第3章 数据链路层 详细笔记（含例题详解）

3.1 数据链路层概述

3.1.1 数据链路层的基本概念

定位与层级

  • OSI参考模型：第二层（自下而上）
  • TCP/IP模型：属于网络接口层的一部分
  • 核心功能：在物理层提供的比特流传输服务基础上，为网络层提供可靠的数据传输服务

核心概念

  • 链路（Link）：无源的点到点物理线路段，中间无任何交换节点，仅含物理介质
  • 数据链路（Data Link）：物理链路+通信协议+必要硬件设备，实现相邻节点间可靠数据传输
  • 帧（Frame）：数据链路层协议数据单元（PDU），结构为首部+数据+尾部，是逻辑通信基本单位

3.2 数据链路层的三个重要问题

3.2.1 封装成帧和透明传输

3.2.1.1 封装成帧的实现机制

帧结构设计原则

  • 首部：包含地址、控制、序号信息
  • 数据：网络层交付的IP数据报
  • 尾部：包含差错检测码（FCS）

帧定界方法

  • 字符计数法：首部第一个字节记录帧长度
  • 字节填充法：使用特定控制字符定界
  • 比特填充法：使用特定比特模式定界
  • 违规编码法：物理层编码违例作为定界符

3.2.1.2 透明传输的实现方法

字节填充法（字符填充）

  • 控制字符：SOH(0x01)帧开始符、EOT(0x04)帧结束符、ESC(0x1B)转义字符
  • 规则：数据中若出现控制字符，前插入转义字符
  • 示例：原始数据D1 SOH D2 EOT D3 → 填充后D1 ESC SOH D2 ESC EOT D3

比特填充法

  • 适用：面向比特的同步链路
  • 规则：发送方在连续5个"1"后插入"0"；接收方检测到5个"1"后的"0"则删除
  • 示例：原始数据110111111110 → 填充后1101111101110

3.2.2 差错检测

3.2.2.1 奇偶校验

  • 奇校验：添加校验位使"1"总数为奇数，只能检测奇数个错误
  • 偶校验：添加校验位使"1"总数为偶数，只能检测奇数个错误

【例题1】奇偶校验计算

题目：对数据1011010进行奇校验和偶校验，写出校验后的结果。

解答：

  1. 统计原始数据中"1"的个数：1+0+1+1+0+1+0 = 4个"1"
  2. 奇校验：需要总"1"个数为奇数，应添加校验位"1" → 10110101（5个"1"）
  3. 偶校验：需要保持"1"个数为偶数，应添加校验位"0" → 10110100（4个"1"）
  4. 接收方只需重新计算"1"的个数，检查是否符合校验规则即可发现奇数个错误
    考点：奇偶校验只能检测奇数个比特错误，无法检测偶数个错误，也无法定位错误位置

3.2.2.2 循环冗余检验（CRC）

【例题2】CRC-12编码计算

题目：设生成多项式G(x) = x¹² + x¹¹ + x³ + x + 1，数据为101100101101，求CRC校验码及最终发送帧。

解答：

  1. 确定参数：生成多项式次数r=12，对应二进制为1100000001011（13位）
  2. 数据预处理：原数据12位，后补12个0 → 101100101101000000000000

CRC检错能力

  • 检测所有单比特错误
  • 检测所有双比特错误（生成多项式含x+1因子）
  • 检测所有奇数个错误（生成多项式含x+1因子）
  • 检测所有长度≤r的突发错误
  • 以高概率检测长度>r的突发错误

3.2.3 可靠传输

3.2.3.1 可靠传输的基本概念

定义：发送方发送什么，接收方就收到什么，保证完整性、有序性、无重复性

实现机制

  • 确认机制：接收方收到数据后发送确认（ACK/NAK）
  • 超时重传：发送方超时未收到确认则重传
  • 序号机制：为帧分配唯一序号，解决重复和失序
  • 窗口机制：控制连续发送帧数，提高效率

3.2.3.2 停止-等待协议（Stop-and-Wait）

工作原理

  • 发送方：发送帧→启动超时计时器→等待确认→超时重传
  • 接收方：正确帧→提交网络层→发送ACK；错误帧→丢弃→发送NAK或不响应
  • 序号：使用1比特序号（0和1交替），解决帧重复

【例题3】停止-等待协议性能计算

题目：在10Mb/s以太网中，发送1000字节数据帧，信道单向传播延迟为10ms，求信道利用率。

解答：

  1. 数据传输时间 T = (1000×8 bit) / 10Mb/s = 8000 / 10,000,000 = 0.8ms
  2. 往返延迟 2τ = 2 × 10ms = 20ms
  3. 信道利用率 U = T / (T + 2τ) = 0.8 / (0.8 + 20) ≈ 3.8%
  4. 分析：由于传播延迟远大于传输时间，信道大部分时间处于空闲等待状态
    考点：停止-等待协议适合低延迟或短帧场景，高延迟网络效率极低

