考点五：局域网中的数据链路层
1.局域网的基本要点
局域网（Local Area Network，LAN）是指一个较小范围（如一个公司）内的多台计算机或其他通信设备，通过双绞线、同轴电缆等连接介质互联起来，以达到资源和信息共享目的的互联网络。局域网是我们用得最多的，如我们大学里的校园网，在企业实习时的公司内部的内网都是局域网。DIX Ethernet V2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规定。DIX Ethernet V2标准与IEEE 802.3标准只有很小的差别，因此可以将802.3局域网简称“以太网”。严格来说，以太网应当是指符合DIX Ethernet V2 标准的局域网，也就是说，在考研中，局域网、以太网和IEEE 802.3是一个意思（局域网的东西杂且乱，我们根据考试的一些要点，总结了以下几点，大家考前背一背就可以了）。
（1）局域网的主要技术要素。
局域网的主要技术要素包括网络拓扑结构、传输介质与介质访问控制方法。
（2）局域网的主要拓扑结构。
局域网的主要拓扑结构包括星型网、环型网、总线型网和树型网（星型网和总线型网的结合）。
（3）局域网的主要传输介质。
局域网的主要传输介质包括双绞线、铜缆和光纤等，其中双绞线为主流传输介质。
（4）局域网的主要介质访问控制方法。
局域网的主要介质访问控制方法包括CSMA/CD、令牌总线和令牌环。前两种作用于总线型网，令牌环作用于环形网。
（5）802.3的数据链路层，如图3-20所示。
图3-20 802.3的数据链路层
IEEE的802标准定义的局域网参考模型只对应于OSI参考模型的数据链路层和物理层，并且将数据链路层拆分为两个子层：逻辑链路控制（LLC）子层和媒体接入控制（MAC）子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，LLC子层与传输媒体无关。
（6）以太网的工作特点。
以太网采用总线拓扑结构，所有计算机都共享一条总线，信息以广播方式发送。
为了保证数据通信的方便性和可靠性，以太网使用了CSMA/CD技术对总线进行访问控制，以太网规定51.2µs为争用期的长度。对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512b，即64B的数据。以太网在发送数据时，若前64B的数据没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。如果发生冲突，就一定是在发送的前64B之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，因此这时已经发送出去的数据一定小于64B。以太网规定了最短有效帧长为64B，凡长度小于64B的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码。
以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。以太网采用无连接的工作方式，并且不对发送的数据帧进行编号，也不要求对发送方发送确认，当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。因此以太网提供的服务是不可靠的服务，即尽最大努力交付，差错的纠正由高层完成。
2.以太网的硬件地址
以太网采用总线拓扑结构，所有计算机都共享一条总线，信息以广播方式发送，如图3-21所示，基本方式是当一台计算机发送数据时，其他计算机可以同时接收数据，如主机B发送数据，剩余的主机可以接收数据。这就有问题了，如主机B要和主机D发送数据，但是主机B并不想让其他计算机也接收这些信息，如大家以后读研究生，基本上每周要向导师汇报一次科研进度，有的学生科研进度比较慢（原因可能是自己能力不够，可能是科研问题比较难，又或者是自己经常摸鱼划水），而他们肯定不想让别人知道自己进度慢，所以只能偷偷跟导师说，这就需要一对一发送信息。事实上，计算机的通信目标有以下3种。
（1）一对一通信（单播通信）：单台主机与单台主机之间的数据通信。
（2）一对多通信（组播通信）：单台主机向选定的一组主机发送数据的过程。
（3）一对全体通信（广播通信）：单台主机向网络中所有主机发送数据的过程。
这里简单区分一下组播和广播通信，我们用大学里发微信通知的场景来举例子，班级内部存在班级群，宿舍也有宿舍群；班长在班级群中发送信息，班级内的所有人员都可以收到信息，这就是广播；而如果你在你的宿舍群发送一个信息，只有你们宿舍的室友才能收到信息，而且班级内的其他学生无法收到信息，你们宿舍群就是一个组。
图3-21 以太网采用总线拓扑结构示意
