链路层和介质访问

链路层在直接连接的节点之间通过单个物理链路传输帧，而介质访问控制子层则管理多个节点如何共享广播信道，而不会因传输冲突而造成破坏。

Definition

链路层是负责在由单个链路连接的两个节点之间传输帧的协议层，包括组帧、通过介质访问控制协议进行链路访问以及链路上的错误检测。

Scope

此领域涵盖网络堆栈的第二层：将数据组帧为链路层帧、在噪声链路上的错误检测和纠正，以及协调共享通信信道访问的介质访问控制（MAC）协议。它包括信道划分、随机访问和轮流协议、交换式局域网，以及带有交换机和寻址的以太网家族。它不包括其下方的物理信令细节，以及其上方跨多个链路操作的网络层路由。

Sub-topics

• 错误检测与纠正（链路层）
• 以太网和链路层交换
• 多路访问协议
• 交换式局域网

Core questions

• 比特流如何划分为帧，以及如何检测或纠正传输错误？
• 多个节点如何高效公平地共享单个广播信道？
• 信道划分、随机访问和轮流MAC协议之间有哪些权衡？
• 学习型交换机如何在局域网中转发帧，它们与路由器有何不同？
• 除了网络层地址之外，为什么还需要链路层（MAC）地址？

Key concepts

• 组帧
• 错误检测（奇偶校验、校验和、CRC）
• 介质访问控制（MAC）
• 信道划分（TDMA, FDMA）
• 随机访问（ALOHA, CSMA/CD）
• MAC地址
• 以太网
• 链路层交换机
• 冲突域和广播域
• 地址解析（ARP）

Key theories

随机多址访问和CSMA/CD

随机访问协议允许节点在有数据时进行传输并从冲突中恢复；载波侦听多址访问/冲突检测（CSMA/CD）在经典以太网中使用，它在发送前侦听，并在检测到冲突时中止，然后随机退避。

通过冗余进行错误检测

附加根据数据计算出的校验位——奇偶校验、校验和或循环冗余校验——允许接收方检测（有时甚至纠正）在链路上引入的比特错误，以少量开销换取可靠性。

自学习交换式局域网

以太网交换机通过观察传入帧的源地址自动构建转发表，选择性转发而非广播，从而分割冲突域并扩展局域网。

Clinical relevance

链路层技术是物理连接设备的基础：以太网交换机构成了企业和数据中心网络的骨干，Wi-Fi的MAC协议管理着每个无线局域网，错误检测码保护着从铜缆到光纤再到无线电的每个链路上的数据。设计低延迟数据中心、诊断冲突和广播风暴问题，以及使用VLAN对网络进行分段，都依赖于链路层概念。

History

夏威夷大学的ALOHA系统（Abramson，20世纪70年代早期）开创了在共享无线电信道上的随机多址访问。Metcalfe和Boggs于1976年在施乐帕洛阿尔托研究中心（Xerox PARC）将这些思想应用于以太网，使用CSMA/CD通过同轴电缆。以太网后来被标准化为IEEE 802.3，并从共享同轴电缆发展到交换式双绞线和光纤，用全双工交换取代了基于冲突的竞争。

Key figures

• Robert Metcalfe
• David Boggs
• Norman Abramson
• Andrew S. Tanenbaum

Seminal works

• metcalfe1976
• kurose2021
• tanenbaum2010

Frequently asked questions

交换机和路由器有什么区别？

链路层交换机根据MAC地址在局域网内转发帧，对网络层透明；而路由器根据网络层（IP）地址在网络之间转发数据包，并运行路由协议。交换机构建单个局域网；路由器连接不同的网络。

如果已经有IP地址，为什么还需要MAC地址？

MAC地址标识本地链路上一个网络接口，用于在该单跳上传输；而IP地址标识全局寻址结构中的主机，用于端到端路由。两者在不同层操作，地址解析将IP地址映射到下一跳的MAC地址。