5.1—5.2 分层、介质与链路¶
本页要点：分清协议与服务；按指定模型归层；理解帧、交换与广播域；把冲突检测限定在共享半双工网络。地址与路由见计算与分析，端到端机制见TCP与应用协议。
5.1 体系结构：从应用数据到线上比特¶
网络把独立端系统通过链路、交换/路由设备和协议连接起来，以通信实现资源共享。局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）按组织与覆盖范围区分，不宜用一个固定公里数作硬边界。物理星型不一定是逻辑星型：集线器把所有端口的信号共享出去，连线像星，介质仍共享。
| 拓扑 | 连接及例子 | 优点与限制 |
|---|---|---|
| 总线型 | 多节点共享主干 | 布线较少；主干故障影响大，需要介质访问控制 |
| 星型 | 节点接中心设备 | 支线易定位；中心设备是共同故障点 |
| 环型 | 节点首尾相连 | 可有序访问；单环断点需旁路或冗余保护 |
| 树型 | 多层分支 | 便于扩展；上层故障影响下属分支 |
| 网状 | 多条互连路径 | 冗余潜力高；链路与管理成本也高 |
表中比较物理连接和故障影响；实际可靠性还取决于协议、冗余与切换，不能只凭拓扑名称判断。两个网点通过多条线路互连，可增加备选路径，却仍需避免共同电源、机房或运营商故障。
协议是对等实体之间的规则，包含格式、含义和时序；服务是下层向上层提供的能力；接口是同机相邻层使用服务的边界。例如应用通过套接字接口请求TCP发送字节，TCP两端按序号、确认等协议实现可靠传输。面向连接与可靠性是不同维度，不能由前者直接推出后者。服务原语可按请求、指示、响应、确认描述层间可观察的动作，不是四种必须在线上传输的报文；SAP（Service Access Point，服务访问点）是上层访问下层服务的逻辑位置，不必然就是TCP端口。例如上层请求发送、下层报告完成，是服务接口观察；两台机器交换ACK，则是对等协议动作。
flowchart TB
A[OSI 应用／表示／会话] --> B[传输层：TCP段／UDP数据报]
B --> C[网络层：IP分组]
C --> D[数据链路层：以太网帧]
D --> E[物理层：比特与信号]
A -. TCP/IP应用层 .-> F[HTTP、DNS、SMTP]
B -. TCP/IP传输层 .-> G[进程端口与端到端通信]
C -. TCP/IP网际层 .-> H[逻辑地址与逐跳转发]
D -. TCP/IP网络接口层 .-> I[相邻节点交付]
E -. 同属网络接口层 .-> I图N2自上而下表示封装方向；接收方按相反方向解封装。OSI为七层，TCP/IP常用四层，教学五层把网络接口层再拆开；箭头不是“应用直接连到远端应用”的物理线路。表示、会话层的功能可在实际应用协议或库中实现，不必存在独立软件层。
| 层次 | 核心问题 | 例子与设备边界 |
|---|---|---|
| 物理 | 如何表示、发送比特 | 信号、光模块、中继器、集线器；不识别IP |
| 链路 | 相邻节点怎样成帧和访问介质 | Ethernet、PPP、交换机/网桥；一般不跨VLAN转发广播 |
| 网络 | 跨网如何寻址、选下一跳 | IP、ICMP、路由器；IP提供尽力而为数据报服务 |
| 传输 | 字节/数据报怎样交付进程 | TCP、UDP；端口用于复用和分用 |
| 应用 | 用户协议如何表达请求 | HTTP、DNS、SMTP；OSI表示层负责表示转换，会话层负责对话组织 |
网卡通常涉及物理和链路功能，不能说只能属于一层；现代网卡还可能卸载校验和等功能。ARP把本地IPv4下一跳地址解析为链路地址，归层存在教材差异，RFC1122在链路层讨论它。TLS在应用与传输之间提供安全服务，不应强行从回忆题选项推出唯一OSI归层。网关也不是一律“应用层设备”，默认网关通常是三层路由接口。
网络层职责口径：OSI网络层核心任务是源主机到目的主机的分组交付，包括逻辑寻址、路由选择和转发；特定教材/模型还会把流量控制、拥塞控制列作网络层可承担的功能，尤其是虚电路或面向连接网络服务中，网络内部可进行准入、资源分配与拥塞反馈。不能据此说所有IP路由器都提供端到端流控：传统IP是尽力而为数据报服务，TCP接收窗口控制端到端接收速率，TCP拥塞控制约束发送方对网络的负载。答题时按题目指定OSI教材表述层职责，再区分具体IP/TCP实现机制。
