第二章 局域网基础
早期的局域网主要是令牌环网。
l 20世纪80年代，局域网领域出现 Ethernet与Token Bus、Token Ring三足鼎立的局面，并且各自都形成了相应的国际标准。
21 世纪，Ethernet 已成为局域网领域的主流技术。
l 介质访问控制（MAC）是所有“共享介质”类型的局域网都必须解决的共性问题。早期 Ethernet是用一条作为总线的同轴电缆连接多台计算机，对应的物理层协议是 10BASE-2与10BASE-5。
1. 局域网
局域网设计目标是覆盖一个公司、一所大学、一幢办公楼的有限地理范围，它的基本通信机制与广域网是完全不同的。
局域网拓扑结构主要分为总线形、环形与星形结构;传输介质主要采用双绞线、同轴电缆、光纤与无线介质。
目前应用最广泛的局域网类型是 Ethernet,它已成为局域网领域占统治地位的技术。传统以太网是共享介质类型的局域网，其核心是随机争用共享介质的访问控制方法，即带有冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD 方法。
2. 局域网的 3 种类型
1) 采用带有冲突检测的载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD） 访问控制方法的总线形 Ethernet，简称为“以太网”。
2) 釆用令牌控制的令牌总线形（Token Bus）局域网，简称为“Token Bus”或“令牌总线网“。
3) 采用令牌控制的令牌环形（Token Ring）局域网，简称为“Token Ring”或“令牌环网”
3 种局域网的共同之处：
① 体系结构都遵循：IEEE 802 层次结构模型。
② 传输介质主要采用同轴电缆、双绞线与光纤。
③ 采用共享介质的方式发送和接收数据帧。
④ 介质访问控制都釆用分布式控制方法，局域网中没有集中控制的主机。
3 种局域网的不同之处
从物理结构的角度来看，Ethernet 与 Token Bus 是针对总线形的局域网设计，而 Token Ring 是针对环形拓扑的局域网设计。
3. CSMA/CD 与 Token Bus、Token Ring 的比较
CSMA/CD 方法的主要特点
① CSMA/CD 介质访问控制方法算法简单，易于实现。
② CSMA/CD 是一种随机访问控制方法，适用于对传输实时性要求不高的办公环境。
③ CSMA/CD 在网络通信负荷较低时表现出较好的吞吐率与延迟特性。但是，当网络通信负荷增大时，由于冲突增多，网络吞吐率下降、传输延迟增加。
⚫Token Bus、Token Ring 的主要特点：
① Token Bus 与 Token Ring 中主机适用于对数据传输实时性要求较高的应用环境，如生产过程控制领
域。
② Token Bus 与 Token Ring 在网络通信负荷较重时，表现出很好的吞吐率与较低的传输延迟，因此适用于
通信负荷较重的应用环境。
③ Token Bus 与 Token Ring 环的维护过程复杂，实现起来困难。
4. 高速 Ethernet
传统的局域网技术建立在共享介质的基础上，网中的所有主机共享一条共用的通信传输介质。
介质访问控制方法用来保证每个主机都能“公平”地使用传输介质。
5. IEEE 802 协议标准
IEEE 802 协议标准的分类（3 类）
① IEEE 802.1 标准：定义局域网体系结构、网络互联，以及网络管理与性能测试；
② IEEE 802.2 标准：定义逻辑链路控制 LLC 子层的功能与服务；
③ 定义不同介质访问控制技术的相关标准。
介质访问控制标准的发展
目前应用最多和正在发展的标准主要有 4 个，其中 3 个是无线局域网的标准。
4 个主要的介质访问控制协议标准如下：
① IEEE 802.3 标准：定义 CSMA/CD 总线介质访问控制子层与物理层的标准。
② IEEE 802.11 标准：定义无线局域网访问控制子层与物理层的标准。
③ IEEE 802.15 标准：定义近距离个人区域无线网络访问控制子层与物理层的标准。
④ IEEE 802.16 标准：定义宽带无线城域网访问控制子层与物理层的标准。
6. IEEE 802 参考模型与 OSI 参考模型
OSI 参考模型 IEEE 802 参考模型
应用层 | 逻辑链路控制（LLC 子层） | |
表示层 | ||
会话层 | ||
