计算机网络知识点整理(6)：链路层与局域网

这是SJTU-CS3611《计算机网络》课程的知识点整理系列。本文整理部分为“第6章：链路层与局域网”。

6.1 链路层简介

6.1.1 基本概念

• 节点：运行链路层协议的设备（主机、路由器、交换机、WiFi接入点）
• 链路：连接相邻节点的通信信道（有线/无线）
• 核心功能：将数据报通过单一链路传输到相邻节点

6.1.2 链路层服务

服务类型	说明
成帧	封装网络层数据报，添加首部/尾部
链路接入	协调多节点共享信道（MAC协议）
可靠交付	通过确认和重传保证可靠性（无线链路常用）
差错检测	使用CRC等技术检测比特错误
流量控制	协调收发双方速率

6.1.3 实现位置

• 网络适配器（NIC）：
  • 硬件实现帧封装、CRC校验、MAC协议
  • 软件实现高层功能（ARP、流量控制）
• 协议栈位置：位于网络层和物理层之间

6.2 错误检测与纠正

6.2.1 奇偶校验

• 单比特奇偶校验：检测单比特错误
• 二维奇偶校验：

  例如：
  1 0 1 1 | 1
  0 1 0 1 | 0
  1 1 0 0 | 0
  -----------
  0 0 1 0 | 1

  • 检测并纠正单比特错误

6.2.2 校验和（Internet Checksum）

• 原理：16位整数累加取反
• 应用：TCP/UDP头部校验

6.2.3 循环冗余检测（CRC）

• 多项式编码：生成多项式G(x)的模2除法
• 计算示例：

  D = 101110, G = 1001 (x³ + 1)
  计算余数 R = D·2^r mod G → 帧 = D || R

• 国际标准：
  • CRC-32（以太网）：x³² + x²⁶ + ... + x + 1

6.3 多路访问协议

6.3.1 协议分类

类型	典型协议	特点
信道划分	TDMA/FDMA/CDMA	静态分配，效率低
随机接入	ALOHA/CSMA	动态竞争，适合低负载
轮流协议	轮询/令牌环	公平性高，需协调

6.3.2 关键协议详解

1. ALOHA

• 纯ALOHA：随时发送，效率18%
• 时隙ALOHA：同步时隙，效率37%

2. CSMA/CD（以太网）

• 四步过程：
  1. 载波侦听
  2. 冲突检测
  3. 中止传输
  4. 二进制指数退避
• 效率公式：

  \text{效率} = \frac{1}{1 + 5 \cdot \frac{d_{\text{prop}}}{d_{\text{trans}}}}

6.3.3 CSMA/CA（WiFi）

• 冲突避免机制：
  • 帧间间隔（IFS）
  • 预约信道（RTS/CTS）

6.4 局域网技术

6.4.1 MAC地址与ARP

• MAC地址：
  • 48位扁平地址（例：1A-2F-BB-76-09-AD）
  • 由IEEE统一分配，固化在网卡ROM中
• ARP协议：
  • ARP表：<IP地址, MAC地址, TTL>
  • 工作流程：
    1. 广播ARP请求
    2. 目标主机单播回复
    3. 更新本地ARP表

6.4.2 以太网（Ethernet）

帧结构

字段	长度	说明
前导码	8字节	同步时钟（7×10101010 + 1×10101011）
目的MAC	6字节	目标设备地址
源MAC	6字节	发送设备地址
类型	2字节	上层协议标识（IPv4: 0x0800）
数据	46-1500字节	有效载荷（MTU=1500）
CRC	4字节	循环冗余校验

技术演进

• 速率：10Mbps → 100Gbps
• 物理介质：同轴电缆 → 双绞线/光纤
• 拓扑结构：总线型 → 星型（交换机）

6.4.3 交换机

工作原理

• 自学习：

  1. 初始交换机表为空
  2. 收到帧时记录源MAC和接口
  3. 老化机制删除过期条目（默认20分钟）

• 转发逻辑：
  • 已知目的MAC：定向转发
  • 未知目的MAC：泛洪（广播）

vs 路由器

特性	交换机	路由器
工作层级	链路层	网络层
转发依据	MAC地址	IP地址
协议支持	即插即用	需路由协议

6.4.4 虚拟局域网（VLAN）

• 划分方式：
  • 基于端口/MAC/IP地址
• 802.1Q帧格式：

  | 目的MAC | 源MAC | 0x8100 | 优先级 | VLAN ID | 类型 | 数据 | CRC |

• 优势：
  • 广播域隔离
  • 灵活管理
  • 增强安全性

6.5 链路虚拟化：MPLS

6.5.1 核心思想

• 标签交换：20位标签替代IP地址转发
• 优势：
  • 流量工程（TE）
  • 快速重路由（FRR）

6.5.2 工作流程

1. 入口路由器：压入MPLS标签
2. 核心路由器：基于标签交换
3. 出口路由器：弹出标签

6.5.3 标签格式

字段	长度	说明
Label	20 bits	转发标签
Exp	3 bits	优先级
S	1 bit	栈底标识
TTL	8 bits	生存时间

6.6 数据中心网络

6.6.1 核心组件

• 服务器机架：20-40台服务器
• TOR交换机：机架顶部交换机（40-100Gbps）
• 二级交换机：连接多个TOR
• 边界路由器：连接外部网络

6.6.2 协议创新

• RoCE：基于RDMA的高速传输
• ECN拥塞控制：DCTCP/DCQCN
• SDN应用：动态流量调度

6.6.3 拓扑特点

• 多路径互联：提升吞吐量和可靠性
• 应用层路由：负载均衡器调度请求

6.7 综合案例：一个网页请求的日常

6.7.1 场景步骤

1. DHCP获取配置：

   • 客户端广播DHCP请求
   • 服务器回复IP、网关、DNS信息

2. ARP解析网关MAC：

   客户端广播ARP请求 → 网关回复MAC地址

3. DNS查询：

   • 客户端向DNS服务器查询www.google.com
   • DNS递归/迭代解析返回IP地址

4. TCP三次握手：

   SYN → SYN-ACK → ACK

5. HTTP请求/响应：

   • GET请求封装在TCP段中
   • Web服务器返回HTML内容

6.7.2 协议协作图

[ 应用层：HTTP ]
[ 传输层：TCP ]
[ 网络层：IP ]
[ 链路层：以太网帧 ]

6.8 总结与扩展

6.8.1 核心知识点

1. 链路层通过MAC地址实现本地通信
2. 错误检测（CRC）和随机接入协议（CSMA/CD）是局域网基石
3. 交换机和VLAN提升网络效率和管理灵活性

6.8.2 扩展：蜂窝网络标准

代际	技术特点
2G	GSM/CDMA（语音）
3G	UMTS（2Mbps）
4G	LTE（1Gbps）
5G	毫米波/低时延
6G	空天地一体化