SFP与光接口：SFP（Small Form-factor Pluggable）是可插拔收发器模块的形态/管理接口，不是某种固定光纤或传输速率。交换机插槽中可按设备兼容性选择光模块（配单模/多模光纤及匹配波长、连接器、距离）或铜缆电收发器；模块两端须匹配速率、介质与光学预算，不能因插槽形状相同就认定兼容。SFP常见光模块把电侧信号转换为光信号，SFP铜缆模块则可在支持的条件下转为电接口。源题若未给型号、距离与链路参数，不能唯一确定应选光纤、波长或速率。具体模块互通性应查设备厂商兼容列表和模块规格。已实际读取Cisco千兆SFP数据表的Product overview、1000BASE-T、SX、LX/LH与ZX段：同类可插拔模块存在光与铜缆型号，且ZX距离取决于光纤质量、熔接及连接器，不由“SFP”三个字决定。这里用厂商具体规格支持选型边界，不将单一型号的距离推广到全部光链路。
跨网例子：主机192.168.1.10/24访问192.168.2.20时，先根据掩码判为异网，选择网关192.168.1.1；ARP询问网关MAC，以该MAC作本跳目的地址，而IP目的地址仍是192.168.2.20。路由器每跳重封装链路帧并递减TTL（生存时间），无NAT时源、目的IP通常不变。
5.2.1 介质、双工与复用¶
物理层规定接口的机械、电气、功能和过程特性，把数据以电、光或电磁信号传送；数字数据可经编码作基带传输，也可调制到载波。中继器/集线器再生或转发信号，不按目的MAC选端口。同轴电缆有屏蔽结构；无线便于移动但受干扰、遮挡和共享竞争影响。单工只能单向，半双工双方轮流，全双工双方可以同时发送。双绞线便于布线但受长度与干扰限制；光纤抗电磁干扰，单模常用于长距、多模常用于较短距，最终距离取决于具体以太网标准、收发器和线缆等级。不能把“所有双绞线都100米”“所有Cat6都能55米万兆”当无条件规则；具体距离表本轮待逐标准核实。
码元速率（Baud）是每秒符号数，比特率是每秒比特数。等长M状态编码每符号可承载log₂M bit，例如2400 Baud、4状态得到4800 bit/s。理想无噪声低通信道的奈奎斯特上限为2B log₂M bit/s；带噪信道的香农容量为B log₂(1+S/N) bit/s，B以Hz计且S/N须为线性功率比。两者前提不同，同一题同时受噪声与码元状态限制时应同时满足，不能直接取较大值。例如B=3000 Hz、M=4的奈奎斯特上限为12000 bit/s；若S/N=30 dB，先换算为1000，香农容量约29902 bit/s。频分复用分频带、时分复用分时隙、波分复用分光波长、码分复用按码区分；复用共享信道资源，不能无条件创造容量。
电路交换预留通路，报文交换以整报文存储转发，分组交换拆包后统计共享。IP网络的分组可能排队、丢失、乱序；重传与排序需由合适的上层协议补齐。
5.2.2 成帧、透明传输与差错控制¶
帧定界让接收者识别一帧的范围，透明传输避免数据误作边界。以截取的数据串为例，连续5个1后插0，01111110变成011111010，按规则去填充可恢复原串。实际作用范围由协议规定：RFC1662 §5.2的比特同步HDLC式封装对两个标志之间的整帧填充（包括FCS），接收时先去填充再校验FCS；边界标志本身不去填充，不能将教学数据串误作整个帧。长度字段法依赖长度正确；字节填充遇到标志或转义字节需按协议转义；编码违例法利用正常数据编码中不出现的信号模式。
差错检测只发现损坏，可靠传输还要处理丢帧、重复和ACK丢失。以太网FCS（帧校验序列）使用CRC（循环冗余校验）检错，错误帧通常丢弃，不等于以太网自动重传；无线链路可以另有确认重传。CRC与海明码的主讲及算例集中在基础模块。
流量控制保护接收方缓存，拥塞控制保护网络资源，差错控制恢复丢失/损坏。例如接收缓冲满而链路很空是流量问题，链路排队爆满则是拥塞问题。
| 可靠传输机制 | 怎样工作 | ACK丢失或丢帧时 |
|---|---|---|
| 停止等待 | 每次只有一帧未确认，常用0/1交替序号 | 超时重发；接收者识别重复只重发ACK，不重复交付 |
| GBN（Go-Back-N，回退N帧） | 接收窗口常为1，累计确认 | 超时重发最早未确认及之后尚未确认的帧 |
| SR（Selective Repeat，选择重传） | 缓存窗口内失序帧，分别确认 | 只补缺口，补齐后按序交付 |
表按标准有限序号滑窗模型：k位序号时GBN发送窗口≤2^k−1，等大发送/接收窗口的SR≤2^(k−1)，避免新旧帧混淆。k=3时分别为7与4；报文寿命等假设不能省略。GBN通常丢弃失序帧；SR缓存窗口内合格失序帧，缺口补齐后才按序交付。有限序号不能处理无限迟到且跨多个序号周期的旧副本。
