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2018年9月计算机三级网络技术知识：局域网基础
局域网基础
本单元概览
一、局域网与城域网的基本概念
二、以太网
三、高速局域网的工作原理
四、交换式局域网与虚拟局域网
五、无线局域网
六、局域网互联与网桥的工作原理
一、局域网与城域网的基本概念
1.决定局域网与城域网的三要素
决定局域网与城域网特点的三要数：网络拓扑、传输介质、介质访问控制方法。
2. 局域网拓扑结构的类型与特点
局域网与广域网的重要区别是覆盖的地理范围不同，因此其基本通信机制与广域网完全不同：局域网采用共享介质与交换方式(分为共享介质局域网与交换式局域网)，广域网采用存储转发。
局域网在传输介质、介质访问控制方法上形成了自己的特点。其主要的网络拓扑结构分为：总线型、环型与星型。网络介质主要采用双绞线、同轴电缆与光纤等。
A.总线拓扑：
介质访问控制方法：共享介质方式。
优点：结构简单、容易实现、易于扩展、可靠性好。
特点：所有结点都通过网卡连接到公共传输介质总线上，总线通常采用双绞线或同轴电缆，所有结点通过总线发送或接收数据，由于多个结点共享介质，因此会有冲突出现，导致传输失败，必须解决介质访问控制问题
B.环型网络拓扑结构
环型网络拓扑是结点间通过网卡利用点到点线路连接形成闭合的环型。环中的数据沿着同一个方向逐站传输。环型结构中，多个站点共享一条环通路，为了确定哪个结点可以发送数据，同样需要进行介质访问控制。环型结构通常采用分布式控制方法，环中每个结点都要执行发送和接收的控制逻辑。
C.星型网络拓扑结构
星型拓扑结构存在中心节点，每个节点通过点-点线路与中心节点连接，任何两节点之间的通信都要通过中心节点转接。优点是：结构简单。
3.传输介质类型和介质访问控制方法：
局域网介质类型：同轴电缆、双绞线、光纤和无线通道。
局域网介质访问控制方法：
IEEE802.2标准定义了共享介质局域网有以下3类:
带冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)----总线网
令牌总线(token bus) -------总线网
令牌环(token ring)----------环型网
4. IEEE802参考模型
IEEE802(局域网标准委员会)，专门从事局域网标准化工作。重点是解决局部范围内的计算机组网问题。研究者只需要面对OSI模型中数据链路层和物理层，网络层及以上高层不属于局域网协议的研究范围。
局域网领域中有典型的三种技术：以太网、令牌总线和令牌环。
数据链路层的功能复杂，设计者将链路层分为两部分：LLC (逻辑链路控制子层)和 MAC(介质访问控制子层)。不同的局域网在LLC中必须使用相同的协议。LLC子层与传输介质和介质访问控制方法无关。在MAC子层和物理层中不同局域网可以采用不同协议。
5. IEEE802标准
IEEE802标准规定了局域网中不同层次(数据链路层和物理层)中的标准。
可简单分为3类：
IEEE802.1定义局域网的体系结构、网络互连。
IEEE802.2定义逻辑链路控制(LLC)的功能与服务。
IEEE802.3定义CSMA/CD总线访问方法与物理层技术规范。
IEEE802.4定义令牌总线(Token Passing Bus)访问方法与物理层技术规范。
IEEE802.3定义令牌环(Token Passing Ring)访问方法与物理层技术规范。
IEEE802.11定义无线局域网技术(MAC层采用CSMA/CD)
IEEE802.15定义近距离无线个人局域网访问控制子层与物理层标准
IEEE802.16定义宽带无线局域网访问控制子层与物理层标准
二、以太网
1.以太网的发展