3.2.3.3 回退N帧协议（Go-Back-N, GBN）

窗口特点

  • 发送窗口Wₛ > 1，接收窗口Wᵣ = 1
  • 接收方只按序接收帧，失序帧丢弃

发送方操作

  1. 窗口初始化：L=0, U=N-1（N通常为7或15）
  2. 发送帧：NextSeqNum在[L,U]范围内时可发送，启动超时计时器
  3. 接收确认：收到ACK(n)表示n及以前帧已接收，更新窗口边界L=n+1
  4. 超时处理：重传该帧及其后所有已发送未确认帧

【例题4】GBN协议窗口操作

题目：发送窗口大小N=4，初始序号L=0。发送方依次发送帧0,1,2,3后，收到ACK2（确认0,1,2），随后帧3超时。请描述处理过程。

解答：

  1. 初始状态：发送窗口[0,3]，已发送帧0,1,2,3
  2. 收到ACK2：确认帧0,1,2已接收，窗口滑动至[3,6]，可发送帧4,5,6
  3. 帧3超时：重传帧3,4,5,6（3及其后所有已发送帧）
  4. 结果：即使帧4,5,6可能已正确接收，但仍需重传，造成效率损失
    考点：GBN的累积确认机制简单但效率低，一个帧出错导致后续帧全部重传

3.2.3.4 选择重传协议（Selective Repeat, SR）

窗口特点

  • 发送窗口Wₛ > 1，接收窗口Wᵣ = Wₛ
  • 接收方可缓存失序帧

发送方操作

  1. 维护发送缓存：存储已发送未确认帧
  2. 接收确认：收到ACK(n)标记n为已确认，若n==L则滑动窗口
  3. 超时处理：只重传超时的单个帧

【例题5】SR协议窗口操作

题目：发送窗口大小N=4，接收窗口[0,3]。接收方依次收到帧0,2,1,3，请描述处理过程。

解答：

  1. 收到帧0：正确且序号期望，提交网络层，发送ACK0，窗口滑动至[1,4]
  2. 收到帧2：序号在窗口内，存入接收缓存，发送ACK2，不提交（等待帧1）
  3. 收到帧1：正确且序号期望，提交帧1和缓存中的帧2，发送ACK1，窗口滑动至[3,6]
  4. 收到帧3：正确且序号期望，提交帧3，发送ACK3，窗口滑动至[4,7]
  5. 结果：仅失序帧被缓存，按序后批量提交，避免不必要的重传
    考点：SR效率高但实现复杂，需维护缓存和独立的确认机制

3.3 点对点协议（PPP）

3.3.1 PPP协议的组成和功能

三层结构

  1. 链路控制协议（LCP）

    • 功能：建立、配置、测试、终止数据链路连接
    • 分组类型：链路建立、配置、终止、维护分组

  2. 网络层PDU封装方法

    • 支持多种网络层协议（IP、IPX、AppleTalk）
    • 适应异步和同步链路

  3. 网络控制协议（NCP）

    • 为不同网络层协议提供专门控制
    • 常用协议：IPCP（IP）、IPXCP（IPX）、ATCP（AppleTalk）

3.3.2 PPP帧格式详解

标准帧格式

1
2
3
4
5
+------+------+------+------+----------+------+
| 标志F | 地址A | 控制C | 协议P | 信息I    | FCS  |
+------+------+------+------+----------+------+
| 1字节| 1字节| 1字节| 2字节| 0~1500字节| 4字节|
+------+------+------+------+----------+------+

字段说明

  • 标志字段（F）：0x7E，标识帧开始/结束
  • 地址字段（A）：0xFF（广播地址），PPP不支持多点链路
  • 控制字段（C）：0x03（无编号信息帧）
  • 协议字段（P）：指示上层协议，如0x0021（IP）、0xC021（LCP）
  • 信息字段（I）：最大长度由MTU决定
  • 帧检验序列（FCS）：CRC-32算法

透明传输机制

字节填充法（异步链路）

  • 0x7E → 0x7D 0x5E（转义帧定界符）
  • 0x7D → 0x7D 0x5D（转义转义字符）
  • 控制字符（<0x20）：前插0x7D，字符值+0x20

零比特填充法（同步链路）

  • 规则：5个连续"1"后插入"0"

【例题6】PPP帧字节填充

题目：待发IP数据报包含十六进制序列7E 01 7D 1F 7E，经PPP封装后，透明传输的数据是什么？

解答：

  1. 原始数据：7E 01 7D 1F 7E
  2. 转义处理：
    • 7E → 7D 5E
    • 01（<0x20）→ 7D 21
    • 7D → 7D 5D
    • 1F（<0x20）→ 7D 3F
    • 7E → 7D 5E
  3. 填充后数据：7D 5E 7D 21 7D 5D 7D 3F 7D 5E
  4. 完整PPP帧：7E FF 03 00 21 7D 5E 7D 21 7D 5D 7D 3F 7D 5E FCS 7E
    考点：PPP的字节填充确保控制字符在数据字段中透明传输

