址和目的MAC地址的组合，管理员可以将不同的设备划分到不同的虚拟局域网（VLAN）中，实现物理隔离和逻辑分割，增加网络安全性和管理灵活性。

5.广播和泛洪的区别是

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1. 目的性：广播是将数据发送到网络中的所有主机或设备，无论是否需要接收该数据。而泛洪是将数据发送到网络中的所有直接相邻的主机或设备，即发送给所有已知邻居。
2. 路由选择：广播不需要选择特定的路径，数据会通过网络中的所有链接传播。而泛洪则需要依靠网络中已知的邻居列表来决定数据传输的路径，通常采用分组转发的方式。
3. 控制机制：广播使用广播地址将数据传输到所有主机，不需要进行额外的控制机制。而泛洪需要使用一些机制来避免数据陷入无限循环，例如设置一个时间限制或通过序号等方式避免数据重复传输。
4. 效率和安全性：广播在大型网络中可能会导致网络拥塞和资源浪费，因为所有主机都会接收到该广播数据。而泛洪只将数据发送给已知的邻居，因此可以减少网络资源的消耗。但同时，泛洪也可能存在安全性问题，可能导致网络中的恶意主机接收到不应该传递的数据。

6.如果交换表中不存在目标MAC地址的条目，交换机会采取怎样的行为？

​ 交换机会采取泛洪，交换机会将该数据帧转发到除了收到这个数据帧的接口之外的所有接口上。

7.交换机如何处理广播和组播数据帧？它们是如何被转发到适当的目标端口的？

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1. 广播数据帧：
   • 当交换机收到广播数据帧时，它会将该数据帧复制并转发到所有与其连接的端口（除了接收到该广播数据的端口）。这样做可以确保广播数据帧能够到达网络中的所有主机。
   • 广播数据帧不需要交换机查询交换表即可进行广播，因为广播数据帧的目标MAC地址为全1，所以交换机会直接将广播数据帧转发到所有端口。
2. 组播数据帧：
   • 当交换机收到组播数据帧时，它需要查询交换表以确定目标组播MAC地址对应的端口。
   • 交换机会将组播数据帧复并转发到所有已知的属于目标组播组的端口上。交换机根据交换表中的信息将组播数据帧发送到组播组成员所在的端口上，以便目标组中的所有主机都能接收到该组播数据帧。
   • 为了确定目标组播组的端口，交换机会参考诸如Internet组播协议（如IGMP）等协议，这些协议用于管理组组成员和组播组的关系。

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8.交换机的多端口间同时传输是指什么？

​ 交换机的多端口间同时传输是指交换机可以同时从多个端口接收数据帧，并且在相同的时间内，通过匹配数据帧的目标MAC地址和交换表的信息，将数据帧转发到适当的目标端口。

具体来说，当交换机收到一个数据帧时，它会根据数据帧中的目标MAC地址，查询交换表以确定该目标MAC地址对应的端口。然后，交换机会将帧仅转发到目标MAC地址对应的端口，而不是广播到所有端口。这种并发处理的能力使得交换机能够在同时接收和处理多个端口的数据帧。

多端口间的同时传输是交换机的核心功能之一，它提高了网络的效率和吞吐量。通过避免冲突和碰撞，交换机能够提供更高的数据转发速度和更好的网络性能，同时减少网络中的数据传输延迟。这样，在局域网中流动的数据能够以高速、精确和可靠的方式被交换机处理和转发到目标设备。

9.什么因素可以限制冲突域的大小

（两个节点同时发生数据会产生冲突的 网络范围就是冲突域）

物理距离 较长的物理距离信号传输的延迟比较大可能导致设备发送的帧不能及时到达整个网络

帧的传输速率 当帧在传输介质上的传输速率较高时，冲突域的大小相对较小。这是因为快速传输可以更快地将帧从发送设备传输到接收设备，减少了突的可能性。

网络拓扑 网络拓扑是指网络中设备之间理连接的结构。某些网络拓扑可以限制冲突域的大小。例如，在星型拓扑中，每个设备都直接连接到中央集线器或交换机，从而将冲突隔离在特定的设备之间。

冲突检测机制 网络中的冲突检测机制可以帮助限制冲突域的大小。当设备检测到冲突时，它们会发送冲突信号，以停止当前的传输。这帮助确保帧在较小的范围内发生冲突，减少了整个网络中冲突的影响范围

网络规模 当网络中的设备数量增加时，冲突的可能性也会增加因此，网络规模较小的情况下冲突域可能相对较。

10.交换表的容量有上限吗，如果有抵达上限后收到的帧应该怎么处理，因此产生的数据丢弃应该怎么解决

​ 交换表的容量是有上限的。每个交换机的交换表有一定的最大容量，其中记录了MAC地址与对应端口的映射关系。当交换表的容量达到上限时，新的数据帧无法被添加到交换表中，这种情况称为交换表溢出。

当交换表发生溢出时，交换机会采取以下方式来处理收到的帧:

1. 动态地址学习：交换机会尝试学习新的MAC地址，并更新交换表中的条目。如果收到的帧是来自先前未知的MAC地址的，交换机会将其添加到交换表中，然后根据需要转发。
2. 基于老化的机制：了清理交换表中未使用的MAC地址条目，交换机会使用老机制。该机制通过定期检查交换表中的条目，并删除一段时间内未被使用的条目，以释放空间供新的MAC地址进入交换表。

尽管交换机采取了这些处理方式，但如果交换表容量严重不足，仍然可能导致数据丢失。为了解决数据丢失的问题，可以考虑以下方法：

1. 增加交换机的容量：升级交换机或选择支持更大交换表的设备，以便能够容纳更多的MAC地址。
2. 使用更高性能的交换机：高性能交换机通常配备更大的交换表，并具备更优异的处理能力，可以更好地处理大量的数据帧。
3. 划分虚拟局域网（VLAN）：通过划分不同的VLAN，可以将网络中的设备划分为多个逻辑上隔离的区域，以减少每个交换表中的条目数量。
4. 层次化网络设计：通过构建层次化的网络结构，可以将交换机分布在不同层级的网络中，从而减少每个交换机的工作负载，减缓交换表容量的压力。