那么，如何在共享的总线线路上实现一对一、一对多和一对全体的通信呢？回到我们发微信的场景里，如果我们要想给单个同学发送信息，直接点开那个同学的微信就可以；如果我们想向宿舍群发消息，直接点开宿舍群就可以；如果我们想向班级群发消息，直接点开班级群就可以，区分它们的依据是不同的群号。同样的道理，如果我们想实现在共享的总线线路上实现一对一、一对多和一对全体的通信也必须区分一对一、一对多和一对全体的不同的编号。于是，在局域网的数据链路层引入了编号（编址）的机制，这个地址是硬件地址，又称为物理地址或MAC 地址。
802标准所说的“地址”严格来讲应当是每个站的“名字”或标识符，局域网中的每台计算机都有唯一的号码，称为MAC地址或物理地址、硬件地址，其长度是48位，其中IEEE 的注册管理机构负责向厂家分配地址字段的前3个字节（高位24位）。地址字段中的后3个字节（低位24位）由厂家自行指派，称为扩展标识符，厂家必须保证生产出的适配器没有重复地址，且一个地址块可以生成224个不同的地址。计算机中承载MAC地址的部件称为通信适配器。MAC地址实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。每块网卡出厂即被赋予全球唯一的MAC地址，它被固化在网卡的ROM中，共48b（6B）。所谓网络接口板，又称为通信适配器、网络接口卡（NIC）或“网卡”，就是我们计算机上插入网线的那个位置，其中包含网络接口卡。适配器的重要功能有如下几项：
（1）进行串行/并行转换。一般网线是串行的，计算机内部一般是并行的，需要完成串并转换。
（2）对数据进行缓存。
（3）在计算机的操作系统中安装设备驱动程序。大家如果有安装笔记本电脑的经验，就会发现，一般笔记本电脑新装系统无法连接无线网，就是因为没有驱动。
（4）实现以太网协议。
规定了地址以后，事实上，每种帧有自己的地址范围（这个范围，大家需要记住）。
①广播帧地址：FF FF FF FF FF FF （12个F或48位的1）。
②组播帧地址：01 00 5E 00 00 00～01 00 5E 7F FF FF（这个范围，大家暂且记下）。
③单播帧地址：不是广播帧地址和组播帧地址就是单播帧地址。
网络适配器从网络上每收到一个MAC帧，就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址，如果是发往本站的帧则收下，然后进行其他处理，否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。
“发往本站的帧”包括3种帧：单播帧（一对一）、广播帧（一对全体）、组（多）播帧（一对多）。
3.以太网的帧格式
前面学习了数据链路层的成帧方法，具体到局域网中MAC帧的格式有两种：IEEE 802.3标准和DIX Ethernet V2标准，因为以太网是事实上的工业标准，所以讲解中主要讲解以太网帧格式。这个帧格式大家可以用我们发快递来类比，我们发快递需要写收件人、发件人、发送的物品及选择保价或限时送达等，以太网的帧格式如图3-22所示（注意：帧格式的每个部分的功能需要记住，有一类题专门考查这个结构）。
图3-22 以太网的帧格式
（1）前导码：在帧的前面插入8B数据，使接收端与发送端进行时钟同步。这8B数据又可分为前同步码（7B）和帧开始定界符（1B）两部分。这个部分是用来做同步和定界的，但是前导码不是算在帧的格式中，这个就像我们在网上下单，要预约快递小哥的取件时间，但是这个并不是你要发送的东西本身。
（2）目的地址、源地址：均使用48b（6B）的MAC地址。这个用来标识发送方和接收方，等同于发件人和收件人。
（3）类型：占2B，指出数据域中携带的数据应交给哪个协议实体处理。例如，若类型字段的值为0x0800，就表示上层使用的是IP数据报等，类似于发快递选择保价或限时送达等。
（4）数据：占46～1500B。46B和1500B是怎么得来的呢？首先，由CSMA/CD算法可知，以太网帧的最短帧长为64B，而MAC帧的首部和尾部的长度为18B，所以数据最短为64B-18B=46B。其次，最大的1500B是数据链路层规定的最大的分组长度（先记住）。
（5）校验码（FCS）：占4B，采用循环冗余码，不但需要校验MAC帧的数据部分，还要校验目的地址、源地址和类型字段，但是不校验前导码。
4.高速以太网
在同一时间，10Mb/s以太网备受好评。起初，10Mb/s速率似乎完美无缺，因为那时候计算机上设备少。但是随着计算机网络的发展，很多设备需要大量的带宽，因而许多10Mb/s 的局域网明显心有余而力不足。在这种环境下，IEEE于1992年重新召集802.3委员会，指示他们赶快提出一个快速LAN建议。其中一个建议是仍然保持802.3原来的面貌不变，但要运行得更快。另一个建议是完全重新设计802.3，给予它更多的特性，同时新设计还将向后兼容现有的以太网局域网。其实这也是没办法的事，前期10Mb/s以太网已经投入使用了，不可能一下子切换到全新的技术。于是将数据传输速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网，高速以太网有以下3种。
