计算机网络 笔记 数据链路层3（局域网，广域网，网桥，交换机）

局域网:

LAN:在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，使用广播信道

特点：

覆盖范围有限：通常局限在几千米范围内，比如一栋办公楼、一个校园或一个工厂等相对较小的地理区域。

数据传输速率高：一般能达到 10Mbps、100Mbps、1000Mbps 甚至更高，能够快速传输大量数据，满足用户对高速数据交换的需求。

误码率低：由于传输距离短，信号受到的干扰较小，数据传输的准确性较高，误码率通常在 10⁻⁸到 10⁻¹¹ 之间。=，可靠率高

拓扑结构多样：常见的拓扑结构有总线型、星型、环型、树型等，不同的拓扑结构具有不同的特点和适用场景。

易于组建和管理：组建局域网所需的设备相对简单，成本较低，且网络管理和维护相对容易，可以由一般的网络管理员进行操作和管理。

各站点都是平等的关系，共享传输信道

多采用分布式控制和广播式控制，能进行广播和组播

局域网的3要素：

网路拓扑，传输介质和介质访问控制

网络拓扑

包括星形拓扑，总线型拓扑，环形拓扑，树形拓扑

星型拓扑：

结构特点：以中央节点（如交换机）为中心，其他节点通过单独的线路与中央节点相连。

优点：便于集中管理和维护，单个节点故障不会影响其他节点的正常工作；网络扩展容易，只需增加新的节点连接到中央节点即可。

缺点：中央节点一旦出现故障，整个网络将无法工作；对中央节点的性能要求较高；可靠性低下；网络共享能力差

总线型拓扑：

结构特点：所有节点都连接在一条总线上，数据沿着总线进行传输，任何一个节点发送的数据都能被其他节点接收。

优点：结构简单，成本低，布线容易。

缺点：一旦总线出现故障，整个网络就会瘫痪，但是某个外节点出问题，对整个网络影响小；随着节点增加，网络性能会下降，冲突概率增大。

环型拓扑：

结构特点：各个节点通过通信链路连接成一个封闭的环，数据在环中单向传输。

优点：数据在环中传输时没有冲突；网络结构简单，便于管理。通信设备和线路比较节省

缺点：环中任何一个节点或链路出现故障都可能导致全网瘫痪；网络扩展困难，需要断开环进行节点添加或删除操作，信息传输的效率不高

树型拓扑：

结构特点：是星型拓扑的扩展，像一棵倒置的树，有一个根节点，下面有多个分支节点，分支节点还可以有下一级分支。

优点：易于扩展，可以根据需要灵活增加或减少节点；层次分明，便于管理和故障排查。

缺点：根节点或上级节点故障可能影响其下的所有节点（单点故障问题）；对根节点的性能和可靠性要求较高。

传输介质：

双绞线，同轴电缆，光纤，电磁波（空气）

双绞线：

分类：分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）。

特点：UTP 价格便宜，安装方便，是目前局域网中使用最广泛的传输介质；STP 在 UTP 基础上增加了屏蔽层，能更好地抵抗电磁干扰，适用于电磁环境复杂的场所，但价格相对较高，安装也较为复杂。

同轴电缆：

结构：由内导体、绝缘层、外导体和护套组成。

特点：曾经在局域网中广泛应用，如早期的以太网，但随着双绞线和光纤的发展，其使用逐渐减少。它具有较好的抗干扰能力，但布线相对复杂，且带宽和传输距离有限。

光纤：

分类：分为单模光纤（SMF）和多模光纤（MMF）。

特点：利用光导纤维来传输光信号，具有带宽高、传输距离远、抗干扰能力强等优点。单模光纤适用于长距离、高速率的传输，如城域网和广域网连接；多模光纤则常用于短距离、高速局域网，如数据中心内部连接，但价格相对较高，安装和维护需要专业设备和技术。

访问控制

CSMA/CD :常用于总线形和树形

令牌总线：常用于总线型和树形

令牌环：常用于环形局域网

局域网的分类：

以太网，令牌环网，FDDI网，ATM网，无线局域网

1. 以太网（Ethernet）：

指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Inte!和DEC公司联合开发的基带总线局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测)技术。