3.3.3 PPP协议的状态机

【例题7】PPP连接建立过程

题目：描述拨号用户通过PPP连接ISP的完整状态转换过程，并说明各阶段主要交互的报文。

解答：

  1. 链路静止→链路建立：
    • 用户拨号，调制解调器建立物理连接
    • 交互报文：发送Configure-Request协商参数（MTU=1500, 认证=PAP）
    • 状态：Link Establishment
  2. 链路建立→认证状态：
    • 协商成功（收到Configure-Ack）
    • 交互报文：发送Authenticate-Request（用户名/密码明文）
    • 状态：Authentication
  3. 认证→网络层协议：
    • 认证成功（收到Authenticate-Ack）
    • 交互报文：发送IPCP-Request请求IP地址192.168.1.100
    • 状态：Network-Layer Protocol
  4. 网络层协议→链路打开：
    • IPCP配置成功（收到IPCP-Ack）
    • 交互报文：开始传输IP数据报
    • 状态：Link Open
  5. 链路打开→链路终止：
    • 用户断开连接
    • 交互报文：发送Terminate-Request，收到Terminate-Ack
    • 状态：Link Termination → 返回Link Dead
      考点：PPP状态机严格按顺序转换，LCP→认证→NCP→数据传输

3.4 共享式以太网

3.4.1 网络适配器和MAC地址

3.4.1.1 网络适配器结构

硬件组成

  1. 核心芯片：实现MAC控制器、PHY芯片、缓冲区管理
  2. EEPROM：存储MAC地址（6字节）、网卡型号、厂商信息
  3. BootROM插槽：网络无盘工作站启动用
  4. PCI接口：连接主板，支持PCI/PCIe/USB
  5. 指示灯：Link（连接）、Activity（活动）、Speed（速度）

工作原理

  • 发送：接收IP数据报→添加MAC首尾部→CRC计算→串行比特流→物理发送
  • 接收：接收比特流→并行转换→CRC校验→检查目的MAC→提取IP数据报

3.4.1.2 MAC地址结构

格式与分类

  • 长度：48比特（6字节），十六进制表示（如00-1B-44-11-3A-B7）
  • 地址字段：
    • 第一字节最低位（I/G位）：0=单播，1=多播
    • 第一字节次低位（G/L位）：0=全球管理，1=本地管理

MAC地址分类表

I/G位 G/L位 地址类型 用途
0 0 全球单播地址 唯一标识单个设备
0 1 本地单播地址 本地管理单播地址
1 0 全球多播地址 标识全球范围设备组
1 1 本地多播地址 标识本地范围设备组

管理规则

  • 全球地址：IEEE分配OUI（前3字节）+制造商分配扩展标识符（后3字节）
  • 接收规则：广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF所有设备接收，单播地址仅匹配设备接收

3.4.2 CSMA/CD协议

3.4.2.1 工作原理

CSMA/CD = 载波监听 + 多点接入 + 碰撞检测

工作流程

  1. 载波监听：发送前检测信道
    • 信道空闲：等待96比特时间后发送
    • 信道忙：持续监听直至空闲
  2. 发送数据：边发送边监听信道
  3. 碰撞检测：检测信号是否异常（幅度叠加、信号不一致）
  4. 退避重传：发送干扰信号（Jamming Signal），执行二进制指数退避算法

3.4.2.2 碰撞检测实现

关键时间参数

  • 争用期（Collision Window）：2τ（τ为信号在总线两端传播延迟）
  • 最小帧长：争用期 × 数据传输速率
  • 10Mb/s以太网：
    • 争用期：51.2μs
    • 最小帧长：512比特 = 64字节
    • 最大总线长度：约2500米（考虑中继器）

物理原理：两设备同时发送信号会叠加，幅度超过单个信号，接收方可检测

3.4.2.3 二进制指数退避算法

算法步骤

  1. 基本退避时间：争用期 = 512比特时间（10Mb/s下为51.2μs）
  2. 确定退避次数k：k = min(重传次数, 10)，最多重传16次，超则丢弃
  3. 选择随机数r：r ∈ {0, 1, …, (2ᵏ - 1)}，均匀分布
  4. 计算退避时间：退避时间 = r × 基本退避时间

【例题8】退避算法应用

题目：两台主机在10Mb/s以太网上同时发送数据发生碰撞，均为第3次重传。求各自可能的退避时间范围及碰撞概率。

解答：

  1. 确定参数：重传次数=3 → k = min(3,10) = 3
  2. 随机数范围：r ∈ {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}（共2³=8个值）
  3. 退避时间：r × 51.2μs，范围0~358.4μs
  4. 碰撞分析：两台主机独立选择r值，选中相同值的概率为1/8≈12.5%
  5. 退避策略：若再次碰撞，下次k=4，范围扩大至0~15，碰撞概率降至6.25%
    考点：退避范围随重传次数指数增长，确保公平性和稳定性