（1）100Mb/s以太网。100Mb/s以太网的基本思想非常简单：保留原来的帧格式、接口和过程规则，只是将比特时间从100ns降低到10ns。技术上，它可以照搬10Mb/s的经典以太网，只要将电缆的最大长度降低到原来的1/10，以便及时检测冲突。以太网介质和线缆如表3-7所示。
表3-7 以太网介质和线缆
100Base-T以太网是在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑结构以太网，使用CSMA/CD协议。1100Base-T以太网可在全双工方式下工作而无冲突发生，此时无须使用CSMA/CD协议。若在半双工方式下工作,则仍需使用CSMA/CD协议。
（2）吉比特以太网。吉比特以太网又称为千兆以太网，允许在1Gb/s下以全双工和半双工两种方式工作。在半双工方式下使用CSMA/CD协议（全双工方式不需要使用CSMA/CD协议，当吉比特以太网工作在半双工方式下时，必须使用CSMA/CD协议进行冲突检测。要提高数据传输率，只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度，这样才能使得信道的利用率比较高。吉比特以太网的网段最大电缆长度仍为100m，但采用了“载波延伸”的方法。同时与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容。
（3）10吉比特以太网。
千兆以太网被标准化以后，802委员会的委员们需要高瞻远瞩设计更快的局域网标准，毕竟互联网呈爆炸式的发展态势，谁也说不准明天会怎样。于是802委员会又设计了万兆以太网（10 Gigabit Ethernet）的标准。它遵循了许多以前以太网标准的模式，与10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s以太网的帧格式完全相同。10吉比特以太网也保留了802.3标准规定的以太网最小和最大帧长，以便于升级。10吉比特以太网不再使用铜线，它只使用光纤作为传输介质。10吉比特以太网只工作在全双工方式下，因此没有争用问题，也不使用CSMA/CD协议。
政哥应试提醒：本考点内容相对松散，MAC地址和以太网的帧格式是贯穿计算机网络的核心内容，大家需要准确记忆地址结构和帧格式，无论是选择题还是解答题，都是高频考点。局域网的基本要点和快速以太网的一些特点是常考的内容。
难度系数：★★
牛刀小试
1.下面对局域网特点的说法中不正确的是( )。
A.局域网拓扑结构规则 B.可用通信介质较少
C.范围有限、用户个数有限 D.误码率低
2．局域网LAN所采用的传输方式为( )。
A.“存储-转发”式 B.广播式 C.电路交换式 D.分散控制式
3.以下关于10Base-T的描述中错误的是( )。
A.数据传输速率为10Mb/s
B.信号类型为宽带信号
C.采用星型拓扑结构
D.最大传输距离是500m,每段双绞线的最长有效长度是100m
4.以下关于MAC的说法中错误的是( )。
A.MAC地址在每次启动后都会改变
B.MAC地址一共有48bit,它们从出厂时就被固化在网卡中
C.MAC地址也称为物理地址,或者通常所说的计算机的硬件地址
D.MAC地址每次启动后都不会变化
5.IEEE 802.3标准以太网的物理地址长度为( )。
A.8bit B.32bit C.48bit D.64bit
6.IEEE 802.3采用的媒体访问控制方法为( )。
A.1-坚持算法的CSMA/CD B.非坚持算法的CSMA/CD
C.p-坚持算法的CSMA/CD D.以上均不对
7.局域网络服务访问点的位置处于( )。
A.LLC子层与高层的交接面上 B.MAC子层与高层的交接面上
C.AMC子层与高层的交接面上 D.CLL子层与高层的交接面上
8.决定局域网特性的主要技术有传输介质、拓扑结构和媒体访问控制协议,其中最重要的是( )。
A.传输介质 B.拓扑结构 C.介质访问控制协议 D.以上均不是
9.下列选项中,不属于局域网提供的服务的是( )。
A.资源共享 B.设备共享 C.多媒体通信 D.分布式计算
10.在以太网中,MAC帧中的源地址域的内容是( )。
A.发送站点的物理地址 B.目地站点的物理地址
C.源 SAP地址 D.目的SAP地址
11.一个以太网帧的最小和最大尺寸是( )。
A.46字节和64字节
B.64字节和1518字节