技术原理：采用带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）技术，多个设备共享传输介质。设备在发送数据前监听介质，若空闲则发送，同时检测是否发生冲突，若冲突则停止发送并随机延迟后重发。随着技术发展，交换式以太网引入交换机，每个端口可独立通信，减少冲突。

特点：广泛应用；速率多样；成本较低，布设简单

以太网是提供的无连接的不可靠的服务：无连接指的是发送方和接收方无“握手”，不可靠指的是发送方不对数据变好，接收方也不会去发送确认帧，非法帧直接丢弃，具体的数据的纠正交给高层。（也就是我只保证我接受并且传出去的是正确的，但是不保证不缺斤少两）

以太网的两个标准：DIX Ethernet V2 ,IEEE802.3 (两个只有在帧上有一点点区别）

现在的以太网在逻辑上是总线形，物理上是星型。

适配器：也叫网卡（Network Interface Card，NIC），是计算机与网络之间的物理接口，用于将计算机连接到局域网（LAN）、广域网（WAN）或无线网络。

MAC地址：每个网络适配器都有一个唯一的 48 位 MAC 地址，用于在局域网中标识设备的身份。

MAC帧：

高速以太网：

1.100BASE-T以太网

在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。

支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突。

2.吉比特以太网

在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号，支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突。

3.10吉比特

10吉比特以太网在光纤上传送10Gb/s信号，只支持全双工

（补充：

这里的全双工和半双工的含义：

全双工：允许数据在两个方向上同时传输，就像双向车道，车辆可以同时双向行驶。通信双方能够同时进行发送和接收操作，极大地提高了通信效率。

半双工：数据可以在两个方向上传输，但不能同时进行。在半双工模式下，通信设备需要切换发送和接收状态，不能同时进行这两个操作。

）

应用场景：广泛应用于企业办公网络、校园网络、家庭网络等各种局域网场景，是构建网络基础设施的主要技术。

2. 令牌环网（Token Ring）

技术原理：网络拓扑为环形，令牌（特殊帧）在环中依次传递。只有获取令牌的节点才能发送数据，数据发送完成后释放令牌。这种机制避免了冲突，使网络中数据传输有序进行。

特点：无冲突传输：公平性好：维护复杂；

应用场景：在对数据传输实时性和确定性要求较高的工业控制网络等特定领域有一定应用，但随着以太网发展，其应用逐渐减少。

3. FDDI 网（Fiber Distributed Data Interface）

技术原理：即光纤分布式数据接口，使用光纤作为传输介质，采用双环结构，包括主环和副环。数据在环中沿相反方向传输，以提高可靠性。采用令牌传递协议，类似令牌环网，节点获取令牌后发送数据。

特点：高速传输：高可靠性：成本较高；

应用场景：常用于对可靠性和带宽要求较高的骨干网络连接，如校园网、企业园区网的骨干部分，连接不同建筑物内的网络设备。

4. ATM 网（Asynchronous Transfer Mode）

技术原理：异步传输模式，采用信元交换技术。数据被分割成固定长度（53 字节，其中 48 字节为数据，5 字节为信头）的信元进行传输。通过虚电路方式建立通信连接，不同用户的数据信元可异步插入到传输链路中。

特点：高速与灵活；服务质量保证（QoS）；复杂且成本高。

应用场景：主要应用于对服务质量和传输速率要求极高的网络，如电信骨干网、大型数据中心内部网络，用于承载语音、视频会议、多媒体数据等多种业务。

5. 无线局域网（WLAN）

技术原理：利用无线通信技术在有限范围内建立局域网，常见标准为 IEEE 802.11 系列。通过无线接入点（AP）连接有线网络和无线设备，无线设备通过无线信号与 AP 通信，实现网络接入。

