物理层与数据链路层
medium计算机网络物理层数据链路层以太网MACARP
物理层
物理层负责在物理介质上传输原始比特流（0和1），定义了电气、机械和功能特性。
传输介质
| 介质 | 速率 | 距离 | 应用 |
|---|---|---|---|
| 双绞线（网线） | 100Mbps~10Gbps | ~100m | 室内局域网 |
| 光纤 | 10Gbps~100Gbps | 数十公里 | 骨干网、数据中心 |
| 无线电波 | ~Gbps | 数十米 | Wi-Fi |
关键概念
- 比特率：每秒传输的比特数（bps）
- 带宽：信道的最大数据传输速率
- 信噪比 + 香农公式：C = B × log₂(1 + S/N)，决定信道的理论最大传输速率
数据链路层
数据链路层负责在直接相连的两个节点之间可靠地传输数据帧。
核心功能
| 功能 | 说明 |
|---|---|
| 成帧 | 将网络层的数据包封装为帧，添加帧头和帧尾 |
| 物理寻址 | 使用 MAC 地址标识局域网中的设备 |
| 差错检测 | 通过 CRC 校验码检测传输错误 |
| 介质访问控制 | 决定哪个设备可以使用共享介质发送数据 |
MAC 地址
MAC 地址是网卡的物理地址，长度 48 位（6 字节），全球唯一：
MAC 地址格式: AA:BB:CC:DD:EE:FF
─────── ───────
厂商编号 设备编号（厂商自行分配）
特殊地址:
FF:FF:FF:FF:FF:FF → 广播地址（发送给局域网内所有设备）
以太网帧结构
┌──────────┬──────────┬──────┬───────────────┬─────┐
│ 目的 MAC │ 源 MAC │ 类型 │ 数据 │ FCS │
│ 6 字节 │ 6 字节 │2字节 │ 46~1500 字节 │4字节│
└──────────┴──────────┴──────┴───────────────┴─────┘
│
0x0800 = IPv4
0x0806 = ARP
0x86DD = IPv6
MTU（最大传输单元）：以太网帧数据字段最大 1500 字节。超过此大小的 IP 包需要分片。
交换机与集线器
| 设备 | 工作层 | 特点 |
|---|---|---|
| 集线器 | 物理层 | 收到数据后向所有端口广播（共享带宽） |
| 交换机 | 数据链路层 | 学习 MAC 地址，只向目标端口转发（独占带宽） |
交换机内部维护一张 MAC 地址表，记录每个端口连接的设备 MAC 地址：
MAC 地址表:
MAC 地址 端口
AA:BB:CC:11:22:33 Port 1
AA:BB:CC:44:55:66 Port 3
AA:BB:CC:77:88:99 Port 5
收到发往 AA:BB:CC:44:55:66 的帧 → 只转发到 Port 3
ARP 协议
ARP（Address Resolution Protocol）将 IP 地址解析为 MAC 地址。因为以太网帧需要 MAC 地址才能发送，但上层只知道目标 IP。
主机 A (IP: 192.168.1.1, MAC: AA:AA)
想发送数据给 192.168.1.2，但不知道其 MAC 地址
1. A 广播 ARP 请求: "谁是 192.168.1.2？请告诉 192.168.1.1"
目标 MAC: FF:FF:FF:FF:FF:FF（广播）
2. 局域网内所有设备收到请求，只有 192.168.1.2 响应:
"我是 192.168.1.2，我的 MAC 是 BB:BB"
目标 MAC: AA:AA（单播回复）
3. A 将映射关系缓存到 ARP 表:
192.168.1.2 → BB:BB （有效期通常 20 分钟）
ARP 缓存避免了每次发送都要广播查询，可用 arp -a 查看本机 ARP 表。
生产高频题
MAC 地址和 IP 地址的区别？
MAC 地址是数据链路层的物理地址，烧录在网卡中，用于局域网内设备寻址。IP 地址是网络层的逻辑地址，可以动态分配，用于跨网络寻址。通信时需要两者配合：IP 地址确定目标主机，MAC 地址确定同一局域网内的下一跳。
ARP 的工作原理？
ARP 通过广播请求局域网内目标 IP 对应的 MAC 地址。目标设备收到后单播回复自己的 MAC 地址，请求方缓存映射关系到 ARP 表。