3.4 局域网3.4.1 局域网基础概念局域网LAN是覆盖范围、接入站点数目受限的本地网络覆盖半径通常在1km以内典型应用场景学生宿舍、单体楼宇、校园园区、企业办公园区。局域网核心特点由微型计算机、工作站通过高速链路互联而成网络传输速率高传输时延低、误码率低网络传输质量稳定归属私人、组织独立拥有可自主完成部署、运维、管理工作终端设备位置灵活可随时调整、变动组网灵活天然支持广播、多播通信局域网内所有站点可便捷访问、全网共享软硬件资源。按网络拓扑结构分类1. 总线型局域网所有站点直接接入一条公共共享总线所有设备竞争占用总线资源。传统早期以太网为典型总线型局域网目前民用、商用以太网已全部演进为星型拓扑总线型基本淘汰。2. 星型局域网以集线器或交换机为中心核心节点通过双绞线连接所有终端设备形成星型物理拓扑。是目前局域网主流组网结构部署简单、维护方便、容错性强。3. 环形局域网传输介质首尾相接形成闭合环形链路所有站点挂载在环形链路上。数据沿固定方向单向或双向逐站点转发典型代表为令牌环网。环形拓扑容错性极差单链路故障会导致全网瘫痪现已彻底淘汰。从网络体系结构来看局域网仅涉及物理层、数据链路层。当前以太网技术是局域网的绝对主流基本成为局域网的代名词。3.4.2 局域网数据链路层分层局域网发展初期存在两套并行标准DIX V2以太网标准、IEEE以太网标准厂商设备兼容性差、协议不统一。为适配不同局域网标准、屏蔽底层差异IEEE委员会将局域网数据链路层拆分为两个独立子层LLC逻辑链路控制子层、MAC媒体接入控制子层实现上层协议与底层硬件、局域网标准解耦。1. MAC子层媒体接入控制子层贴近物理层核心负责共享信道的媒体接入控制、帧封装与寻址是局域网底层核心子层。核心功能完成帧的封装、解封装识别帧边界通过FCS校验完成帧差错检测定义48位MAC硬件地址实现局域网内帧的二层寻址与转发实现介质接入控制协议以太网专属使用CSMA/CD协议对接物理层完成比特流的发送与接收。不同局域网技术以太网、令牌环网的MAC子层标准相互独立、互不兼容。2. LLC子层逻辑链路控制子层贴近网络层核心作用是屏蔽底层MAC子层、传输介质、局域网标准的差异为上层网络层提供统一的标准化服务接口。核心功能实现帧的复用与分用通过DSAP、SSAP字段区分上层各类网络协议提供三类传输服务无确认无连接服务、面向连接服务、有确认无连接服务可选实现流量控制、差错恢复弥补MAC子层仅检错、不纠错的缺陷。现代以太网实践重点早期局域网严格遵循「IEEE 802.2 LLC 802.3 MAC」分层结构。随着TCP/IP协议栈普及DIX V2以太网标准成为绝对主流IEEE标准基本废弃。目前绝大多数网卡仅实现物理层MAC子层功能LLC子层彻底失去存在意义实际组网中完全省略。3.4.3 网络适配器网卡工作原理计算机接入局域网必须配备网络适配器网卡分为有线以太网卡、无线WiFi网卡每块网卡拥有独立唯一接口地址。网卡数据传输特性网卡与CPU、主机内存之间通过主板I/O总线并行传输数据网卡与外部局域网双绞线、光纤、同轴电缆之间串行传输数据。因此网卡核心必备功能实现并行数据与串行数据的相互转换。同时由于主机总线传输速率与网络传输速率不匹配网卡核心芯片集成缓存寄存器用于缓冲数据、适配速率。网卡工作依赖驱动程序操作系统安装网卡驱动后可控制网卡收发帧。网卡帧处理规则接收无差错、匹配本机的有效帧通过中断机制通知CPU将帧载荷交付上层网络层协议栈接收错误帧、无效帧直接丢弃不通知CPU节省主机资源。