C.64字节和1600字节
D.46字节和28字节
12.当IEEE 802.3 MAC帧中的目的地址字段为全“1”时,表示( )。
A.单个地址 B.组地址 C.广播地址 D.局部地址
牛刀小试解析
1.B 解析 本题考查局域网的特点。局域网主要由拓扑结构、传输介质和介质访问控制协议3个要素决定。其中,介质访问控制协议最重要。通常局域网为一个单位所拥有,地理范围和站点的数目有限。例如,一栋办公大楼等。局域网采用无连接的、不可靠的连接方式来传输数据,因为局域网有较低的传输时延和较低的误码率。
局域网可以使用双绞线、铜缆及光纤等多种传输介质,以双绞线为主。故而,B项错误。
2.B 解析 本题考查局域网LAN采用的传输方式。局域网所采用的传输方式是广播式的。
3.B 解析 对于该类经典题型,我们总结如下。
Base前的数字表示网络的数据传输率,如：10BASE数据传输率为10Mb/s,1000BASE数据传输率为1000Mb/s。Base指基带传输,即未经过调制,不能复用的传输,与其对应的Broad指宽带传输(多用于有线电视网)。Base后的字母或数字指的是传输介质,反映介质特点,如10Base-T中的T指双绞线,10Base-5指传输距高500m(粗缆)。
对于10Base-x系列,我们总结如表3-8所示。
表3-8 10Base-x系列
4.A 解析 本题考查MAC地址结构特点。MAC地址是固化在网卡上串行EEPROM中的物理地址,通常有48位长。MAC地址也称为物理地址或硬件地址,在每次启动后都不会变化。
5.C 解析 本题考查IEEE 802.3标准以太网的物理地址长度。IEEE 802.3标准是在Ethernet规范基础上制定的,典型的Ethernet物理地址长度为48位。
6.A 解析 本题考查IEEE 802.3采用的媒体访问控制协议。IEEE 802.3是一个使用CSMA/CD媒体访问控制方法的LAN的综合性标准。事实上,IEEE 802.3或Ethernet所用的媒体访问法为带有碰撞检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)。
①工作站要发送数据时,先侦听信道是否有载波。若有载波,表示信道忙,则继续侦听,直至检测到空闲,立即发送数据。
②在发送数据过程中进行冲突检测,若在冲突窗口内没有发生冲突,则表示数据发送成功；否则立即停止发送并采用二进制指数回退算法,等待一个随机时间后再重复发送过程。
③对于接收方,则根据数据包的校验和与物理地址决定是否将数据交给上层协议。
7.A 解析 本题考查局域网的SAP位置。
局域网的种类繁多,其媒体接入控制的方法也各不相同,远远不像广域网那样简单。为了使局域网中的数据链路层不致过于复杂,应当将局域网的数据链路层划分为两个子层,即媒体接入控制或媒体访问控制(Medium Access Control，MAC)子层和逻辑链路控制(Logical Link Control，LLC)子层,而网络的服务访问点SAP则在LLC子层与高层的交接面上。故而选择A项。
8.C 解析 本题考查决定局域网特性的关键因素。局域网主要由拓扑结构、传输介质和介质访问控制协议3个要素决定。其中,介质访问控制协议最重要。故而,选择C项。
9.D 解析 本题考查局域网提供的服务类型。局域网提供的服务包括资源共享、设备共享及多媒体通信等,分布式计算不是局域网提供的服务。
10.A 解析 本题考查以太网MAC帧的源地址。以太网帧在相邻的交换机等交换设备间传递,源地址和目的地址一直在发生变化。例如, MAC帧从某个节点交换机A投往下个节点交换机B，B投往下个交换机C，C再投给目的主机D。在A交换机发往B交换机的帧中,源 MAC地址是A交换机的MAC地址,目的地址是交换机B的MAC地址。
当该帧到达交换机B,并从交换机B发往交换机C时,源MAC地址是交换机B的MAC地址,目的MAC地址是交换机C的MAC地址。
IP地址在数据包的传输过程不发生变化,在由源主机到目的主机传递的IP数据报中,源和目的地址都是源主机的IP地址与目的主机的IP地址,在传递过程中不发生变化。
11.B 解析 本题考查以太网帧的最大帧长和最小帧长。以太网规定帧(图3-23)的最小长度是64字节,最大长度是1518字节。以太网帧头部是18字节,故而帧的数据部分的长度最短是46字节,最长是1500字节。
图3-23 以太网帧结构
12.C 解析 目的地址字段DA用于标识接收站点的地址,它可以是单个的地址,也可以是组地址或广播地址。DA字段最高位为“O”，表示单个的地址,该地址仅指定网络上某个特定站点；DA字段最高位为“1”、其余位不为全“1”表示组地址,该地址指定网络上给定的多个站点；DA字段为全“1”,则表示广播地址,该地址指定网络上所有的站点。