0. 前言：局域网的“智慧”所在

在链路层的基础篇中，我们学习了点对点（PPP）的规则。但在现实中，更多设备是连接在一个“共享”的局域网（LAN）里的。如何保证大家说话不打架？如何让交换机像导流员一样精准投送数据？如何用 VLAN 把一个大的广播域切碎？

本篇文章将带你攻克：

1. CSMA/CD 协议（408 计算核心）。

2. 以太网帧格式与 MAC 地址。

3. 交换机的工作原理（自学习与帧转发）。

4. VLAN 配置实战（三级考试必考命令）。

1. 考研核心：介质访问控制协议 CSMA/CD

在早期的总线型以太网中，所有主机共用一根线。CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 应运而生，口诀是：先听后发，边听边发，冲突停止，随机重发。

1.1 协议流程深度解析

1. 多点接入 (Multiple Access)： 许多计算机连接在一根总线上。

2. 载波监听 (Carrier Sense)： 发送前先检测总线上是否有其他信号。

3. 碰撞检测 (Collision Detection)： 边发送边检测。一旦发现电平异常，说明发生了碰撞。

1.2 碰撞检测的数学极限：争用期

发送方发送数据后，最长需要多久才能确保没发生碰撞？ 答案是：任意两个节点间往返传播时延 $2\tau$。这个时间被称为争用期（碰撞窗口）。

1.3 核心计算：最小帧长 ✨

为了确保发送站在发完之前能检测到碰撞，帧的发送时延必须大于等于信号的往返传播时延。

🚀 408 必考推论： 以太网规定最小帧长为 64 字节。如果一个帧太小，必须在后面填充（Padding）。如果链路过长或速率过快，必须增加最小帧长，否则无法检测碰撞。

1.4 碰撞后的自救：二进制指数退避算法

当碰撞发生，不能立刻重发，否则会连续碰撞。

2. 以太网标准与 MAC 地址

2.1 以太网 V2 帧格式

这是工业界的标准帧格式：

1. 前导码 (8B)： 用于时钟同步。

2. 目的地址 (6B)： MAC 地址。

3. 源地址 (6B)： MAC 地址。

4. 类型 (2B)： 指明上层协议（如 0800H 是 IP）。

5. 数据 (46~1500B)： 最小 46B 是为了凑够 64B 的最小帧（46 + 6 + 6 + 2 + 4 = 64）。

6. FCS (4B)： CRC 校验码。

2.2 MAC 地址

• 48 位（6 字节），全球唯一。

• 形式：00-0C-29-4F-8B-3C。

• 前 3 字节是厂商代码（OUI），后 3 字节是厂家分配。

3. 交换机原理：从共享到交换

交换机（Switch）工作在数据链路层，它比集线器（Hub）聪明得多。

3.1 冲突域与广播域

• 集线器： 既不能隔离冲突域，也不能隔离广播域。所有端口共享带宽。

• 交换机： 每个端口都是一个独立的冲突域，采用全双工通信时不需要 CSMA/CD。但交换机默认不能隔离广播域。

3.2 交换机的自学习算法

交换机内部维护一张 MAC 地址表（也叫交换表）。

1. 接收： 收到一个帧，记录其“源 MAC 地址”与“入端口”的对应关系。

2. 查找： 查找“目的 MAC 地址”。

   • 若找到：按表项指定的端口转发（单播）。

   • 若未找到：向除入端口外的所有端口转发（泛洪/洪泛）。

   • 若源地址端口 = 目的地址端口：丢弃。

4. 三级必考：VLAN (虚拟局域网) 实战

VLAN 的出现是为了隔离广播域，提高安全性和管理效率。

4.1 IEEE 802.1Q 标签

在原始以太网帧的源地址后插入一个 4 字节的 VLAN Tag。其中包含 12 位的 VLAN ID（支持 1~4094）。

4.2 端口类型

• Access 端口： 用于连接主机。只属于一个 VLAN。

• Trunk 端口： 用于连接交换机。可以承载多个 VLAN 的流量。

4.3 三级实操：Cisco 交换机常用命令

在三级网络技术的综合题中，VLAN 配置是必拿的分数。

# 1. 创建 VLAN
Switch> enable
Switch# configure terminal
Switch(config)# vlan 10
Switch(config-vlan)# name Sales

# 2. 将端口分配到 Access VLAN
Switch(config)# interface fastEthernet 0/1
Switch(config-if)# switchport mode access
Switch(config-if)# switchport access vlan 10

# 3. 配置 Trunk 链路
Switch(config)# interface range f0/23 - 24
Switch(config-if)# switchport mode trunk
Switch(config-if)# switchport trunk allowed vlan all

5. 生成树协议 STP (三级高频填空)

为了防止二层环路导致的“广播风暴”，需要 STP 逻辑上断开冗余链路。

• 根桥选择： Bridge ID (优先级 + MAC 地址) 最小的为根。

• 端口状态： Blocking (阻塞) -> Listening -> Learning -> Forwarding (转发)。

• 填空重点： STP 状态转换的时间通常是 15s 或 20s，BPDU 报文每 2s 发送一次。

🛠 实战案例与避坑指南

5.1 408 深度计算案例

5.2 三级网络技术避坑

在填空题中，如果你看到“交换机查看 MAC 地址表”的命令，应填 show mac-address-table。注意中间的连字符。

💡 考研党深度思考

Q：既然交换机能隔离冲突域，为什么还要保留 CSMA/CD 协议？ A：主要是为了后向兼容。在半双工模式或连接集线器的情况下，冲突依然存在。但在全双工连接的现代交换网络中，CSMA/CD 确实已经退居幕后。

总结

本章我们从“物理上的争用”聊到了“逻辑上的隔离”。掌握了 CSMA/CD 的公式，你就拿下了 408 链路层最难的计算；背会了 VLAN 配置命令，你就拿稳了三级考试实操题的底分。

下一篇预告：【网络层·核心计算】我们将进入整场考试的“天王山”——IP 地址规划、子网划分与 CIDR。 建议准备好草稿纸，这一章的计算量极大！

版权声明：本文为【计网全栈通关】系列，转载请注明出处。