3.4.4 MAC地址物理/硬件地址1. MAC地址作用点对点信道仅有两端设备无需地址标识但局域网是广播信道一台设备发送的帧会全网泛洪必须依靠MAC地址区分接收设备实现精准通信。MAC地址是数据链路层的唯一接口标识。2. MAC地址基础属性MAC地址又称硬件地址、物理地址固化在网卡EEPROM电可擦除只读存储器中长度为48比特6字节采用十六进制连字符格式表示共6组。MAC地址标识网络接口而非网络设备。交换机、路由器多接口设备每个接口对应一个独立MAC地址。3. MAC地址四大分类全球单播MAC地址公有单播厂商向IEEE注册购买固化在设备硬件中全球唯一用于常规局域网通信全球多播MAC地址公有多播由IEEE统一分配用于公有网络多播通信本地单播MAC地址私有单播不受IEEE管控用户/组织可自行配置动态生成、可覆盖原厂MAC多用于实验室、虚拟化、手机WiFi随机MAC隐私防追踪本地多播MAC地址私有多播自定义使用仅用于内网测试、实验室环境。特殊地址48比特全1的MAC地址FF-FF-FF-FF-FF-FF为广播地址是本地多播地址的特例。四类MAC地址各占用总地址空间的1/4。4. 网卡MAC地址匹配规则网卡接收帧后检测目的MAC地址按规则处理目的MAC为广播地址接收该广播帧目的MAC为单播地址且与本机固化MAC一致接收该单播帧目的MAC为多播地址且本机已加入对应多播组接收该多播帧其余所有情况直接丢弃帧避免浪费主机CPU与内存资源。3.4.5 CSMA/CD 协议共享总线以太网核心1. 协议背景共享总线以太网天然具备广播特性所有站点共享同一总线资源同一时刻仅能一台设备发送数据多设备同时发送会产生信号碰撞。CSMA/CD载波监听多址接入/碰撞检测用于协调总线信道资源竞争。2. 协议核心机制多址接入多站点共享同一总线信道竞争信道使用权载波监听先听后发发送帧前监听信道信道空闲且持续96比特帧间间隔才可发送信道繁忙则等待空闲碰撞检测边听边发发送帧的同时持续监听信道检测到碰撞立即停止发送等待随机时间重传。核心限制CSMA/CD仅支持半双工通信设备无法同时收发数据。3. 争用期碰撞窗口设以太网最远两端站点单程传播时延为τ站点发送帧后最长经过2τ往返时延即可检测是否发生碰撞。若2τ时间内无碰撞本次传输绝对不会冲突。2τ被定义为争用期/碰撞窗口。10M传统共享以太网争用期512比特发送时间51.2μs。4. 最小帧长与最大帧长最小帧长为保证发送方在争用期内检测到碰撞帧发送时延必须≥争用期。公式最小帧长传输速率×争用期。以太网最小帧长64字节512比特。接收端收到小于64字节的帧判定为碰撞导致的异常无效帧直接丢弃。最大帧长限制单设备长期独占总线避免占用缓存、浪费带宽。以太网V2 MAC帧最大总长1518字节其中数据载荷最大1500字节首部尾部共18字节。5. 截断二进制指数退避算法碰撞后站点随机退避重传规则基本退避时间取争用期2τ10M以太网51.2μs随机数R从集合[0,1,2…2ᵏ-1]中随机选取kmin(重传次数,10)重传次数超10则k固定为10截断特性实际退避时间基本退避时间×R重传16次失败则放弃重传向上层报告故障。算法可动态适配网络负载碰撞越多、重传次数越多平均退避时间越长有效降低后续碰撞概率。6. 信道利用率3.4.6 以太网V2 MAC帧格式以太网V2 MAC帧共5个核心字段无LLC头部是目前唯一通用帧格式目的MAC地址6字节接收设备接口地址源MAC地址6字节发送设备接口地址类型字段2字节标识上层协议0x0800IPv4、0x0806ARP数据载荷46~1500字节上层协议数据不足46字节自动填充FCS帧校验序列4字节CRC-32校验校验范围为目的地址至数据字段。