特点：安装便捷；可扩展性强；传输速率不断提升。

MAC帧：

RA是指接收点的AP的mac地址，TA是发送点的AP的mac地址

应用场景：广泛应用于家庭、企业办公场所、学校、商场、酒店等，为用户提供便捷的无线网络接入服务，满足移动办公、移动娱乐等需求。

IEEE802.11:规定了局域网和城域网的一些技术标准

IEEE802.11 将数据链路层划分为（和物理层直接相连）MAC子层（介质访问控制子层）和（和网络层直接相连）LLC子层（逻辑链路控制子层）

LLC的功能：

1，提供一个统一的接口：LLC 为网络层提供了一个统一的接口，使得网络层无需关心底层物理网络的差异。无论底层是以太网、令牌环网还是其他局域网技术，网络层都能以相同的方式与数据链路层交互。

2，差错控制：负责检测和纠正数据传输过程中产生的错误。

3，流量控制：LLC 通过某种机制（如滑动窗口协议）来控制数据的传输速率，确保发送方不会因为发送数据过快而导致接收方来不及处理。

MAC功能：

1，介质访问控制：这是 MAC 子层的核心功能，它决定了多个设备如何共享传输介质。

2，物理地址的管理：MAC负责处理设备的物理地址。用于在局域网内的发送和接收

VLAN：

因为传统的局域网存在：1，缺乏流量隔离，2管理用户不方便，需要改动物理布线3，路由器成本开销大。所以出现的：虚拟局域网（Virtual Local Area Network），是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成不同的广播域，从而实现网络隔离和管理的技术。

VLAN的工作原理：

逻辑分组：VLAN 基于交换机实现，它打破了传统物理网络的限制，依据多种规则将设备划分到不同的逻辑组。划分规则可以基于端口、MAC 地址、网络层协议（如 IP 地址）或应用类型等。

广播域隔离：在传统局域网中，一个物理网络就是一个广播域，任何一台设备发出的广播消息都会被网络内所有设备接收。而 VLAN 将网络划分为多个广播域，不同 VLAN 之间的设备不能直接接收彼此的广播消息。（如果需要不同的广播域相互之间可以进行通信，需要借助路由器or三层交换机，靠着交换机达不到这个目的）

VLAN 标识：为了区分不同的 VLAN，交换机使用 VLAN 标识符（VLAN ID）。VLAN ID 是一个 12 位的数字，取值范围从 1 到 4094 ，每个属于特定 VLAN 的帧都会携带相应的 VLAN ID。当交换机接收到一个帧时，会根据帧中的 VLAN ID 来决定如何转发该帧，是在本 VLAN 内转发，还是通过三层设备（如路由器）转发到其他 VLAN。

通过查找VLAN表来划分和管理。

优点：

增强网络安全性：不同 VLAN 之间默认不能直接通信，只有通过路由器等三层设备进行转发。这就限制了不同 VLAN 设备之间的访问，降低了网络攻击的风险。

提高网络性能：通过将广播域划分成多个较小的 VLAN，减少了广播流量在整个网络中的传播范围，降低了广播风暴发生的可能性。同时，每个 VLAN 内的设备数量相对减少，竞争网络资源的情况得到缓解，提高了网络的整体性能。