ACK丢失完整例：发送方发序号0，接收方接收、交付并回ACK，但ACK丢失；发送方超时重发0，接收方识别重复、不再交付，只重发ACK；确认到达后发送方才切换序号1。ACK字段表示已收序号还是下一期待序号随协议变化，不能硬套数值。差错控制可用FEC（冗余直接纠正能力内错误）或ARQ（检错、序号、确认和重传）；有限重试的实际协议最终仍可能失败。
滑动窗口限制未确认数据量，ACK推进窗口，接收缓存也可限制许可。链路流控保护相邻节点，TCP流控保护端到端接收者；并非所有链路均提供流控。停止等待不是TCP拥塞控制算法。
5.2.3 以太网、交换机与VLAN¶
CSMA/CD是载波监听多路访问/冲突检测：先听后发、边发边测、冲突停发、随机退避，针对共享半双工以太网。发送时间需覆盖最坏往返传播时间，10 Mbit/s与51.2 μs预算对应512 bit=64 B；全双工交换链路不靠冲突检测工作。CSMA/CA（冲突避免）用于802.11无线，利用监听、退避和可选RTS/CTS降低冲突概率，不保证绝无冲突。
常见未标记MAC帧从目的地址到FCS为64—1518 B，含14 B首部、46—1500 B数据及填充、4 B FCS；前导码、帧开始定界符与帧间隙不计入此口径。48位MAC不意味着每个实际地址全球唯一：存在本地管理地址、随机地址、克隆和配置冲突。
交换机根据源MAC学习入口，根据目的MAC查表。已知单播转对应端口，未知单播/广播在同VLAN内向其他合适端口泛洪；网桥也是这种链路转发思想。16端口交换机在传统教材口径下有16个独立端口冲突域；若无VLAN划分只有1个广播域，全双工实际不发生共享冲突。
VLAN（Virtual LAN，虚拟局域网）把一台交换机逻辑分成多个广播域。802.1Q标签4 B，VID字段12 bit，普通可用VID为1—4094，0和4095有特殊/保留用途。Access口通常让终端以不带标签帧进入一个数据VLAN；Trunk承载多个VLAN，Native VLAN的标签处理依配置，语音VLAN等也是简化口诀的例外。
VLAN划分依据因设备和网络管理方案而异，常见方式如下；这不是802.1Q规定的互斥分类，也不保证各厂商都支持每一种：
| 划分依据 | 规则与例子 | 适用边界 |
|---|---|---|
| 交换机端口（静态） | 将接入端口配置到VLAN 10，接入该口的终端进入财务广播域 | 简单、可预测；终端换口后需调整配置，或接入同一策略口 |
| MAC地址（动态） | 根据已登记的网卡MAC把终端归入指定VLAN | 终端换端口仍可按MAC归属；需维护绑定，MAC伪造/替换不能作为强身份认证 |
| 协议/网络层字段 | 按协议类型或IP子网等规则分类 | 属于设备提供的分类扩展，协议与子网到VLAN的映射需明确；不能把它当作802.1Q标签本身的标准划分算法 |
| 策略/身份 | 结合用户、设备身份、认证结果或策略动态分配VLAN | 依赖认证、策略服务器及交换机能力；故障回退和访客隔离要设计 |
无论采用何种分配依据，帧进入交换网络后仍依VLAN标识在相应二层广播域转发；跨VLAN互访需要三层路由和相应访问策略。财务VLAN10与办公VLAN20即使接同一交换机，二层广播也不互通；互访需要路由器子接口或三层交换机SVI（交换虚拟接口）。实践常为各VLAN配置独立IP子网，但“VLAN在定义上必须有IP”不成立，二层隔离不等于完整安全策略。STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议）阻塞部分冗余转发路径形成无环拓扑；不能一面保留二层环路一面仅靠增加带宽阻止广播风暴。
依据与核查范围¶
主资料：手册PDF物理17—18页5.1—5.2；回忆版2022题57、58、61、62、91（物理9—10、13页），2024题56—59、61、91（21、25页）；后者TLS归层等存在简化。外部实际访问：RFC1122 §2链路层、RFC1812 IPv4路由器要求。另已读取RFC1662 §5.2核对比特填充范围、RFC4363的VlanId定义核对12 bit与1—4094、RFC7042 §2.1核对MAC本地管理位；IEEE工作组页面确认802.3为Ethernet、802.1Q为VLAN/桥接标准。工作组简介不等于已读标准条款，CSMA/CA、STP与标准帧字段仍待IEEE原文核查；有限序号模型已推导，公开教材页面本次访问超时，未据此标已核。见外部记录和核查表。