附录3：本章的无背景乐的视频

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计算机网络介质访问控制协议原理边界辨析

附录3：本章的无背景乐的

看图搞懂介质访问控制的关键机制、协议边界与冲突处理

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计算机网络介质访问控制协议原理边界辨析

附录3：本章的无背景乐的

看图搞懂介质访问控制的关键机制、协议边界与冲突处理

1第 1 页 · 附录3：本章的无背景乐的

MAC子层概述

你和室友的手机、电脑、智能音箱同时要连WiFi，但无线信道只有一条——谁先发、谁等、怎么不撞车？管这事的，就是MAC子层。

位置与定义
OSI七层模型中数据链路层的下子层，上接LLC，下接物理层
三大核心职责
帧的封装与解析、MAC寻址、介质访问控制仲裁
MAC地址
48位物理地址（6字节），网卡出厂烧录，理论上全球唯一
访问控制方法
争用型：CSMA/CD（以太网）、CSMA/CA（WiFi）；无争用型：令牌环、TDMA
与LLC的分工
LLC负责差错与流量控制，MAC负责把帧真正送到物理介质上
会议室抢话筒对应 →MAC介质访问控制

多人共享一条信道，需要规则决定谁在什么时刻发数据

2第 2 页 · MAC子层概述

ALOHA协议

上节说MAC子层要解决「谁先说话」。最早的答案出乎意料——根本不管，谁想发就发。这就是ALOHA。

诞生背景
1970年代夏威夷大学为无线分组网设计，最早的随机接入协议
纯ALOHA
想发就发，冲突后随机退避重传，吞吐上限仅18.4%
时隙ALOHA
把时间切成等长槽，帧只能在槽头发送，吞吐翻倍至36.8%
吞吐公式
S=Ge^{-2G}（纯），S=Ge^{-G}（时隙），G为负载强度
历史地位
思想极简但奠定随机接入范式，后续CSMA家族均受其启发
几个人同时抢着喊话对应 →纯ALOHA冲突

谁都听不清，等安静下来随机再开口说一次

S=G⋅e−2G（纯ALOHA）,S=G⋅e−G（时隙ALOHA）S = G \cdot e^{-2G} \text{（纯ALOHA）}, \quad S = G \cdot e^{-G} \text{（时隙ALOHA）}
3第 3 页 · ALOHA协议

CSMA协议

纯ALOHA的最大问题是「先说后想」——不管有没有人正在说，上来就发，结果碰撞概率居高不下。CSMA的改进思路很朴素：开口之前，先用耳朵探一探。

载波监听
发送数据前先检测信道是否空闲，确认空闲才发
多路访问
多个站点共享同一信道，必须轮流或协商使用
三种坚持策略
1-坚持、非坚持、p-坚持，决定检测到忙时如何等待
对比ALOHA
碰撞窗口从整帧缩到传播时延，吞吐量大幅提升
会议室举手发言对应 →CSMA载波监听

开口前先听有没有人在讲，有人在讲就等，没人讲再开口

4第 4 页 · CSMA协议

以太网概述

ALOHA 给出随机接入的代价，CSMA 把代价降一截——它们都是理论规则。以太网是首个把 CSMA/CD 做成大规模商用 LAN 的技术，也是后续所有 LAN 演化的母版。

定义与地位
802.3 系列标准 LAN，1973 年 Metcalfe 发明于 Xerox PARC，如今占全球绝对主流
核心接入机制
经典共享介质用 1-坚持 CSMA/CD 加二进制指数退避；现代交换式已转全双工，不再需要冲突检测
帧结构与寻址
48 位 MAC 地址全球唯一；帧含前导码、目的/源地址、类型/长度、数据、FCS 校验
速率与介质演进
10M→100M→1G→10G→40G/100G→400G 六代跨越，介质从粗同轴到双绞线再到光纤
典型应用
企业办公网、数据中心、运营商接入、家用宽带、工业控制；车载以太网正在兴起
城市道路系统对应 →以太网

车道宽=帧格式；红绿灯=CSMA/CD；不同等级公路=不同速率；门牌=MAC 地址

Lmin⁡/R≥2τmax⁡L_{\min} / R \geq 2\tau_{\max}
5第 5 页 · 以太网概述

以太帧格式

前页已看到以太网把上层数据装进链路层帧。接收方靠哪些字段找到收发接口、辨认协议，并判断帧是否完整？

字段顺序
目的MAC→源MAC→类型/长度→数据与填充→FCS
最小帧约束
从目的地址到FCS为64字节；数据不足46字节时，发送方会填充
长度与类型
≤1500是802.3长度；≥1536是EtherType，如IPv4、IPv6、ARP
最大与标签
无标签最多1518字节、带标签最多1522字节；数据均≤1500，均含FCS且不含前导码/SFD
FCS检错边界
尾部4字节为CRC-32；只检测传输差错，发现错误也不自动重传
快递面单和包裹对应 →以太帧

