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【计算机网络层】数据链路层：局域网和交换机

news 来源：原创 2025/6/27 18:34:38

🧸安清h：个人主页

🎥个人专栏：【计算机网络】【Mybatis篇】

🚦作者简介：一个有趣爱睡觉的intp，期待和更多人分享自己所学知识的真诚大学生。

🎯局域网

🚦局域网简述

🚦局域网的拓扑结构

✨星型拓扑（Star Topology）

✨总线型拓扑（Bus Topology）

✨环形拓扑（Ring Topology）

🎯点对点协议

🎯交换机及其工作原理

🚦交换机自学习和转发帧的步骤

🚦交换机的性能指标- 转发技术

✨直通转发技术

✨存储转发技术

✨碎片隔离式

✨交换机时延

🎯部分习题跟练

🚦第一题

🚦第二题

🎯局域网

🚦局域网简述

局域网（Local Area Network，简称LAN）是一种计算机网络，覆盖范围相对较小，通常局限于一个建筑物或一组建筑物内。使用广播信道。

局域网的主要特点包括：

地理范围：局域网的覆盖范围通常较小，如一个办公室、一所学校或一个工厂。

传输速率：局域网的传输速率通常较高，可以达到10Mbps、100Mbps、1Gbps甚至更高。

拓扑结构：局域网可以采用多种拓扑结构，如星型、环型、总线型等。

协议：局域网通常使用以太网（Ethernet）协议，这是一种广泛使用的局域网通信协议。

决定局域网的主要要素为：网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法。

🚦局域网的拓扑结构

星型拓扑、总线型拓扑和环形拓扑是局域网中常见的三种网络拓扑结构，每种拓扑都有其独特的特点和适用场景。下面我将分别介绍这三种拓扑结构：

✨星型拓扑（Star Topology）

所有节点直接连接到一个中心节点，通常是交换机。
中心节点控制数据传输，易于监控和管理。
故障隔离性好，单个节点的故障不会影响其他节点。
易于扩展，添加或移除节点相对容易。
布线可能较为复杂，成本相对较高。

✨总线型拓扑（Bus Topology）

所有节点共享一条通信线路，即总线。
数据在总线上广播，所有节点都能接收到，但只有目标节点会处理数据。
布线简单，成本较低。
总线故障可能导致整个网络瘫痪。
随着网络规模的扩大，数据传输效率可能降低。

✨环形拓扑（Ring Topology）

每个节点通过两个接口连接到另外两个节点，形成一个闭合的环。
数据在环中按顺序传递，每个节点接收数据后转发给下一个节点。
环的完整性对于网络的运行至关重要，单个节点的故障可能影响整个网络。
易于监控和管理。
扩展性较差，添加或移除节点需要重新配置环。

🎯点对点协议

点对点协议（Point-to-Point Protocol，PPP）是一种在两个网络节点之间进行数据传输的链路层协议。

PPP协议的帧格式：标志字段F=0x7E。
PPP是面向字节的，所有的PPP帧的长度都是整数字节。
PPP帧格式：PPP采用7EH作为一帧的开始和结束标志，地址域（A）和控制域（C）取固定值（A=FFH，C=03H）
标志字段：F=0x7E
PPP有一个2个字节的协议字段，当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报；若为0xC021，则信息字段是PPP链路控制数据；若为0x8021，则表示这是网络控制数据。

🎯交换机及其工作原理

在数据链路层扩展局域网是使用交换机。

交换机工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。

交换机具有过滤帧的功能，但没有转发帧的功能。

当交换机收到一个帧时，并不是向所有接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定该帧转发到哪一个接口。

🚦交换机自学习和转发帧的步骤

交换机收到一帧后先进行学习，查找交换表中与收到帧的源地址有无匹配的项目。
没有，就在交换表中增加一个项目（源地址，进入的接口和有效时间）
有，把原有的项目进行更新（进入的接口和有效时间）
转发帧。查找表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。
没有，向进入接口除外的所有其他接口转发。
有，按交换表中给出的接口进行转发。

🚦交换机的性能指标- 转发技术

✨直通转发技术

通常交换机在接收到数据包的前6个字节时，就已经知道目的地址。它的优点是转发速率快，减少时延。

✨存储转发技术

要求交换机在接收到全部数据包后再决定如何转发。优点是没有残缺数据包的转发，减少了潜在的不必要的转发。缺点是转发速率较慢。

✨碎片隔离式

介于直通式和存储转发式的一种技术。转发前检查数据包的长度是否够64个字节，如果不够，丢弃，如果够，转发。

✨交换机时延

从交换机接收到数据包开始到开始向目的端口复制数据包之间的时间间隔。

采用直通转发技术的交换机有固定时延，取决于交换机解读数据包前6个字节中的目的地址的解读速率；采用存储转发技术的交换机的延时与数据包大小有关。

🎯部分习题跟练

🚦第一题

主机PC1到主机PC2的物理网络拓扑结构如下图所示。现主机PC1向主机PC2发送一条消息，整个数据流动过程中每一段链路上的MAC地址和IP地址如何变化的?

答：

IP地址：在数据包从源到目的地的过程中保持不变。

MAC地址：在每个设备处都会更改，以反映数据包进入和离开该设备时的接口地址。这是由ARP协议动态确定的。

🚦第二题

长度为10km、数据传输率为10Mb/s的CSMA/CD以太网，信号传播速率为200m/μs。那么该网络的最小帧长为多少?

往返时间RTT=10000*2/(200*10⁶)=10‾⁴s
最小帧长=10*RTT=1000bit

以上就是今天要讲的内容了，主要在局域网和交换机方面做了详细的描述，如果您感兴趣的话，可以订阅我的相关专栏。非常感谢您的阅读，如果这篇文章对您有帮助，那将是我的荣幸。我们下期再见啦🧸！

【计算机网络层】数据链路层：局域网和交换机

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