Computer NetworkNotes

第 03 章：物理网络与局域网

zjc 于 2026-01-03 发布

这是《计算机网络 零基础实战指南》的独立章节版。本章从概念、实操和生产排查三个视角展开，代码块保留了原书可直接运行的版本。 应用层问题很容易被归咎为“网络抖动”，但真正的底层原因可能是网卡丢包、交换机端口错误、VLAN 配置不一致、广播风暴或链路带宽打满。本章介绍物理网络、以太网、交换机、VLAN、Bond 和无线局域网的基本原理，并给出 Linux 上的观测方法。

3.1 以太网帧

以太网是局域网最常见的数据链路层技术。

简化帧结构：

| Destination MAC | Source MAC | Type | Payload | FCS |
| 6 bytes         | 6 bytes    | 2    | 46-1500 | 4   |

常见 Type：

类型 含义
IPv4 0x0800
IPv6 0x86DD
ARP 0x0806
VLAN 0x8100

传统以太网 MTU 为 1500 字节。云环境、容器 overlay 和隧道会叠加额外头，常见路径 MTU 问题都发生在这一层。

查看接口与 MTU：

ip link
ip -details link show eth0
ethtool eth0

3.2 MAC 地址与交换机

MAC 地址是网卡在链路上的标识，通常写作：

00:16:3e:12:34:56

交换机维护 MAC 地址表：

MAC Address    VLAN  Port
AA:AA...       10    Gi1/0/1
BB:BB...       10    Gi1/0/2

工作流程：

  1. 收到帧；
  2. 学习源 MAC 与端口的映射；
  3. 查目的 MAC；
  4. 找到则转发到对应端口；
  5. 找不到则在同一 VLAN 内泛洪；
  6. 目的 MAC 为广播或组播时按规则泛洪。

交换机隔离冲突域，但不隔离广播域。路由器或 VLAN 才能隔离广播域。

3.3 VLAN

VLAN 将一个物理局域网划分为多个逻辑广播域。

物理交换机
  |-- VLAN 10：Web
  |-- VLAN 20：App
  +-- VLAN 30：DB

VLAN Tag 会增加 4 字节开销：

原始 MTU 1500
VLAN Tag 后帧长增加 4 字节

常见问题：

  1. 两端 VLAN ID 不一致；
  2. 交换机端口 access/trunk 模式配置错误；
  3. 云平台安全组与 VLAN 混淆；
  4. 允许通过的 VLAN 列表缺失；
  5. 数据库和应用不在同 VLAN，忘记配置路由或防火墙。

3.4 链路聚合与 Bond

Linux Bond 可以将多块网卡绑定为一个逻辑接口，用于冗余或带宽扩展。

常见模式：

模式 说明
active-backup 主备，常用且简单
802.3ad LACP，需要交换机配合
balance-rr 轮询，兼容性要求高
balance-xor 基于哈希分流
balance-tlb / alb 发送或收发负载均衡

查看：

ip link
cat /proc/net/bonding/bond0

注意：单个 TCP 连接的哈希结果通常落在一条物理链路上，Bond 不必然让单连接带宽翻倍。

3.5 全双工、速率与网卡队列

现代以太网通常全双工，收发可同时进行。

查看：

ethtool eth0

重点字段：

Speed
Duplex
Link detected

网卡和操作系统之间通过队列与软中断交互：

网卡 DMA
  -> RX Queue
  -> 硬中断
  -> NAPI / 软中断
  -> 协议栈
  -> 应用收包

查看统计：

ip -s link show eth0
ethtool -S eth0
cat /proc/interrupts
cat /proc/net/softnet_stat

关注：

  1. rx_dropped：接收丢包；
  2. tx_dropped：发送丢包；
  3. rx_crc_errors：链路质量或网卡问题；
  4. collisions：冲突或双工异常；
  5. overruns：缓冲不足；
  6. softnet 丢包：CPU 处理不及时。

3.6 局域网性能问题

3.6.1 带宽打满

现象：

  1. 大文件传输后其他请求变慢；
  2. 备份窗口内服务延迟升高；
  3. 交换机端口利用率高；
  4. 重传增加；
  5. 应用超时集中在同机房间链路。

处理：

  1. 限速备份任务；
  2. 错峰传输；
  3. 拆分流量到不同链路；
  4. 升级带宽；
  5. 使用压缩或增量传输；
  6. 检查是否异常流量或攻击。

3.6.2 广播域过大

现象：

  1. ARP 请求多；
  2. 小包转发速率高；
  3. 局域网内所有机器受影响；
  4. 抓包看到大量广播。

处理：

  1. 划分 VLAN；
  2. 减少同网段机器数量；
  3. 检查环路；
  4. 启用生成树相关保护；
  5. 排查异常广播源。

3.6.3 链路质量差

现象：

  1. CRC 错误增长；
  2. 丢包与重传相关；
  3. 更换链路后恢复；
  4. 交换机端口错误计数增长。

处理：

  1. 更换线缆或光模块；
  2. 更换交换机端口；
  3. 检查网卡；
  4. 核对速率与双工；
  5. 清洁或更换光纤。

3.7 无线局域网

Wi-Fi 使用无线介质，天然存在冲突、干扰和信号衰减。

影响质量的因素：

  1. 信号强度；
  2. 信道干扰；
  3. 用户密度；
  4. AP 负载；
  5. 漫游策略；
  6. 频段：2.4GHz / 5GHz / 6GHz；
  7. 终端网卡能力。

现象：

信号弱 -> 低速率重传多 -> 占用空气时间 -> 影响其他终端

生产服务通常不建议依赖办公 Wi-Fi。办公网络访问生产系统时，要能区分 Wi-Fi 抖动和服务端问题。

3.8 数据中心网络拓扑

传统三层结构：

Core
  -> Aggregation
     -> Access
        -> Server

数据中心常用 Spine-Leaf：

Spine 1    Spine 2
   |  \    /  |
Leaf 1    Leaf 2
   |        |
Server A   Server B

特点：

  1. Leaf 接入服务器；
  2. Spine 提供跨 Leaf 转发；
  3. 任意两 Leaf 通常一跳或少量跳；
  4. 易于水平扩展；
  5. 常配合 BGP、VXLAN 和 ECMP。

本章小结

物理网络与局域网解决信号、帧、MAC、交换、VLAN 和链路可靠性问题。以太网帧承载 IP 包，交换机按 MAC 转发，VLAN 隔离广播域，Bond 提供冗余或带宽扩展。常见底层问题包括 MTU 不一致、链路丢包、带宽打满、广播域过大和网卡队列丢包。ip、ethtool、交换机端口计数和抓包是定位这些问题的基本工具。

思考题

  1. 交换机如何学习和转发 MAC 地址？
  2. VLAN、冲突域和广播域分别隔离什么？
  3. 为什么 Bond 不一定提升单个 TCP 连接的吞吐？
  4. rx_dropped 和 rx_crc_errors 增长分别说明什么？
  5. 写一份服务器接入生产网络前的链路检查清单。