文章目录

一.基本概念
- 1.网络拓扑
- 2.传输介质
- 3.介质访问控制方法
- 4.局域网的分类
- 5.逻辑链路控制（LLC）子层与媒体接入控制（MAC）子层
二.以太网
- （一）以太网的传输介质与网卡
- - 1.传输介质
  - 2.网卡
- （二）以太网的MAC帧
- （三）高速以太网
- - 1.100BASE-T以太网
  - 2.吉比特以太网
  - 3.10吉比特以太网
三.IEEE 802.11
- 1.无线局域网的组成
- 2.802.11的MAC帧头格式
四.令牌环网
五.虚拟局域网VLAN

一.基本概念

局域网Local Area Network（LAN）：在一个较小的地理范围（如一所学校）内，将各种计算机、外部设备和数据库系统等通过双绞线、同轴电缆等连接介质互相连接起来，组成资源和信息共享的计算机互联网络，使用广播信道

特点
（1）为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限
（2）所有站点共享较高的总带宽（即较高的数据传输率）
（3）较低的时延和较低的误码率，可靠性较高
（4）各站为平等关系而非主从关系
（5）多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播

决定局域网的主要要素为：网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法。最重要的是介质访问控制方式，它决定着局域网的技术特性。

1.网络拓扑

星形结构、环形结构、总线形结构、星形和总线形结合的复合型结构

（1）星形拓扑：中心节点是控制中心，任意两个节点间的通信最多只需两步，传输速度快，并且网络构形简单、建网容易、便于控制和管理。但这种网络系统，网络可靠性低，网络共享能力差，有单点故障问题。n台主机有n条链路，n台设备（含集线器）有n-1条链路。
（2）总线形拓扑：网络可靠性高、网络节点间响应速度快、共享资源能力强、设备投入量少、成本低、安装使用方便，当某个工作站节点出现故障时，对整个网络系统影响小。
（3）环形拓扑：系统中通信设备和线路比较节省。有单点故障问题；由于环路是封闭的，所以不便于扩充，系统响应延时长，且信息传输效率相对较低。
（4）树形拓扑：易于拓展，易于隔离故障，也容易有单点故障。

2.传输介质

有线局域网中双绞线为主流传输介质

3.介质访问控制方法

（1）CSMA/CD
常用于总线形局域网、也用于树形网络
（2）令牌总线
常用于总线形局域网、也用于树形网络
（3）令牌环
用于环形局域网，如令牌环网

4.局域网的分类

（1）以太网
以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网（10Mbps）、快速以太网（100Mbps）、千兆以太网（1000Mbps）和10G以太网，它们都符合IEEE802.3系列标准规范。逻辑拓扑总线形，物理拓扑是星形或拓展星形。使用CSMA/CD
（2）令牌环网
逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是星形结构，采用IEEE802.5标准
（3）FDDI网
光纤，逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是双环结构，采用IEEE802.8标准
（4）ATM网
较新型的单元交换技术，使用53字节固定长度的单元进行交换。
（5）无线局域网（WLAN）
采用IEEE802.11标准，使用CSMA/CA

5.逻辑链路控制（LLC）子层与媒体接入控制（MAC）子层

IEEE 802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层。

（1）逻辑链路控制（LLC）子层
LLC负责识别网络层协议，然后对它们进行封装。LLC报头告诉数据链路层一旦帧被接收到时，应当对数据包做何处理。向网络层提供无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送4种不同的连接服务类型。
（2）媒体接入控制（MAC）子层
MAC子层的主要功能包括数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制、透明传输等。向上层屏蔽对物理层访问的各种差异，提供对物理层的统一访问接口

二.以太网

以太网（802.3局域网）逻辑上采用总线形拓扑结构（传统以太网物理和逻辑上都是总线形），信息以广播方式发送，使用CSMA/CD方式对总线进行访问控制，以太网交换机进行转发决策时使用的PDU是目的物理地址。

使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议。以太网拓扑逻辑上总线型，物理上星型。

以太网采用两项措施简化通信：
①采用无连接的工作方式，不对发送的数据帧编号，也不要求接收方发送确认（无确认），即以太网尽最大努力交付数据，提供的是不可靠服务，对差错的纠正由高层完成，只实现了无差错接收。
②发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号，每个码元得中间出现一次电压表转换，接收端利用这种电压转换方便地把位同步信号提取出来。

（一）以太网的传输介质与网卡

1.传输介质

以太网常用的传输介质有：粗缆、细缆、双绞线、光纤

10BASE5：10代表传输速度为10Mbps，BASE指的是传输信号为基带信号，5指的是单段大致的传输距离、使用单段最大传输距离为500米电阻为50Ω的粗缆，最多可以通过中继器/集线器连接5个网段，10BASE5的单段最大传输距离不会超过500米，最长距离可达2500米。