便于网络管理和维护：VLAN 使得网络的管理更加灵活和方便。网络管理员可以根据部门、功能或其他需求对设备进行逻辑分组，而无需考虑设备的物理位置。

提升网络灵活性：VLAN 允许网络管理员根据实际需求动态地调整网络结构。

广域网：

是一种跨越较大地理区域的计算机网络，它将不同城市、地区甚至国家的局域网（LAN）或其他网络连接起来，实现远距离的数据传输和资源共享。

PPP协议

需要完成：

简单的设计： 对于链路层的帧，无需纠错，无需序号，无需流量控制。

封装成帧帧定界符

透明传输：与帧定界符一样比特组合的数据应该如何处理:异步线路用字节填充，同步线路用比特填充。

具有多种网络层协议：封装的IP数据报可以采用多种协议。

多种类型链路：串行/并行，同步/异步，电/光…差错检测 错就丢弃。

检测连接状态：链路是否正常工作。

最大传送单元：数据部分最大长度MTU。

网络层地址协商： 知道通信双方的网络层地址

数据压缩协商

协议的组成：

1.一个将IP数据报封装到串行链路的方法

2.链路控制协议（LCP）：负责建立、配置、测试和管理数据链路连接。LCP 通过交换 LCP 帧来协商链路的各项参数，如 MRU、认证方式、是否压缩等。

3.网络控制协议（NCP）：针对不同的网络层协议，PPP 使用相应的 NCP 来进行配置和管理。

Ppp支持全双工

HDLC协议

特点：

1，面向比特：HDLC 以比特为单位处理数据，它将数据看作是连续的比特流，而不是像面向字符的协议那样以字符为基本处理单元。

2，全双工通信：HDLC 支持在链路上进行全双工数据传输，即通信双方可以同时在两个方向上进行数据的发送和接收，极大地提高了通信效率。,

3，可靠性高：HDLC 通过多种机制保证数据传输的可靠性。它采用循环冗余校验（CRC）技术对传输的数据进行差错检测，能够有效地检测出数据在传输过程中发生的错误。

4，灵活性强：HDLC 定义了多种类型的帧，以适应不同的通信需求，如信息帧用于传输用户数据，监控帧用于流量控制和差错控制，无编号帧用于链路的建立、拆除和其他控制功能。此外，HDLC 支持多种链路配置，包括点到点链路和多点链路，适用于不同的网络拓扑结构。

HDLC的站：

包括主站，从站，复合站

1.主站的主要功能是发送命令(包括数据信息)帧、接收响应帧，并负责对整个链路的控制系统的初启，流程的控制、差错检测或恢复等。

2.从站的主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并且配合主站参与差错恢复等链路控制。

3.复合站的主要功能是既能发送，又能接收命令帧和响应帧，并且负责整个链路的控制。

3种数据操作方式：

1，正常响应：从站要向主站请求，同意后可以发送，有明显的主从关系

2，异步响应：从站可以不经过主站同意也可以发送，赋予了从站很大的自由性

3，异步平衡：每一个复合站多亏向其他站发送信息，结合异步响应的同时，强调了各站点的平等关系，每个站点都是一个复合站，可以主动发出命令，        也可以被命令。

支持全双工协议

网桥、交换机

网桥

网桥根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或者是把它丢弃(即过滤)。

优点：

1，扩大物理范围同时各个冲突域内可同时自由通信，

2，提高了可靠性，某个网段出现问题不影响其他部分

3，过滤通信量，增大了吞吐量

4，互联不同的物理层，不同的MAC层，不同速率的以太网

网桥的分类：

1，透明网桥 ：

最常见的网桥类型，它对网络中的主机是透明的（这里的透明是指看不见，而不是什么都看清了），主机无需了解网桥的存在。透明网桥根据自学习算法自动构建和维护 MAC 地址表，在数据转发过程中，透明网桥会根据 MAC 地址表进行转发决策。 

优点：安装简单，不需要对网络中的设备进行额外配置

缺点：可能会出现网络环路问题，为了解决这个问题，透明网桥通常采用生成树协议（STP）来阻塞某些端口，防止网络环路的产生。

网桥的自学习算法：

初始状态：网桥刚启动时，其 MAC 地址表为空，对网络中各主机的 MAC 地址及对应端口信息一无所知。

学习阶段：当网桥的某个端口接收到一个数据帧时，它会提取数据帧中的源 MAC 地址，并将该地址与接收端口的对应关系记录到 MAC 地址表中。例如，若主机 A 的 MAC 地址为 MAC_A，通过端口 1 向主机 B 发送数据帧，网桥接收到该帧后，就在 MAC 地址表中添加一条记录（如果没有记录的话，就是添加，如果有记录就会更新）：MAC_A 对应端口 1。这个过程就是网桥的 “学习” 过程，通过不断接收数据帧，网桥逐渐积累网络中主机的 MAC 地址与端口对应信息（我们假设A和B在同一个网段，且已经有一次A->B的访问，那么这个时候，我们的网桥就会有MAC_A的信息，那么这次我们再次发送一个B->A的访问，网桥会先记录MAC_B的信息来自端口1，然后检测到A在端口1，那么就不会去转发这个信息了）。