3.4.3 共享式以太网性能分析

3.4.3.1 信道利用率计算

理论公式

1
U = Tₜ / (Tₜ + 2τ + Tⱼ)
  • Tₜ：数据传输时间
  • τ：信号传播延迟
  • Tⱼ：干扰信号时间（48比特时间）

10Mb/s以太网计算

  • Tₜ = 512比特 / 10Mb/s = 51.2μs
  • τ ≈ 12.5μs（2500米总线）
  • Tⱼ = 48比特 / 10Mb/s = 4.8μs
  • U = 51.2 / (51.2 + 2×12.5 + 4.8) ≈ 63%
  • 实际利用率：通常30-40%

【例题9】信道利用率综合计算

题目：在100Mb/s快速以太网中，发送1500字节数据帧，网络跨度200米（信号传播速度2×10⁸m/s），求理想信道利用率。

解答：

  1. 数据传输时间 Tₜ = (1500×8) / 100Mb/s = 12000 / 100,000,000 = 0.12ms = 120μs
  2. 传播延迟 τ = 200m / (2×10⁸m/s) = 1μs
  3. 争用期 2τ = 2μs
  4. 干扰信号时间 Tⱼ = 48bit / 100Mb/s = 0.48μs
  5. 信道利用率 U = 120 / (120 + 2 + 0.48) ≈ 98%
  6. 分析：长帧和短距离使利用率接近理论最大值
    考点：信道利用率与帧长正相关，与网络规模负相关

3.4.3.2 影响因素

  1. 网络负载：中等负载性能最佳，轻负载利用率低，重负载效率下降
  2. 网络规模：节点越多碰撞概率越大，长度越长传播延迟越大
  3. 帧长度：短帧开销大效率低，长帧效率高但易拥塞
  4. 传输速率：高速网络传播延迟相对小，利用率较高

3.5 交换式以太网

3.5.1 网桥工作原理

3.5.1.1 透明网桥自学习机制

MAC地址表结构

  • 表项：MAC地址 + 接口号 + 时间戳
  • 老化机制：通常5分钟清理未使用表项
  • 容量：几千到几万项

自学习算法

  1. 检查帧的源MAC地址
  2. 地址不在表中→添加（MAC, 接口, 时间戳）
  3. 地址已在表中→更新接口号和时间戳
  4. 根据目的地址决定转发策略

【例题10】网桥自学习与转发

题目：四台PC连接网桥，初始MAC表为空。依次发生以下通信：(1)PC1→PC2，(2)PC2→PC3，(3)PC4→PC1。请画出每一步后网桥的MAC地址表。

解答：
初始状态：MAC表为空

(1) PC1→PC2（源MAC=MA1，目的MAC=MA2）：

  • 学习：记录MA1→接口1
  • 转发：未知MA2，从接口2,3,4泛洪
  • MAC表：{MA1:接口1}

(2) PC2→PC3（源MAC=MA2，目的MAC=MA3）：

  • 学习：记录MA2→接口2
  • 转发：未知MA3，从接口1,3,4泛洪（不向接口2转发）
  • MAC表：{MA1:接口1, MA2:接口2}

(3) PC4→PC1（源MAC=MA4，目的MAC=MA1）：

  • 学习：记录MA4→接口4
  • 转发：已知MA1→接口1，仅向接口1转发
  • MAC表：{MA1:接口1, MA2:接口2, MA4:接口4}
    考点：网桥通过自学习构建MAC表，实现定向转发减少广播域

3.5.1.2 帧转发机制

转发决策

  1. 广播帧：从除接收接口外所有接口转发（ARP、DHCP）
  2. 单播帧：查表→找到则从对应接口转发（同接口则丢弃）；找不到则广播（泛洪）
  3. 多播帧：根据多播组配置决定转发接口

3.5.1.3 生成树协议（STP）

问题背景：网桥冗余连接形成环路，导致广播风暴、帧重复、地址表不稳定

STP工作机制

  1. 选举根网桥：桥ID最小（优先级+MAC地址），优先级默认32768
  2. 确定根端口：每个非根网桥到根网桥路径成本最低的端口
  3. 确定指定端口：每个网段到根网桥路径成本最低的端口
  4. 阻塞非指定端口：阻塞端口可接收BPDU但不能转发数据

端口状态转换

  1. 阻塞（Blocking）：不转发数据，接收BPDU，20秒→监听
  2. 监听（Listening）：收发BPDU，15秒→学习
  3. 学习（Learning）：学习MAC地址，15秒→转发
  4. 转发（Forwarding）：正常工作，学习MAC地址
  5. 禁用（Disabled）：不参与STP