MAC对应当前链路收发接口，EtherType对应内容类别，CRC对应封签；帧长限制类似包裹规格

基本帧长=6+6+2+数据+填充+4=64∼1518 字节\text{基本帧长}=6+6+2+\text{数据}+\text{填充}+4=64\sim1518\ \text{字节}
6第 6 页 · 以太帧格式

_二层交换的基本原理

上一帧讲过 MAC 地址是以太网设备的门牌号。那交换机拿到一帧后，怎么决定送往哪个端口？这就是二层交换要回答的问题。

MAC 地址表
交换机内部维护的 MAC 与端口对应关系表
地址学习
从收到的帧提取源 MAC 和入端口，自动写入地址表
帧转发
查表找目的 MAC：有记录定向转发；无记录则泛洪到所有端口
冲突域隔离
每个端口独立冲突域，节点可同时收发而互不干扰
小区快递柜对应 →MAC 地址表与转发

柜号对应端口，按收件人名字=MAC 查柜分发；找不到就挨户问=泛洪

7第 7 页 · _二层交换的基本原理

生成树协议

上一节讲了交换机按 MAC 表转发。如果两台交换机之间接两根网线做冗余，广播帧就会在环路里无限转发——这就是广播风暴。生成树协议正是为解决这个问题而生。

环路与广播风暴
冗余链路造成帧在交换机间无限循环，MAC 表反复翻动
STP 的目标
保留物理冗余，逻辑上只留一条无环路径
三步构建过程
先选根桥，再为每台交换机选根端口，最后阻塞多余端口
BPDU 报文
交换机周期性交换的桥协议数据单元，携带桥 ID 与路径开销
典型应用
数据中心、园区网凡需冗余链路又怕环路的场景都开 STP
城市道路规划对应 →生成树协议

物理可修环城高架互通，逻辑只放行一条主干道，其余路口设红灯禁入

8第 8 页 · 生成树协议

虚拟局域网

生成树解决了环路，但还有个常见问题：财务部和研发部只想彼此通信，不希望对方广播帧漫天飞。物理上重新布线显然太贵。

VLAN 定义
不受物理位置限制的逻辑分组，同一 VLAN = 同一广播域
802.1Q 标签
在以太网帧中插入 4 字节标签，12 位 VLAN ID 标识所属
端口模式
Access 只承载单 VLAN；Trunk 承载多 VLAN 并打/剥标签
划分方式
按端口（最常用）、MAC、子网、协议或策略划分
典型应用
部门隔离、缩小广播域、安全分组、灵活变更不受布线限制
同一栋办公楼里的不同公司对应 →同一台交换机上的不同 VLAN

共用大楼基础设施，按租户标签（VLAN ID）隔离，跨租户广播互不可见

可用 VLAN 数=212−2=4094\text{可用 VLAN 数} = 2^{12} - 2 = 4094
9第 9 页 · 虚拟局域网

二层设备

二层设备：定义、要点与典型应用

二层设备
二层设备：定义、要点与典型应用
10第 10 页 · 二层设备

本节要点

  • ✓介质访问从随机争用演进到受控交换
  • ✓交换机通过MAC学习实现冲突域隔离
  • ✓二层围绕寻址、环路、隔离三件事展开
  • ✓帧格式细节记录着规范演进的痕迹
  • ✓无连接特性使环路处理成为二层的必答题
延伸主题：三层转发与ARP的协作机制STP的演进：RSTP与MSTPVLAN间路由的实现方式
11第 11 页 · 本节要点

课后思考

先合上页面自己想，再翻参考答案。本节问题值得多停一会儿。

1为什么以太网用 CSMA/CD，而 WiFi 用 CSMA/CA？介质本身的什么特性决定了这一差异？

参考答案有线可同时收发，能检测碰撞后重传；无线信号互相干扰，发送时几乎无法检测碰撞，只能靠预约避让。介质的共享冲突域与半双工特性决定了协议选型。

2如果交换机上关闭了生成树协议但保留了物理环路，网络会最先出现什么故障？为什么？

参考答案广播帧会在环路中无限复制并来回转发，MAC 表也会因同一 MAC 在不同端口反复出现而震荡。最先出现的是广播风暴和 MAC 地址表抖动。

3VLAN 只能在二层隔离广播域，云数据中心却用 VXLAN 跨越三层构建大二层——传统 VLAN 为什么不够用了？

参考答案VLAN ID 仅 12 位（4094 个），数据中心租户与虚拟机数量远超此上限；VXLAN 用 24 位标识把二层帧封装进 UDP，可跨三层路由，突破了 VLAN 的数量与地域限制。

12第 12 页 · 课后思考