帧总长范围64~1518字节。物理层额外添加前导码不属于MAC帧内容。无效MAC帧判定直接丢弃帧长度非整数字节FCS校验检测出比特误码帧总长不在64~1518字节区间。以太网数据链路层提供不可靠传输服务无确认、无重传机制。3.4.7 集线器与物理层扩展以太网1. 10BASE-T 共享以太网采用集线器双绞线组网10-BASE-T以太网1010Mbps速率、BASE基带传输、T双绞线。物理拓扑为星型逻辑仍为总线型。2. 集线器核心特性工作在物理层仅转发比特电信号不识别帧、MAC地址无碰撞检测功能全网共享总线资源使用CSMA/CD协议仅支持半双工具备基础容错能力可自动断开故障端口保护全网稳定不隔离碰撞域、不隔离广播域所有端口同属一个冲突域、一个广播域。3. 物理层扩展以太网规则通过中继器、集线器、光纤扩展网络遵循5-4-3规则最多5个网段、4台中继器、仅3个网段可接入终端设备。扩展缺陷物理层扩展仅延长总线长度所有网段合并为一个超大碰撞域站点越多、碰撞越频繁网络性能大幅下降无法无限扩展。3.4.8 以太网交换机与数据链路层扩展以太网1. 交换机基础特性交换机是工作在数据链路层的多接口设备可连接终端、集线器、其他交换机。工作模式直连终端/交换机时为全双工通信无需CSMA/CD无碰撞连接集线器时为半双工需启用CSMA/CD。2. 两种转发方式存储转发完整接收帧、FCS检错后转发可靠性高主流方式直通转发读取帧头部MAC地址立即转发时延极低无检错机制可能转发无效帧。3. 交换机自学习与转发机制交换机维护MAC转发表记录「源MAC地址-入接口-生存时间」。自学习接收帧后提取源MAC与入接口写入转发表条目带老化时间超时自动删除单播帧转发查表无目的条目→洪泛转发查表条目出接口≠入接口→定向转发查表条目出接口入接口→丢弃帧广播帧无需查表直接向除入接口外所有端口洪泛转发。4. 域隔离交换机每个端口为独立碰撞域彻底隔离端口间冲突整机所有端口同属一个广播域无法隔离广播流量。5. STP生成树协议多交换机级联部署冗余链路会产生二层环路导致帧无限循环、广播风暴、全网瘫痪。STP协议可自动梳理拓扑阻塞冗余端口构建无环路树型拓扑网络拓扑变更时自动重构兼顾可靠性与无环路。3.4.9 共享式以太网 VS 交换式以太网设备差异共享式依托集线器物理层交换式依托交换机数据链路层协议差异共享式必须使用CSMA/CD、半双工交换式全双工、无冲突、无需CSMA/CD单播通信共享式单播帧全网广播交换式精准定向转发多终端并发共享式多终端同时发送必冲突交换式支持多组终端并行通信域隔离集线器无任何域隔离交换机隔离碰撞域不隔离广播域路由器可同时隔离碰撞域与广播域。目前交换式以太网已完全取代共享式以太网。3.4.10 虚拟局域网 VLAN1. 产生背景默认交换机所有端口属于同一广播域ARP、DHCP广播帧频繁发送易产生广播风暴、占用带宽同时整网无逻辑隔离部门数据安全性差。VLAN用于二层划分逻辑广播域。2. VLAN核心定义VLAN是与物理位置无关的逻辑局域网一个VLAN一个独立广播域。同VLAN二层直接通信不同VLAN二层完全隔离必须通过三层设备才可互通。3. 802.1Q帧标签在标准以太网帧中插入4字节VLAN标签2字节TPID固定0x8100标识带标签帧、2字节TCI含12位VID。VID有效范围1~40940、4095保留禁用。插入标签后需重新计算FCS校验值。4. 交换机端口模式Access端口接终端仅属于单个VLAN接收无标签帧、打上PVID标签发送时剥离标签收发均为普通帧Trunk端口交换机互联承载多个VLAN流量可收发带标签帧与本征VLAN无标签帧实现跨交换机VLAN通信。