資料鏈結層#

資料鏈結層（Data Link Layer）是 OSI 模型的第二層，負責在相鄰節點之間傳輸資料幀。本章涵蓋 MAC 層、ARP 協定、交換機學習機制和 VLAN 技術。

MAC 層的核心問題#

當多台電腦透過 Hub（集線器）連接時，會面臨三個關鍵問題：

MAC 的全稱是 Medium Access Control（媒體存取控制），核心功能是控制誰先發、誰後發，防止混亂。

多路訪問控制方式#

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  多路訪問控制方式                                             │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  1. 信道劃分：每個設備專用通道（類似多車道）                    │
│  2. 輪流協定：輪流使用（類似單雙號限行）                        │
│  3. 隨機接入：先發先佔，衝突後重試（以太網採用此方式）           │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

乙太網路幀結構#

乙太網路（Ethernet）是最常見的區域網技術，其幀結構如下：

 0                   15 16                  31
+----------------------+----------------------+
|    目標 MAC 地址（6 字節）                   |
+----------------------+----------------------+
|    源 MAC 地址（6 字節）                     |
+----------------------+----------------------+
| 類型（2字節）| 資料（46-1500 字節）          |
+----------------------+----------------------+
|               CRC（4 字節）                  |
+----------------------+----------------------+

• 目標 MAC：標識接收方
• 源 MAC：標識發送方
• 類型：指明上層協定（如 0x0800 表示 IP）
• CRC：用於錯誤檢測

ARP 協定#

工作原理#

ARP（Address Resolution Protocol） 用於將 IP 地址解析為 MAC 地址。

sequenceDiagram
    participant S as 發送方
    participant N as 所有設備
    participant R as 目標設備

    S->>N: ARP 廣播：誰是 192.168.1.2？
    Note over N: 只有目標設備回覆
    R->>S: ARP 回覆：我是，MAC 是 xx:xx

ARP 的精髓就是「吼」：不知道對方 MAC 地址時，向整個局域網廣播詢問，對方收到後回覆。

ARP 快取#

為了避免每次都廣播，設備會維護 ARP 快取：

# Linux 查看 ARP 快取
arp -a
ip neigh show

# Windows 查看 ARP 快取
arp -a

交換機工作原理#

Hub vs 交換機#

交換機學習機制#

交換機透過「學習」建立 MAC 地址表：

步驟 1：收到封包，記錄來源 MAC 和端口的對應關係
步驟 2：查找目標 MAC，若找到則精確轉發，否則廣播
步驟 3：重複以上過程，逐漸完善 MAC 表

┌─────────────────────────────────────────────┐
│  交換機 MAC 地址表（轉發表）                  │
├─────────────────┬───────────────────────────┤
│  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                │
└─────────────────┴───────────────────────────┘

- 表項有過期時間，會定期刷新

STP 生成樹協定#

環路問題#

當多個交換機互聯形成環路時，會導致：

1. 廣播風暴：廣播包無限循環
2. MAC 表震盪：同一 MAC 地址在不同端口間跳動
3. 網路癱瘓：資源被耗盡

STP 解決方案#

STP（Spanning Tree Protocol） 透過選舉和阻塞，將有環的圖變成無環的樹：

     有環路的網路                    STP 處理後（樹狀）

    [交換機A]──────[交換機B]       [交換機A]──────[交換機B]
        │              │               │              │
        │              │               │              │
        └──[交換機C]───┘               └──[交換機C]─ X ┘
                                              (阻塞)

VLAN 虛擬區域網#

為什麼需要 VLAN#

當網路規模變大時會出現：

• 廣播風暴：廣播包影響所有設備
• 安全問題：敏感資訊可能被其他部門截獲

VLAN 工作原理#

VLAN 透過在二層頭部添加 802.1Q 標籤 實作虛擬隔離：

原始乙太網路幀：
┌──────────┬──────────┬──────┬───────┬─────┐
│ 目標MAC  │  源MAC   │ 類型 │  資料  │ CRC │
└──────────┴──────────┴──────┴───────┴─────┘

802.1Q 標籤幀：
┌──────────┬──────────┬────────────┬──────┬───────┬─────┐
│ 目標MAC  │  源MAC   │ VLAN TAG   │ 類型 │  資料  │ CRC │
└──────────┴──────────┴────────────┴──────┴───────┴─────┘
                           │
                           └── 包含 12 位 VLAN ID（可標識 4096 個 VLAN）

VLAN 組態要點#

VLAN ID 限制：12 位只能支援 4096 個 VLAN，對於大規模雲計算場景不夠用，需要使用 VXLAN 等擴展技術。

實際應用場景#

場景一：宿舍組網#

# 兩台電腦直連需要交叉線（或現代網卡支援自動識別）
# 組態同一網段的 IP
電腦A: 192.168.1.1/24
電腦B: 192.168.1.2/24

場景二：辦公室網路#

                    ┌─────────┐
                    │ 核心交換機 │
                    └────┬────┘
           ┌─────────────┼─────────────┐
           │             │             │
    ┌──────┴──────┐ ┌────┴────┐ ┌──────┴──────┐
    │ VLAN10(研發) │ │VLAN20(HR)│ │VLAN30(財務) │
    └─────────────┘ └─────────┘ └─────────────┘

常用命令#

# Linux 查看網卡資訊
ip link show
ethtool eth0

# 查看 ARP 表
arp -a
ip neigh show

# 查看網橋/VLAN（若有組態）
bridge link show
cat /proc/net/vlan/config

本章小結#