10BASE-T：双绞线以太网，T表示采用双绞线，现10BASE-T采用的是非屏蔽双绞线（UTP）。10BASE-T非屏蔽双绞线物理上星形，逻辑上总线形，每段双绞线最长100m。采用CSMA/CD

2.网卡

网卡（网络接口卡/网络适配器/网络接口板）是局域网中连接计算机和传输介质的接囗。网卡和局域网的通信是通过电缆或双绞线以串行方式进行的，网卡和计算机的通信是通过计算机主板上的I/O总线以并行方式进行的。

功能：①实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配②实现帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码、数据缓存功能、链路管理等

介质访问控制（MAC）地址：网卡在出厂时都有一个唯一的代码，用于控制主机在网络上的数据通信

（二）以太网的MAC帧

每块网卡中的MAC地址也称物理地址；（以太网）MAC地址长6字节（48bit），一般用由连字符（或冒号）分隔的12个十六进制数表示，如02-60-8c-e4-b1-21。高24位为厂商代码，低24位为厂商自行分配的网卡序列号。

由于总线上使用的是广播通信，因此网卡从网络上每收到一个MAC帧，首先要用硬件检查MAC帧中的MAC地址。如果是发往本站的帧，那么就收下，否则丢弃。

MAC帧并不需要帧结束符，因为以太网在传送帧时，各帧之间必须有一定的间隙。因此，接收端只要找到帧开始定界符，其后面连续到达的比特流就都属于同一个MAC帧。在数据链路层上，帧既要加首部，也要加尾部。

以太网帧的最短帧长=6目的地址+6源地址+2类型+46数据+4FCS=18B+46B数据部分=64B，当数据较少时必须加以填充，使之达到64字节，即填充=64B-18B-数据部分=46B-数据部分

以太网的最长帧长=18B+1500B数据部分=1518B

[例]（需结合网络层知识）
主机H通过快速以太网连接Internet,IP地址为192.168.0.8,服务器S的IP地址为211.68.71.80。H与S使用TCP通信时,在H上捕获的其中5个IP分组如附表(a)所示，IP分组头结构如插图(a)所示，则哪几个IP分组在通过快速以太网传输时进行了填充？

解：由于快速以太网数据帧的有效载荷的最小长度为46B，表中1、2号分组的总长度为30H（48B），3、5号分组的总长度为28H（40B），4号分组的总长度为38H（56B）。因此3、5号分组总长度小于46B，其余分组长度均大于46B，所以3、5号分组通过快速以太网传输时进行了填充。

1.前导码：使接收端与发送端时钟同步。在帧前面插入的8字节可再分为两个字段：第一个字段共7字节，是前同步码，用来快速实现MAC帧的比特同步；第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧。
2.类型：2字节，指出数据域中携带的数据应交给哪个协议实体处理
3.数据：46~1500字节，包含高层的协议消息
4.校验码（FCS)：4字节，校验范围从目的地址段到数据段的末尾，算法采用32位循环冗余码（CRC），检验MAC帧的数据部分、目的地址、源地址和类型字段，但不校验前导码

数据：46~1500B
帧长：64~1518B
填充：0~46B

（三）高速以太网

速率≥100Mb/s的以太网称为高速以太网

1.100BASE-T以太网

在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，支持全双工和半双工。仅在半双工使用CSMA/CD协议，在全双工方式下工作无冲突。Hub为100Base-T集线器

2.吉比特以太网

又称千兆以太网，在光纤和双绞线上传送1Gb/s信号，支持全双工和半双工。仅在半双工使用CSMA/CD协议，在全双工方式下工作无冲突。

3.10吉比特以太网

在光纤上传送10Gb/s信号，只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用CSMA/CD协议

三.IEEE 802.11

1.无线局域网的组成

（1）有固定基础设施的无线局域网
802.11使用星形拓扑，其中心称为接入点（Access Point,AP）,在MAC层使用CSMA/CA协议。使用802.11系列协议的局域网又称Wi-Fi

802.11标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集BSS。一个基本服务集包括一个接入点和若干移动站。各站在本BSS内之间的通信，或与本BSS外部站的通信，都必须通过本BSS的AP

图中移动站A如果要和另一个基本服务集中的移动站B通信，就必须经过两个接入点AP1和AP2，即A→AP1→AP2→B，AP1到AP2的通信是使用有线传输的。移动站A从某个基本服务集漫游到另一个基本服务集A’时，仍然可保持与另一个移动站B的通信，但A在不同的基本服务集使用的AP改变了

