5. 数据链路层（Data Link Layer）
1. 核心定位：它在做什么？
在相邻节点之间建立逻辑链路，把网络层交下来的 IP 数据报封装成帧，在链路上传送，并尽量保证无差错（或至少能发现差错）。
| 对比 | 物理层 | 数据链路层 |
|---|---|---|
| 比喻 | “路”——电缆、光纤、调制方式、比特流 | “车”——成帧、寻址（MAC）、差错控制 |
| 关心什么 | 0/1 如何在介质上传输 | 一帧从哪到哪、是否损坏、多机如何共用信道 |
与上层的关系：网络层负责端到端、跨网段；链路层负责一跳（hop）——本机到下一跳路由器或同一局域网内的另一台主机。
MAC 地址：链路层的“设备身份证”
- 长度与形式：以太网 MAC 为 48 位，常写作
AA:BB:CC:DD:EE:FF六组十六进制。 - 作用：在同一链路 / 同一广播域内标识网卡；交换机查表转发时看的是 目的 MAC。
为什么已有 IP 还要 MAC？
如果说 IP 是收件地址（北京路 1 号），MAC 是身份证号（这台设备是谁）。在局域网内传送数据包时，仅有 IP 是不够的，因为网卡只认 MAC 地址
跨网段通信时：主机仍用 ARP把下一跳 IP 解析成 MAC，把帧交给网关或下一跳；IP Header 里的目的 IP 始终不变（源路由除外），而每跳的以太网帧头里的目的 MAC 会变。
2. 三大支柱
2.1 封装成帧（Framing）
物理层只提供连续比特流，链路层必须划出帧的边界。
| 字段名称 | 字节大小 (Bytes) | 作用 |
|---|---|---|
| 前导码 (Preamble) | 8 | 告诉接收方网卡：“注意，数据要来了！”用于时钟同步。 |
| 目的 MAC 地址 | 6 | 本跳接收者的物理地址。 |
| 源 MAC 地址 | 6 | 本跳发送者的物理地址。 |
| 类型 (Type) | 2 | 标识里面装的是什么协议（通常是 0x0800 代表 IP 协议）。 |
| 数据部分 (Payload) | 46 - 1500 | 真正传输的内容（IP 数据报）。 |
| 帧校验序列 (FCS) | 4 | “防伪防撞”。利用 CRC 算法确保数据在传输中没被干扰。 |
- 帧定界：用起始标志、长度字段或特殊比特模式标明一帧从哪里开始、到哪里结束。
- 透明传输：若数据里恰好出现与定界符相同的比特/字节序列，要通过比特填充或字节填充等方法，使接收端仍能正确还原载荷，对上层“透明”。
常见实现里，以太网用前导码 + 帧起始定界；PPP 等则用标志字节与转义规则。
2.2 差错检测（Error Detection）
信道噪声、干扰会导致比特翻转。链路层普遍在帧尾加检错码，接收端计算后与帧内携带的值比对；不一致则丢弃该帧（通常不负责纠错，纠错多在上层或物理层编码里做）。
- CRC（循环冗余校验）：工业界事实标准（如以太网 FCS 常用 CRC-32）。数学上不能证明“一定没错”，但碰撞概率极低，硬件实现便宜。
2.3 可靠传输（Reliable Delivery）——并非所有链路都需要
- 检错 + 丢弃：以太网等多数局域网链路不重传，由 TCP 等上层保证可靠。
- 确认与重传：在误码率高或需要本地可靠性的场景，使用 ACK、超时重传；经典机制包括停止等待、回退 N、选择重传等滑动窗口思想。
3. 两类信道与介质访问控制
3.1 点对点信道
一对一链路，没有“别人抢信道”的问题，协议相对简单。
- 代表：PPP（拨号、部分广域网接入）。负责成帧、链路建立/认证、可选的简单差错检测等。
3.2 广播信道（共享介质）
多台主机共用同一传输介质，核心问题是：同时发送会冲突（碰撞）。
- 有线以太网（经典半双工）：CSMA/CD——载波监听多路访问 / 冲突检测。现代交换机端口多为全双工点对点，碰撞域被缩小到几乎不存在，CSMA/CD 在日常交换式以太网中已很少遇到。
- 无线（WLAN）：无法像有线那样可靠地“边发边听”，常用 CSMA/CA（冲突避免）配合退避、RTS/CTS 等减少隐藏终端问题。
4. 链路层设备：交换机（Switch）
Hub
Hub 是交换机出现之前的产物，它工作在物理层。可以把它看作一根折叠起来的总线。
当 A 电脑给 B 电脑发数据时，Hub 根本不看数据包里的 MAC 地址。它会把信号增强后，直接转发给除了 A 以外的所有接口。
核心缺陷
- 共享带宽：如果这是一个 100M 的 Hub，连了 10 台电脑，每台电脑平均只能分到 10M。
- 冲突域（Collision Domain）：因为它本质上是一根导线，如果 A 和 C 同时说话，信号就会在电缆里“撞车”变成噪音。
- 安全性极差：D 电脑只要想听，就能通过抓包工具看到 A 发给 B 的所有内容。
Switch
为了解决 Hub 的问题，我们发明了交换机（Switch）。
交换机通过 MAC 地址表实现了点对点通信，隔离了“冲突域”。A 给 B 说话，C 不会听到，也不会撞车。
学习：收到帧时看源 MAC + 入端口，写入/刷新 MAC 地址表；可顺带提老化时间 转发：看目的 MAC → 表里有端口则单播到该端口；没有则泛洪；目的端口与入端口相同则丢弃等。
但是，交换机无法隔离“广播域”：
- 在局域网中，有些协议（比如 ARP 寻找 MAC 地址、DHCP 获取 IP）必须通过“广播”来完成。
- 如果一个交换机连接了 1000 台电脑，其中一台发一个 ARP 广播，交换机会把这个包转发给剩下的 999 台。
- 当网络规模大到一定程度，这种“广播风暴”会占用大量 CPU 和带宽，导致网络瘫痪。
VLAN
VLAN (Virtual Local Area Network) 的出现，就是为了在不增加物理路由器的情况下，把一个大的广播域切分成多个小的、逻辑上的广播域。
它在标准的以太网帧头里加了一个“标签”（802.1Q Tag），里面写着这个数据包属于哪个 VLAN。
它的核心作用
- 隔离广播域：即使大家连在同一个物理交换机上，VLAN 10 的广播包也绝对传不到 VLAN 20。这就像在同一个大办公室里建了几间“隔音房”。
- 安全性：财务部的电脑（VLAN 10）和宿舍区的电脑（VLAN 20）在二层是完全隔离的。如果宿舍区有人中了木马企图扫描局域网，他根本找不到财务部的机器。
与集线器（Hub）、路由器对比
| 特性 | 集线器 (Hub) | 交换机 (Switch) | 路由器 (Router) |
|---|---|---|---|
| 工作层次 | 物理层（再生比特） | 数据链路层（按 MAC 转发） | 网络层（按 IP 转发） |
| 碰撞域 | 所有端口同一碰撞域 | 每个端口独立碰撞域（全双工下几乎无碰撞） | 各接口多为独立网段，二层上自然分隔冲突域 |
| 转发方式 | 广播式复制到所有端口 | 按 MAC 表定向转发（未知则泛洪） | 查路由表按 IP 转发；未知单播走路由/默认路由，不做二层泛洪 |
| 广播域 | 不隔离 | 默认不隔离（整台交换机同一广播域；VLAN 可划分） | 隔离（不将本子网广播转发到其他三层接口） |