传输层 | 介质访问控制（MAC 子层） | |
网络层 | ||
数据链路层 | 物理层 | |
物理层 |
IEEE 802 标准的设计者提出将数据链路层划分为两个子层：逻辑链路控制（Logical Link Control,LLC） 子层与介质访问控制（Media Access Control，MAC）子层。
不同的局域网在 MAC 子层和物理层可以采用不同协议，而在 LLC 子层必须采用相同的协议。
不管局域网的介质访问控制方法与帧结构，以及采用的物理传输介质有什么不同，LLC 子层统一将它们封装到固定结构的 LLC 帧中。
7. CSMA/CD 的发送流程
为了有效地实现多个主机访问公共传输介质的控制策略，CSMA/CD 的发送流程可以简单概括为 4 步：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。、
8. Ethernet 帧结构
Ethernet 帧结构一般包含前导码、帧前定界符、目的地址、源地址、类型/长度、数据(从低层来的数据或者从高层来的数据)、帧校验字段。
在 Ethernet 帧结构中，前导码由 64 位（8B）的 10101010…101010 比特序列组成。
帧前定界符是 8 位（1 字节）的 10101011。
目的地址与源地址均采用了 6 个字节 48 位，分别表示帧的接受结点与发送结点的硬件地址，硬件地址一般称为 MAC 地址、物理地址或Ethernet 地址。
数据字段表示网络层使用的协议类型。数字字段的最小长度为 46B，最大长度 1500B。
Ethernet 帧的最小长度是 64B，最大长度是 1518B。
其中前导码和帧前定界符是为了满足接收电路的要求，保证接收电路在目的地址字段到达之前进入稳定状态，二者在接收后不需要保留，也不计入帧头长度中。
9. 交换式以太网
交换式以太网的核心设备是以太网交换机，它可以在多个端口之间建立多个并发连接，实现多结点之间数据的并发传输，从而可以增加网络带宽，改善局域网的性能与服务质量，避免数据传输冲突的发生。
10. 交换机具有如下 4 个基本功能
① 建立和维护一个表示 MAC 地址与交换机端口号对应关系的映射表。
② 在发送主机与接收主机端口之间建立虚连接。
③ 完成帧的过滤与转发。
④ 执行生成树协议，防止出现环路。
11. 交换机的交换方式
交换机的交换方式主要有 3 种类型：直接交换、存储转发交换与改进直接交换。
1) 直接交换方式
① 在直接交换（ CutThrough)方式中，交换机只要接收并检测到目的地址宇段，立即将该帧转发出去，而不进行差错校验。帧出错检测任务由目的主机完成。
② 优点是:交换延迟吋间短。
③ 缺点是:缺乏差错检测能力。
2) 存储转发交换方式
① 在存储转发交换方式中，交换机首先要完整地接收帧，并进行差错检测。
② 如果接收帧正确，则根据帧目的地址选择对应的输出端口号，然后转发出去。
③ 优点是:具有帧差错检测能力，并支持不同输入速率与输出速率端口之间的帧转发。
④ 缺点是:交换延迟时间将会增长。
3) 改进直接交换方式
① 改进的直接交换方式则将前两者结合起来，在接收到 Ethernet 帧的前 64 宇节后，判断帧头字段是否正确，如果正确就转发出去。
② 对于短的 Ethernet 帧，交换延迟时间与直接交换方式比较接近;对于长的 Ethernet 帧，由于仅对帧的地址字段与控制字段进行差错检测，因此该方式的交换延迟时间将会减少。
12. 交换机交换带宽计算
交换机交换带宽的计算方法是:
端口数 ×相应端口速率（全双工模式再乘以2)。
例如，一台交换机有 24 个 100Mbps 全双工端口和 2 个 1000Mbps 全双工端口，如果所有的端口都工作在全双工状态，那么交换机的交换带宽为：
S=24×2×100Mbps+2×2×l000Mbps=4800Mbps+4000Mbps=8800Mbps=8.8Gbps 13.虚拟局域网
IEEE 公布关于 VLAN 的 IEEE802.1Q 标准。虚拟局域网（Virtual LAN，VLAN）是建立在局域网的基础上， 以软件形式在局域网交换机上实现逻辑工作组的划分与管理，工作组中的结点不受物理位置的限制。
虚拟局域网的组网方法包括：
① 用交换机端口定义虚拟局域网；
② 用 MAC 地址定义虚拟局域网；
③ 用网络层地址定义虚拟局域网；
④ 基于广播组的虚拟局域网。