故障恢复：阻塞端口约50秒后转为转发状态，RSTP可缩短至几秒

【例题11】STP选举过程

题目：三台交换机组成环路，桥ID分别为S1(32768+MAC1)、S2(4096+MAC2)、S3(32768+MAC3)，所有链路带宽为100Mb/s。求根网桥、根端口和阻塞端口。

解答：

  1. 选举根网桥：比较桥ID，S2优先级4096最小 → S2为根网桥
  2. 确定根端口：
    • S1到S2路径成本：19（100Mb/s）
    • S3到S2路径成本：19
    • S1和S3的根端口均为连接S2的端口
  3. 确定指定端口：
    • S1-S3网段：比较到根网桥路径，S1路径成本19 < S3路径成本38 → S1侧为指定端口
  4. 阻塞端口：S3连接S1的端口被阻塞
  5. 拓扑：逻辑上形成S2→S1→S3的链状结构，无环路
    考点：STP通过阻塞冗余端口消除环路，同时保留路径冗余

3.5.2 以太网交换机

3.5.2.1 交换机与集线器对比

特性 集线器（Hub） 交换机（Switch）
工作层 物理层 数据链路层
带宽 共享带宽 每端口独立带宽
转发 广播所有帧 基于MAC地址智能转发
通信 半双工 支持全双工
碰撞 易产生碰撞 有效避免碰撞

交换机功能

  1. 地址学习：自动学习MAC地址，支持动态老化
  2. 帧转发：支持单播/广播/多播，提供线速转发
  3. 流量控制：支持全双工和流控机制
  4. 网络分段：分割冲突域，支持VLAN

3.5.2.2 转发方式对比

转发方式 延迟 错误过滤 速率适应性 实现复杂度
存储转发 大 完全过滤 好 中
直通交换 小 无过滤 差 低
碎片隔离 中 部分过滤 中 高
  • 存储转发：收完整帧→CRC校验→查表→转发（可过滤错误帧）
  • 直通交换：收目的地址后立即转发（延迟小但无法过滤错误）
  • 碎片隔离：收前64字节后转发（可过滤冲突碎片）

【例题12】交换机转发方式选择

题目：某交换机采用存储转发方式，端口速率100Mb/s。现接收到64字节的错误帧（CRC校验失败）和1500字节的正确帧，计算处理延迟差异。

解答：

  1. 64字节错误帧：
    • 接收延迟 = (64×8)/100Mb/s = 5.12μs
    • CRC计算延迟 ≈ 1μs
    • 总延迟 ≈ 6.12μs后丢弃
  2. 1500字节正确帧：
    • 接收延迟 = (1500×8)/100Mb/s = 120μs
    • CRC计算延迟 ≈ 1μs
    • 查表转发延迟 ≈ 2μs
    • 总延迟 ≈ 123μs后转发
  3. 延迟差异：正确帧延迟是错误帧的20倍
    考点：存储转发可过滤错误帧但延迟大，直通交换延迟固定且小

3.6 以太网的MAC帧格式

3.6.1 DIX Ethernet V2格式

帧结构

1
2
3
4
5
+--------+--------+----------+----------+----------+----------+------+
| 前导码 | SFD    | 目的地址 | 源地址   | 类型     | 数据     | FCS  |
+--------+--------+----------+----------+----------+----------+------+
| 7字节  | 1字节  | 6字节    | 6字节    | 2字节    | 46~1500B | 4字节|
+--------+--------+----------+----------+----------+----------+------+

字段详解

  • 前导码：7字节0xAA，用于时钟同步
  • 帧开始定界符（SFD）：1字节0xAB，标志帧开始
  • 类型字段：指示上层协议，如0x0800（IP）、0x0806（ARP）
  • 数据字段：最小46字节（不足需填充），最大1500字节（MTU）
  • FCS：CRC-32校验

帧大小限制

  • 最小帧长：64字节（确保碰撞检测）
  • 最大帧长：1518字节（限制信道占用时间）

【例题13】MAC帧封装与填充

题目：主机发送45字节的IP数据报，目的MAC=00-11-22-33-44-55，源MAC=AA-BB-CC-DD-EE-FF，上层协议为IP。请写出完整的MAC帧内容（十六进制），并说明填充字节数。

解答：

  1. 帧首部：
    • 前导码：AA AA AA AA AA AA AA
    • SFD：AB
    • 目的MAC：00-11-22-33-44-55
    • 源MAC：AA-BB-CC-DD-EE-FF
    • 类型：08 00（IP协议）
  2. 数据字段：45字节IP数据报
  3. 填充计算：46 - 45 = 1字节（任意值，如00）
  4. FCS：CRC-32校验值（假设为12 34 56 78）
  5. 完整帧：
    1
    2
    AA AA AA AA AA AA AB 00 11 22 33 44 55 AA BB CC DD EE FF 08 00
    [45字节IP数据] 00 12 34 56 78
  6. 总长度：7+1+6+6+2+46+4 = 72字节（满足≥64字节）
    考点：数据<46字节时必须填充，确保最小帧长64字节