5. VLAN优势缩小广播域抑制广播风暴提升网络带宽利用率逻辑隔离不同部门网段提升内网安全性3.4.11 无线局域网 IEEE 802.11WiFi1. 组网模式分类1有固定基础设施主流核心单元为BSS基本服务集1台AP接入点若干无线终端。所有终端通信必须经过AP转发。多个BSS通过DS分配系统互联构成ESS扩展服务集支持终端无缝漫游。核心参数SSID无线网络名称、BSSIDAP固有MAC地址、无线信道单BSS覆盖半径≤100米。2无固定基础设施Ad Hoc自组网无AP、无中心节点终端对等互联多跳转发数据终端需具备路由功能多用于临时组网。2. 802.11帧类型数据帧承载业务数据控制帧协调信道访问RTS、CTS、ACK、PS-POLL管理帧负责入网、认证、关联、拓扑维护信标帧、认证帧。帧格式无线帧含4个地址字段通过帧控制字段标识转发路径帧方向To DSFrom DSAddress1直接接收方Address2直接发送方Address3真实端点STA→AP 上行10AP MAC00:11:22:33:44:55手机MACAA:BB:CC:DD:EE:FF目标主机MAC11:22:33:44:55:66AP→STA 下行01手机MACAA:BB:CC:DD:EE:FFAP MAC00:11:22:33:44:55源主机MAC11:22:33:44:55:663. CSMA/CA 碰撞避免协议无线局域网无法使用CSMA/CD无线信号强弱差异大、硬件难以检测碰撞且存在隐蔽站问题两端终端互相检测不到信号同时发包引发冲突因此采用CSMA/CA载波监听多址接入/碰撞避免。核心无法杜绝碰撞仅能最大限度降低碰撞概率。1两种工作模式DCF分布式协调默认必选所有站点竞争信道基于CSMA/CA组网PCF点协调可选、极少用AP集中轮询无竞争传输。2核心机制帧间间隔IFSSIFS短间隔高优先级帧、DIFS长间隔普通数据帧通过等待时长区分帧优先级虚拟载波监听NAV帧头部携带信道占用持续期其他站点更新NAV计时器计时器归零前默认信道繁忙避免冲突随机退避算法RTS/CTS信道预约发送大数据帧前先发RTS请求帧AP回复CTS确认帧全网更新NAV彻底解决隐蔽站问题。5.NAV3可靠传输机制无线信道误码率高CSMA/CA依靠ACK确认帧超时重传实现数据链路层可靠传输区别于有线以太网的不可靠传输。3.4.12 介质访问控制技术总分类1. 静态划分信道物理层预分配信道资源无碰撞、稳定性高灵活性差。包含FDM频分复用、TDM时分复用、CDM码分复用、WDM波分复用。应用电话、卫星、有线电视。2. 随机访问数据链路层站点竞争信道冲突后重传灵活性高适合突发数据高负载性能下降。纯ALOHA无监听、直接发包想发就发碰撞窗口2T利用率极低时隙ALOHA改善ALOHA正在发送帧在时间上的随意性仅时隙起点发包碰撞窗口缩为T性能提升CSMA系列先监听后发包包含非坚持、1-坚持、P-坚持CSMACSMA/CD有线以太网专用边发边检测、冲突即停CSMA/CA无线局域网专用信道预约、随机退避、避免碰撞。3. 轮询访问受控访问无信道竞争、无碰撞由中心节点或令牌机制管控发送权。典型令牌环网分散控制、中心轮询集中控制。令牌环网3.5 广域网基础广域网WAN是覆盖大范围地理区域的通信网络核心特点覆盖范围极广跨度可达数十千米至全球传输时延高数据需经过多台运营商设备转发、长距离传输依托运营商基础设施电信、移动、联通用户租赁使用主要用于跨区域局域网互联、远距离数据传输。