虚拟局域网的优点有：方便网络用户管理，减少网络管理开销、提供更好的安全性、改善网络服务质量。
14.快速以太网
快速以太网（Fast Ethernet）是一类新型的局域网，采用 IEEE 802.3u 标准；
数据传输速率可以达到 100Mbps，是标准以太网的数据传输速率的 10 倍。
具体包括两种技术：100BASE-T 和 100VG－AnyLAN。
快速以太网技术可以有效的保障用户在布线基础实施上的投资，它支持 3、4、5 类双绞线以及光纤的连接， 能有效的利用现有的设施。
15.100ASE-T 的 3 种物理层标准。
100BASE-TX
① 100BASE-TX 使用两对 5 类非屏蔽双绞线 UTP 或 2 对 1 类屏蔽双绞线 STP。
② 1 对双绞线用于发送，而另一对双绞线用于接收。因此，100BASE-TX 是一个全双工系统，每个主机可以同时以 100Mbps 的速率发送与接收数据。
100BASE-T4
① 100BASE-T4 使用 4 对 3 类非屏蔽双绞线 UTP，其中 3 对用于数据传输，1 对用于冲突检测，只能用于半双工。
100BASE-FX
① 100BASE-FX 使用 2 芯的多模或单模光纤，是一种全双工系统。100BASE-FX 主要用作高速主干网，从主机到集线器的多模光纤的长度可以达到2km。
16.千兆以太网
千兆以太网又称为吉比特以太网。
GE标准——IEEE 802.3z。
① GE 的传输速率达到了 1000Mbps,但仍保留传统 Ethernet 的帧格式与最小、最大帧长度等特征。
② IEEE 802.3z 标准定义了千兆介质专用接口（Gigabit Media Indepandent Interface,GMII），将 MAC 子层与物理层分隔开。物理层实现 1000Mbps 速率时使用的传输介质和信号编码方式的变化，不会影响 MAC 子层。
目前流行的 GE 物理层标准：
① 1000BASE-CX——使用两对屏蔽双绞线，双绞线最大长度为 25m。
② 1000BASE-T——使用 4 对 5 类非屏蔽双绞线，双绞线最大长度为 100m。
③ 1000BASE-SX——使用多模光纤，光纤最大长度为 550m。
④ 1000BASE-LX——使用单模光纤，光纤最大长度为 5km。
⑤ 1000BASE-LH——使用单模光纤，光纤最大长度为 10km。
⑥ 1000BASE-ZX——使用单模光纤，光纤最大长度为 70km。17.局域网物理层（LAN PHY)标准
LANPHY 标准根据所使用的传输介质分为两类:光纤与双绞线。
l 基于光纤的物理层协议
10GBASE-SR——多模光纤，最大长度为 300m
10GBASE-LRM——多模光纤，最大长度为 220m。
10GBASE-LX4——单模光纤，最大长度为 10km。
10GBASE-LR——单模光纤，最大长度为 25km。
10GBASE-ER——单模光纤，最大长度为 40km。
10GBASE-ZR——单模光纤，最大长度为 80km。
基于双绞线的物理层协议
① 10GBASE-CX4:6 类 UTP 或STP 双绞线，双绞线最大长度为 15m。
② 10GBASE-T：6 类 UTP 或 STP 双绞线，双绞线最大长度为 100m。18.无线局域网技术
无线局域网技术以微波、激光与红外线灯无线电报作为传输介质，部分或全部代替传统局域网中的同轴电缆、双绞线与光纤，是对有线局域网的补充和扩展；
可以采用无基站的“对等结构”移动通信模式，如无线自组网（Ad hoc）。
无线局域网采用冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA/CA）方法来解决介质访问控制问题。无线局域网采用的扩频技术有跳频扩频和直接序列扩频两种。
目前，无线局域网标准是 IEEE 802.11 系列标准。
19. 无线局域网 4 个应用领域
1) 作为传统局域网的扩充。
2) 建筑物之间的互联。
3) 移动主机漫游访问。移动数据终端设备与无线局域网基站—— 接入点（ Access Point，AP）设备之间可以实现漫游访问（ Nomadic Access），也可以通过对等的 P2P 方式实现漫游。
4) 无线自组网。无线自组网络（Ad hoc)采用的是一种不需要基站的“对等结构”移动通信模式。Ad hoc 中所有联网设备可以在移动过程中动态组网。