3.6.2 IEEE 802.3格式

与Ethernet V2区别

  1. 类型字段vs长度字段：802.3为长度字段（值<0x0600时）
  2. LLC子层：增加DSAP+SSAP+Control字段标识上层协议
  3. 兼容性：Length/Type≥0x0600时解释为Type，确保兼容

3.7 虚拟局域网（VLAN）

3.7.1 VLAN基本概念和作用

定义：逻辑上将物理分散设备按功能/需求划分，实现广播隔离

技术特点

  1. 逻辑隔离：不同VLAN为独立广播域，需路由器转发
  2. 灵活性：设备移动保持VLAN身份，支持动态调整
  3. 可扩展性：分割大型网络，减少广播风暴

优势

  • 性能：减少广播流量，优化带宽
  • 安全：限制VLAN间访问，隔离敏感数据
  • 管理：集中管理，简化维护

3.7.2 IEEE 802.1Q VLAN标签

标签格式

1
2
3
4
5
+------+------+------+------+
| TPID | PRI  | CFI  | VID  |
+------+------+------+------+
| 16b  | 3b   | 1b   | 12b  |
+------+------+------+------+

字段说明

  • TPID：0x8100，标识VLAN标签帧
  • PRI：3比特优先级（0~7），支持QoS
  • CFI：规范格式指示符，以太网通常设为0
  • VID：VLAN标识符，有效范围1~4094

帧结构变化

1
目的地址 | 源地址 | VLAN标签(4B) | 数据 | FCS

接口类型处理

  • Access接口：接收普通帧，根据PVID添加标签；发送时移除标签
  • Trunk接口：可接收带/不带标签帧，Native VLAN帧可去标签发送
  • Hybrid接口：结合Access和Trunk功能，灵活配置

【例题14】VLAN标签处理

题目：交换机Trunk接口PVID=10，收到来自VLAN20的 tagged帧和来自VLAN10的 untagged帧。描述接口处理过程及转发时的标签状态。

解答：

  1. 接收VLAN20 tagged帧：
    • 检查帧VID=20是否在允许列表
    • 若允许，保留标签转发至VLAN20端口
    • 若不允许，直接丢弃
  2. 接收VLAN10 untagged帧：
    • 根据PVID=10添加标签，TPID=8100, VID=10
    • 在VLAN10内转发
  3. 发送VLAN20帧：
    • 从Trunk接口发出，保留VID=20标签
  4. 发送VLAN10帧：
    • 可配置为**去除标签（Native VLAN）**或保留标签
    • 若去除标签，对端设备收到untagged帧
      考点：Trunk接口对Native VLAN帧的特殊处理是实现VLAN间互通的关键

VLAN划分方式

  1. 基于端口：静态分配端口到VLAN，配置简单但灵活性差
  2. 基于MAC地址：设备移动灵活，但配置复杂且易被伪造
  3. 基于IP地址：支持动态分配，但依赖IP安全性低
  4. 基于策略：组合多因素，灵活性最高但配置复杂

3.8 以太网的发展

3.8.1 快速以太网（100BASE-T）

技术特点

  • 速率：100Mb/s（10倍于标准以太网）
  • 兼容性：帧格式与10BASE-T完全兼容
  • 标准：保留CSMA/CD协议，支持全双工

物理层标准

标准 介质 距离 线缆类型 编码方式
100BASE-TX 铜缆 100m 2对UTP5类/STP 4B/5B+MLT-3
100BASE-T4 铜缆 100m 4对UTP3类/5类 8B/6T
100BASE-FX 光纤 2000m 2根多模光纤 4B/5B+NRZI

技术改进

  • 编码技术：4B/5B和MLT-3提高信号质量
  • 全双工支持：带宽可达200Mb/s（双向）
  • 自动协商：自动检测速率/双工模式，简化配置

【例题15】快速以太网编码效率

题目：100BASE-TX采用4B/5B编码，求实际有效数据传输速率和编码开销。

解答：

  1. 4B/5B编码：每4比特数据编码为5比特码组
  2. 线路速率：100Mb/s（物理层时钟）
  3. 有效速率：100 × (4/5) = 80Mb/s
  4. 编码开销：(5-4)/4 = 25%
  5. 实际IP吞吐量：还需扣除帧间隔、前导码等开销，约70Mb/s
    考点：编码方式影响实际有效带宽，需在容量规划中考虑

