计算机网络——数据链路层简解

1. 前言：

数据链路层，即在物理层之上网络层之下，数据链路层的数据交互可以通过mac来确实身份和发送数据。

说到数据链路层这里简单介绍下设备：

1. 网桥（Bridge）： 网桥是一种数据链路层设备，用于连接两个或多个局域网，并根据目的地址在它们之间转发数据帧。网桥通过学习源地址和目的地址的对应关系，构建一个地址表，以决定是否转发数据帧。现代网络中，通常使用交换机代替网桥。
2. 交换机（Switch）： 交换机是一种高级形式的网桥，它可以连接多个设备，并根据目的MAC地址在它们之间转发数据帧。交换机通常具有更多的端口和更高的性能，可以提供更快的数据传输速度。
3. 网卡（Network Interface Card，NIC）： 网卡是连接设备到网络的硬件接口，位于计算机或其他设备的数据链路层。它负责将计算机内部数据封装成数据帧，并发送到网络上，同时负责接收和解析从网络上接收到的数据帧。
4. 集线器（Hub）： 集线器是一种被广泛用于早期以太网的设备，它将所有连接到它的设备视为一个共享的冲突域。当一个设备发送数据时，所有其他设备都会收到，这可能导致网络冲突。由于其共享特性和较低的性能，集线器逐渐被交换机所替代。

数据链路层的组网设备现在几乎只有交换机（高级网桥）一种了，而普通网桥，集线器几乎已经是被淘汰的处境了。

现如今，二层的所有重要功能几乎都是靠着交换机实现的，要了解数据链路层就从交换机开始了解吧。

2. 交换机

2.1. 交换机的核心功能：

交换机能够根据目的MAC地址快速、精确地将数据帧从一个端口转发到另一个端口。提高了网络性能。

❓为什么要有这个功能?

集线器会将数据广播到所有端口，这样信道利用率极低，通常不超过30%

❓如何实现的?

mac地址是一个用于在网络上唯一标识网络适配器（网卡）的地址。每个网络适配器都有一个独特的 MAC 地址，通常由48位二进制数字组成，以六组十六进制数表示

交换机通过mac学习存储mac表，精准记录某某mac在哪个端口上的。

这里简单实验交换机的mac学习功能（使用华为ensp模拟）：

1. 网络扑朔如上图所示（ip分别为192.168.1.1/24,192.168.1.2/24）
2. 查看交换机mac表

display mac-address

3. pc1发送ping命令到pc2

ping 192.168.1.2

4. 检查mac表
   
   可以看到pc1在ping pc2的过程中记录了两台设备的mac，这里简单介绍，可以了解到交换机可以在通信中获取设备mac。这就是交换机能精准发送消息的关键。

2.2. 交换机的数据处理：

1. 泛洪（Flood）： 当交换机收到一个数据帧，且不知道目标设备的位置时，它会采用泛洪机制。交换机将数据帧发送到所有的端口，除了接收到数据帧的那个端口。这样做的目的是确保数据帧能够到达目标设备，同时学习目标设备的位置。

2. 转发（Forwarding）： 一旦交换机学习到了目标设备的位置（MAC地址与端口的对应关系），以后相同目标的数据帧就会被直接转发到目标设备所在的端口，而不再采用泛洪的方式。这提高了网络的效率和带宽利用率。

3. 丢弃（Discard）： 当交换机接收到的数据帧的目标MAC地址不在它的地址表中时，而且也无法进行泛洪，那么交换机就会选择丢弃这个数据帧。这种情况可能发生在学习到的地址表中没有目标地址，同时也无法进行泛洪的情况下。

2.3. 虚拟局域网VLAN：

Vlan是大部分交换机的具备的功能，可以使用认为的把局域网隔离开，每个 VLAN 表现为一个独立的广播域。

2.4. 交换机端口类型：

1. Access接口：交换机上常用来连接用户PC、服务器等终端设备的接口。Access接口所连接的这些设备的网卡往往只收发无标记帧。Access接口只能加入一个VLAN。
2. Trunk接口：Trunk接口允许多个VLAN的数据帧通过，这些数据帧通过802.1Q Tag实现区分。Trunk接口常用于交换机之间的互联，也用于连接路由器、防火墙等设备的子接口。
3. Hybrid接口:Hybrid接口与Trunk接口类似，也允许多个VLAN的数据帧通过，这些数据帧通过802.1Q Tag实现区分。用户可以灵活指定Hybrid接口在发送某个（或某些）VLAN的数据帧时是否携带Tag。

2.5.Stp防环协议：

在了解这个之前，我们先了解一下网络环路的危害。

广播风暴（Broadcast Storm）：

定义： 广播风暴是指网络中的广播消息在短时间内迅速传播，导致网络中的设备都收到大量的广播流量。 原因：
通常是由于网络中某个设备发生故障或配置错误，导致持续产生大量广播消息。这可能是因为设备出现循环冗余（broadcast
loop）或因其他原因导致广播消息无法停止。 影响：
广播风暴会占用网络带宽，导致其他正常通信的数据包无法正常传输，最终可能使整个网络变得非常缓慢或不可用

简单总结是：环路造成广播信息无限转发，到达一个数据链路无法接受的量级，导致网络瘫痪。

那么答案就呼之欲出了，stp协议就是通过交换机的功能设计，有交换机自动处理环路的算法。

stp过程简析：

我们通过树生成算法，推选一个根，把各个叶子连起来，组成一个树，这样可以破除环。

1. 推选根桥：

• . STP在交换网络中开始工作后，每个交换机都会向网络中发送配置BPDU。配置BPDU中包含交换机自己的桥ID。
• 网络中拥有最小桥ID的交换机成为根桥。
• 在一个连续的STP交换网络中只会存在一个根桥。
• 根桥的角色是可抢占的。

2. 选取跟接口（选取叶子）

选完根是不是要选叶子了呢，那么规定，离根桥最近的接口叫根接口

3. 选取指定接口（选取叶子）

数据帧的主导路径选择： 在一个网络中，可能存在多个交换机，每个交换机都有连接到同一网络段的接口。如果所有接口都试图同时发送数据帧，就会发生冲突，导致网络性能下降。指定接口的存在使得在每个网络段上只有一个接口成为主导，用于传输数据帧，从而避免了冲突。

stp实验（配置stp）

1. 网络扑朔
   
   c43f68fea42d181c361174ac10a7f.png)

2. 进入系统视图

system-view

3. 启动stp
   

stp mode rstp

4. 所有交换机都重复一次