（2）无固定基础设施移动自组织网络
自组网络没有上述基本服务集中的AP，而是由一些平等状态的移动站相互通信组成的临时网络。各结点之间地位平等，中间结点都为转发结点，因此都具有路由器的功能。

2.802.11的MAC帧头格式

①WDS（无线分布式系统）

在上图A和B通信的过程中（A→AP1→AP2→B），SA源地址是A的MAC地址，DA目的地址是B的MAC地址，TA发送端是AP1的MAC地址，RA接收端是AP2的MAC地址

②To AP（基础结构型）
发往AP的帧，A→AP1→AP2
地址一（接收端）：AP的MAC地址
地址二（发送端）：源MAC地址
地址三：目的MAC地址

③From AP（基础结构型）
由AP发来的帧
地址一（接收端）：目的MAC地址
地址二（发送端）：AP的MAC地址
地址三：源MAC地址

④IBSS
地址一（接收端）：目的MAC地址
地址二（发送端）：源MAC地址
地址三：AP的MAC地址

总结

记忆：除了WDS，其他的AP只出现一次。To AP表示发往AP，按（接收端，发送端，其他）的循序，分别为（AP，源，目的）；From AP表示从AP发来，分别为（目的，AP，源）；IBSS分别为（目的，源，AP）。对于WDS，（接收端，发送端，目的，源），对应（AP2，AP1，目的，源）

[例1]
在下图所示的网络中，若主机H发送一个封装访问Internet的IP分组的IEEE 802.11数据帧F，则帧F的地址1、地址2和地址3分别是 ______

解：主机H发送一个封装访问Internet的IP分组的IEEE 802.11数据帧F到AP，属于To AP，地址一二三分别为（接收端，发送端，其他），即（AP，H，R），即（9b，9a，9c）

答案：00-12-34-56-78-9b，00-12-34-56-78-9a，00-12-34-56-78-9c

[例2]
某网络拓扑如图所示，R为路由器，S为以太网交换机，AP是802.11接入点，路由器的E0接口和DHCP服务器的IP地址配置如图中所示；H1和H2属于同一个广播域，但不属于同一个冲突域；H2和H3属于同一个冲突域；H4和H5已接入网络，并通过DHCP动态获取了IP地址。现有路由器、100BaseT以太网交换机和100BaseT集线器(Hub)三类设备各若干台。若H4给H5发送一个IP分组P，则H5收到的封装P的802.11帧的地址1、地址2和地址3分别是什么

分析：H5收到的帧为AP发往H5的，属于from AP。接收端H5为地址1，发送端AP地址2，其他H4为地址3
解：在H5收到的帧中，地址1、地址2和地址3分别是00-11-11-11-11-E1、00-11-11-11-11-C1和00-11-11-11-11-D1。该帧来自AP，地址1代表接收端的地址，地址2代表AP的地址，地址3是发送端的地址。

四.令牌环网

令牌环网的每一站通过电缆与环接口干线耦合器(TCU)相连。TCU的主要作用是，传递所有经过的帧，为接入站发送和接收数据提供接口。

控制机制为分布式控制模式的循环方法，拿到令牌就可以占有信道发送数据。物理上采用星形拓扑结构，但逻辑上仍是环形拓扑结构。

五.虚拟局域网VLAN

传统局域网：缺乏流量隔离、管理用户不便、路由器成本较高等缺点，因此提出了VLAN。VLAN将局域网内的设备划分成与物理位置无关的逻辑组的技术，这些逻辑组有某些共同的需求。每个VLAN是一个单独的广播域/不同的子网/不同的逻辑工作组。可以看出，逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制

交换机上生成的各VLAN互不相通，若想实现通信，需要借助：路由器或三层交换机

1.同一交换机
A给B发，查看端口，查看是否同一VLAN，发送。

以VLAN表（软件方式）来实现逻辑工作组的划分与管理

2.交换机之间：贴标签

A和E/F通信，帧在经过交换机1时加入标签，表明来自VLAN1，传到交换机2，根据标签找到VLAN1，由交换机2去掉标签根据转发表发给E/F。（主机和交换机之间是普通的以太网帧，交换机1和交换机2之间传送时是802.1Q帧）

VLAN标记（4B，32位）的前两个字节表明是IEEE 802.1Q帧，接下来4位没用，后面12位是VLAN标识符VID，唯一表示了该以太网帧属于哪个VLAN。VID的取值范围为0 ~ 4095，但0和4095都不用来表示VLAN，因此用于表示VLAN的有效VID取值范围为1~4094。

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