3.8.2 吉比特以太网（1000BASE-T）

技术特点

  • 速率：1000Mb/s（1Gb/s）
  • 兼容性：与10/100BASE-T完全兼容
  • 物理层标准：
    • 1000BASE-T：4对UTP5类线，100m，PAM-5编码
    • 1000BASE-SX：多模光纤，220-550m
    • 1000BASE-LX：单模/多模光纤，5000m

载波延伸与分组突发

  • 载波延伸：帧长<512字节时自动添加载波，确保碰撞检测
  • 分组突发：连续发送多个短帧，减少载波延伸开销

【例题16】吉比特以太网最小帧传输时间

题目：1000BASE-T网络发送64字节最小帧，计算实际占用信道时间（含载波延伸）。

解答：

  1. 原始传输时间：(64×8)/1000Mb/s = 0.512μs
  2. 载波延伸：需延长至512字节时间 = 4.096μs
  3. 额外填充：512-64 = 448字节填充
  4. 总占用时间：4.096μs
  5. 效率分析：有效数据仅占12.5%，冗余度极高
  6. 分组突发优化：连续发送15个短帧，总开销从15×4.096μs降至约5μs
    考点：载波延伸大幅降低短帧效率，分组突发是重要优化手段

3.8.3 10吉比特以太网（10GBASE-T）

技术特点

  • 速率：10Gb/s
  • 模式：仅支持全双工，不使用CSMA/CD
  • 应用场景：数据中心、骨干网络、高性能计算

物理层标准

标准 介质 距离 应用场景
10GBASE-T 铜缆 100m 数据中心短距连接
10GBASE-SR 光纤 26-82m 数据中心多模光纤
10GBASE-LR 光纤 10km 城域网单模光纤
10GBASE-ER 光纤 40km 广域网单模光纤
10GBASE-ZR 光纤 80km 长距离单模光纤

3.9 802.11无线局域网

3.9.1 802.11协议体系

协议发展历程

协议 年份 频段 最大速率 关键技术 特点
802.11 1997 2.4GHz 2Mb/s DSSS/FSK 第一个WLAN标准
802.11b 1999 2.4GHz 11Mb/s DSSS 兼容性好
802.11a 1999 5GHz 54Mb/s OFDM 高速率，新频段
802.11g 2003 2.4GHz 54Mb/s OFDM 兼容b，速率提升
802.11n 2009 2.4/5GHz 600Mb/s MIMO-OFDM 多天线，速率大幅提升
802.11ac 2013 5GHz 6.93Gb/s MIMO-OFDM 5GHz专用，更高速率
802.11ax 2021 2.4/5GHz 9.6Gb/s OFDMA 支持更多设备，低延迟

网络架构

  • 基本服务集（BSS）：
    • 基础架构BSS：AP+多个站点，AP为中心
    • 独立BSS（Ad-hoc）：站点直连，无需AP
  • 扩展服务集（ESS）：多个BSS通过有线连接，支持漫游

3.9.2 CSMA/CA协议

3.9.2.1 与CSMA/CD区别

无线信道特殊性

  • 隐藏终端：A和C在B范围内但彼此无法通信
  • 暴露终端：A→B通信，C→D被延迟
  • 信号衰减：强度随距离增加
  • 多径传播：信号经不同路径产生干扰

CSMA/CA设计思想

  • 避免碰撞：发送前充分监听
  • 预约机制：RTS/CTS预约信道
  • 确认机制：所有数据帧需ACK确认

3.9.2.2 帧间间隔（IFS）

IFS类型

  • SIFS：28μs，用于ACK、CTS、分片帧
  • DIFS：128μs，用于普通数据帧
  • PIFS：78μs，用于点协调功能
  • EIFS：SIFS+DIFS+最大帧时间，用于错误恢复

优先级机制：高优先级帧使用较短IFS

3.9.2.3 虚拟载波监听与NAV

网络分配向量（NAV）

  • 机制：每个站点维护计时器，帧中含持续期字段
  • 计算：持续期 = 数据帧时间 + ACK时间 + SIFS
  • 优势：解决隐藏终端，提高信道利用率

【例题17】NAV计算与隐藏终端

题目：802.11网络中，A向B发送1000字节数据帧，速率54Mb/s。C在B范围内但不在A范围内，求C的NAV设置及隐藏终端问题解决。

解答：

  1. 数据帧传输时间 = (1000×8) / 54Mb/s ≈ 148μs
  2. ACK帧时间 ≈ 20μs
  3. NAV持续时间 = 148 + 20 + 28(SIFS) = 196μs
  4. C的处理：虽然收不到A的帧，但收到B的CTS（含NAV=196μs）
  5. 隐藏终端解决：C设置NAV=196μs，期间不发送，避免与A→B通信冲突
  6. 暴露终端：若C要发送给D，需等待DIFS+NAV结束后才能竞争信道
    考点：RTS/CTS机制通过虚拟载波监听解决隐藏终端，但增加开销