20. 扩频技术
无线局域网使用的是无线传输介质，按采用的传输技术可以分为 3 类：红外线局域网、扩频局域网和窄带微波局域网。
扩展频谱通信简称扩频通信，其特点是传输信息所用的带宽远大于信息本身带宽。
常用的扩频技术有跳频扩频和直接序列扩频。
IEEE 802.11 规定跳频通信使用 2.4GHZ 的工业、科学与医药专用的 ISM 频段。
直接序列扩频的所有接收点使用相同的频段，发送端与接收端使用相同的伪随机码。
21. AAA 服务器
AAA 是验证、授权和记账(Authentication、Authorization、Accounting )3 个英文单词的简称， 是一个能够处理用户访问请求的服务器程序，提供验证授权以及帐户服务，主要目的是管理用户访问网络服务器，对具有访问权的用户提供服务。
AAA 服务器通常同网络访问控制、网关服务器、数据库以及用户信息目录等协同工作。
同 AAA 服务器协作的网络连接服务器接口是 “远程身份验证拨入用户服务 (RADIUS)”。 22.IEEE 802.1X
IEEE 802.11：
① 无线局域网（WLAN）的介质访问控制协议及物理层技术规范。
② IEEE 802.11 的 MAC 层协议定义了 14 种管理帧，例如信标帧、探测帧、关联帧、认证帧等，主要用于无线主机与 AP 之间建立关联。
IEEE 802.12 ：需求优先的介质访问控制协议。
IEEE 802.15：采用蓝牙技术的无线个人网技术规范。
IEEE 802.16：宽带无线连接工作组，开发 2~66GHz 的无线接入系统空中接口。
23. 无线接入技术
无线局域网（WLAN）接入：IEEE 802.11 标准；近距离。IEEE 802.11 标准重点在解决局域网范围的移动节
 |
点通信问题。
无线城域网（WMAN）：IEEE 802.16 标准；远距离；采用 WiMAX 技术，可以在 50km 范围内提供最高 70Mbit/s
的传输速率。IEEE 802.16 标准的重点是解决建筑物之间的数据通信问题。
无线网格网（Ad hoc）技术
Ad hoc 网是一种不需要基站的“对等结构”移动通信模式。它的特征是“多跳的、无中心的、自组织无线网络”，又称为多跳网、无基础设施网或自组织网。
Ad hoc 技术有两个发展方向：一是在军事和特定行业发展和应用的基础上产生的无线传感器网络（WSN）；另一个是向民用的接入网领域发展，出现了无线网格网（WMN）。
无线接入技术主要有：
WLAN、WiMAX、Wi-Fi、WMAN 和 Ad hoc 等。
24. 万兆以太网
万兆以太网采用的是双绞线和光纤传输介质，只采用全双工的传输方式。
万兆以太网最长传输距离可达 80 公里，且可以配合 10G 传输通道使用，足够满足大多数城市城域网覆盖。
2002 年，IEEE 802 委员会正式批准万兆以太网标准，即 IEEE 802.3ae。25.物联网
物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。
物联网顾名思义就是物物相连的互联网，其中包含两层意思：
① 物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；
② 其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。
26.IEEE 802.11g
IEEE 802.11工作组近年来定义了新的物理层标准IEEE 802.11g。
与以前的IEEE 802.11协议标准相比，IEEE 802.11g草案有以下两个特点：
① 在 2.4GHz 频段使用正交频分复用（OFDM）调制技术，使数据传输速率提高到 20Mbps 以上；
② 能够与 IEEE 802.11b 的 Wi-Fi 系统互联互通，可共存于同一 AP 的网络里，从而保障了后向兼容性。
27.以太网地址
以太网地址即物理地址、MAC 地址，它是 48 位的 Ethernet 物理地址编码方法。
为了统一管理 Ethernet 的物理地址，保证每块 Ethernet 网卡的地址都是唯一的。IEEE 注册管理委员会
（RAC）为每个网卡生产商分配物理地址的前 3 个字节，后面的 3 个字节由生产网卡的厂商自行分配。
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