更新与老化：为了保证 MAC 地址表的准确性和有效性，网桥会对表中的记录进行更新和老化处理。如果网桥接收到一个来自某个 MAC 地址的新数据帧，且该 MAC 地址已在表中有记录，但对应的端口与当前接收端口不同，网桥会更新 MAC 地址表，将该 MAC 地址与新的端口进行关联。同时，网桥会为 MAC 地址表中的每一条记录设置一个老化时间。如果在老化时间内，网桥没有再次收到来自某个 MAC 地址的数据帧，那么该 MAC 地址与端口的对应记录将从 MAC 地址表中删除。这是因为长时间未收到某个主机的数据帧，可能意味着该主机已从网络中移除或网络拓扑发生了变化，通过老化机制可以及时清理无效的记录，保证 MAC 地址表的准确性。

2，源路由网络

在发送帧时，把详细的最佳路由信息(路由最少/时间最短)放在的首部中。

路由信息嵌入：

在源路由网络中，源节点在发送数据分组之前，会根据自身对网络拓扑的了解或通过特定的发现机制，计算出数据包到达目的节点所需经过的完整路径。这个路径信息以某种格式（如一系列的中间节点地址或端口号）被嵌入到数据包的头部。例如，在一个由多个路由器连接的网络中，源节点 A 要向目的节点 B 发送数据，A 会计算出一条经过路由器 R1、R2、R3 到达 B 的路径，并将 R1、R2、R3 的相关信息写入数据包头部。

逐跳转发：

数据包在网络中传输时，每个中间节点（如路由器）根据数据包头部携带的路由信息，将数据包转发到下一跳节点。中间节点并不需要自行计算路由，只需按照源节点指定的路径进行转发。以上述例子来说，路由器 R1 收到数据包后，根据头部信息将其转发给 R2，R2 再转发给 R3，最终 R3 将数据包转发给目的节点 B。

多接口网桥（以太网交换机）

多接口网桥在数据链路层工作，通过学习网络中设备的 MAC 地址，依据 MAC 地址转发数据帧，实现多个设备之间的通信连接。它的多个接口可以连接不同的设备或网段，像计算机、服务器、其他交换机等。

两种交换方式：

直通式交换机：

在接收到数据帧的目的 MAC 地址后，立即开始转发数据帧，而无需等待整个数据帧接收完毕。交换机在读取到数据帧的前 6 字节（目的 MAC 地址字段）后，就会在其 MAC 地址表中查找对应的输出端口，并将数据帧直接转发到该端口。

总结：延迟小，但是可靠性低，不支持不同速率的端口的交换

存储转发式交换机

存储转发式交换机需要完整接收整个数据帧，并将其存储在内部缓存中。然后，交换机对数据帧进行错误校验，通常采用循环冗余校验（CRC）等方法。只有在确认数据帧没有错误后，交换机才根据数据帧的目的 MAC 地址，在 MAC 地址表中查找对应的输出端口，并将数据帧转发到该端口。

总结：延迟大，但是可靠性高，支持不同速率的端口的交换

交换机的自学习算法：

和上面的网桥的自学习算法大差不差，在接受数据的时候会先记录（学习）源地址的MAC信息，（如果有就更新，没有就记录）。然后查询目的地址在不在转发表中，不在就每个端口都转发一次，如果在就只转发对应的端口。如果一个端口在转发表中太久没有去访问，就会老化删除

这里的网桥和交换机能隔离冲突域，不能隔离广播域

（

冲突域:在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧。简单的说就是同一时间内只能有一台设备发送信息的范围。

广播域:网络中能接收任一设备发出的广播帧的所有设备的集合。简单的说如果站点发出一个广播信号，所有能接收收到这个信号的设备范围称为一个广播域。

）