3.9.2.4 RTS/CTS机制

工作流程

  1. RTS阶段：源站发送RTS（含持续期），周围站点设置NAV
  2. CTS阶段：目的站等待SIFS后发送CTS，持续期与RTS相同
  3. 数据传输：源站发送数据帧
  4. ACK阶段：目的站发送ACK确认

【例题18】RTS/CTS开销分析

题目：802.11b网络发送100字节数据帧，速率11Mb/s。比较使用RTS/CTS和不使用的总传输时间。

解答：

  1. 数据帧时间 = (100×8)/11Mb/s ≈ 73μs
  2. 不使用RTS/CTS：
    • DIFS + 数据 + SIFS + ACK = 128 + 73 + 28 + 20 = 249μs
  3. 使用RTS/CTS：
    • DIFS + RTS(20μs) + SIFS + CTS(14μs) + SIFS + 数据 + SIFS + ACK
      = 128 + 20 + 28 + 14 + 28 + 73 + 28 + 20 = 339μs
  4. 开销比例：(339-249)/249 ≈ 36%
  5. 适用场景：长帧、高碰撞概率环境；短帧不建议使用
    考点：RTS/CTS用在小帧上反而降低效率，需根据网络状况动态开启

3.9.3 802.11帧结构

帧类型

  1. 管理帧：信标、关联/认证、解除关联
  2. 控制帧：RTS、CTS、ACK、PS-Poll
  3. 数据帧：普通数据、QoS数据、空数据

地址字段（4个地址）

  • Addr1：接收方地址（RA）
  • Addr2：发送方地址（TA）
  • Addr3：BSSID或DS地址
  • Addr4：仅WDS模式

基础架构模式地址使用

  • 站点→AP：Addr1=BSSID, Addr2=站点MAC, Addr3=目标MAC
  • AP→站点：Addr1=目标MAC, Addr2=BSSID, Addr3=源MAC

3.10 本章总结和重要知识点

3.10.1 核心概念回顾

数据链路层基本功能

  • 帧同步、差错控制、流量控制、介质访问控制、链路管理

重要协议

  • PPP：点对点通信标准
  • CSMA/CD：共享式以太网介质访问
  • CSMA/CA：无线局域网介质访问
  • IEEE 802.3：以太网标准
  • IEEE 802.11：无线局域网标准
  • IEEE 802.1Q：VLAN标准

关键设备

  • 网络适配器：实现数据链路层和物理层功能
  • 集线器：物理层设备，共享带宽
  • 交换机：数据链路层设备，智能转发
  • AP：无线局域网中心节点

3.10.2 技术发展趋势

以太网技术：速率提升（10Mb/s→100Gb/s+）、介质演进、全双工通信、智能化（VLAN、QoS）
无线局域网：速率提升、覆盖扩展、安全性增强（WEP→WPA3）、智能化
网络方向：高速化、智能化、安全化、绿色化

3.10.3 学习重点和难点

类别 内容
重点 可靠传输机制、介质访问控制、帧结构、设备工作原理、PPP状态机
难点 CRC计算、滑动窗口、STP协议、CSMA/CA流程、VLAN标签处理
实践 协议应用、设备配置、故障排除、技术趋势

【综合例题19】网络故障排查

题目：某10BASE-T网络出现大量碰撞，使用CSMA/CD协议。抓包显示大量小于64字节的碎片帧。分析可能原因及解决方案。

解答：

  1. 原因分析：
    • 碰撞发生在帧发送后期，导致残缺帧
    • 可能网络负载过重或线缆质量差
    • 检查线缆长度是否超过100米规范
  2. CSMA/CD作用：退避算法应减少碰撞，但持续重传失败
  3. 解决方案：
    • 减少网络负载或升级至交换机（分割冲突域）
    • 更换高质量线缆，确保距离合规
    • 考虑升级为100BASE-TX全双工模式
  4. 根本原因：共享式以太网不适合高负载环境
    考点：理解CSMA/CD局限性和交换式网络的必要性

【综合例题20】VLAN间通信配置

题目：两台交换机通过Trunk连接，PC1在Switch1的VLAN10，PC2在Switch2的VLAN10，PC3在Switch1的VLAN20。请描述Trunk接口配置及PC1与PC3通信过程。

解答：

  1. Trunk配置：
    • 允许VLAN10、VLAN20通过
    • Native VLAN设为1（默认）
    • 接口模式：switchport mode trunk
  2. PC1→PC2通信：
    • Switch1接收untagged帧，添加VLAN10标签
    • Trunk转发带标签帧（VID=10）
    • Switch2接收后，发现目标在VLAN10，去除标签转发
  3. PC1→PC3通信：
    • 两PC在同一交换机但不同VLAN
    • 交换机不转发VLAN10到VLAN20的流量
    • 需要路由器或三层交换机实现VLAN间路由
      考点：VLAN隔离广播域，不同VLAN通信需三层设备