1976年7月，Bob在ALOHA网络的基础上，提出总线型局域网的设计思想，并提出冲突检测、载波侦听与随机后退延迟算法，将这种局域网命名为以太网(Ethernet)。
以太网的核心技术是：
介质访问控制方法CDMA/CD.这种方法解决了多结点共享公用总线的问题。
早期以太网的传输介质是同轴电缆，后用双绞线，再后用光纤。
2.以太网的帧结构与工作流程
(1)以太网数据发送流程
冲突：多个站点同时利用总线发送数据，导致数据接收不正确。
总线网没有控制中心，如果一个站点发送数据帧，以广播方式通过总线发送，每一个站点都能收到数据帧，其它站点也可以同时发送，因此冲突不可避免。
CSMA/CD发送流程可简单概括为：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。
实现公共传输介质的控制策略，需要解决的问题是：载波侦听，冲突检测，冲突后的处理方法。
(a)载波侦听
结点利用总线发送数据时，首先侦听总线是否空闲，以太网规定发送数据采用曼彻斯特编码。判断总线是否空闲可以判断总线上是否有电平跳变。不发生跳变总线空闲。此时如果有结点已准备好发送数据，可以启动发送。
(b)冲突检测方法
载波侦听不能完全消除冲突，原因是数字信号是以一定的速率传输的。例如：结点A发送数据帧时，离他1000m距离的结点在一定的时间延迟后才能收到数据帧，此时间段内如果B也发送数据，造成冲突。从物理层上看，冲突时多个信号叠加，导致波形不同于任何结点的波形信号。
解决方案：结点A发送数据前，先发送侦听信号，如果侦听信号在最大距离传输时间2倍时，没有冲突信号出现，结点A肯定取得总线的访问权。
冲突信号的延迟时间=2*D/V。其中：D是结点到最远结点的距离，V表示信号传输速度，信号往返的时间为延迟时间。
进行冲突检测的方法有两种：比较法和编码违例法。
比较法：将发送信号波形与从总线上接收的信号比较，如果不同说明有冲突。
违例编码法：检查总线上的波形是否符合曼彻斯特编码规则，不符合说明有冲突。
(c)冲突解决方案
发现冲突，停止发送如果发送数据的过程中检测出冲突，为解决信道争用冲突，发送结点停止发送，随机延迟后重发的流程。
随机延迟后重发的第一步：发送冲突加强信号，目的是延续冲突的持续时间，使得网络中的所有结点都能检测出冲突的存在，并立即丢弃冲突帧，提高信道利用率。
随机延迟重发。以太网协议规定每帧的最大重发次数不得超过16次，若超过则认为线路故障。为公平解决信道争用问题，需要确定后退延迟算法。典型的CSMA/CD采用二进制指数退避算法，退避延迟时间计算为：t=2k×R×a 。其中：a是冲突窗口大小，R是随机数，k为冲突次数，定义k的最大值，一旦k是最大值时是最后一次发送。每次的延迟时间都会根据公式求出。
以太网中任何结点都需要通过CSMA/CD方法争取总线使用权，从准备发送到成功发送时间不确定。因此又称为随机争用介质访问控制方法。简单易实现。
(2)以太网帧结构
前导码(7B)与帧前定界符字段：用于接收同步阶段。
目的地址与源地址(6B)：分别表示帧的接收节点地址与发送节点的硬件地址。
类型字段：表示网络层使用的协议类型。
数据字段(46B—15000B)：是高层待发送的数据部分。
帧校验字段：采用32位的循环冗余校验。校验范围：目的地址、源地址、长度、LLC数据。
(3)以太网接收流程
如果一个结点利用总线成功发送数据，其它结点都应该处于接收状态。所有结点只要不发送数据，就应该处于接收状态。一个结点接收帧，首先判断帧的长度。(规定了最小长度，若小与最小长度，冲突，丢弃该帧，结点重新进入接收状态)。如果没有冲突，结点接收帧后首先检查帧的目的地址。(目的地址单一地址或组地址或广播地址，属于自己则保留，否则丢弃)。地址匹配后确认是自己应该接收的帧，进一步进行CRC校验。 如果校验正确，则进一步检测LLC数据长度是否正确。出错则报告”帧长度错“，否则报告”成功接收”，进入结束状态。如果检验出错，首先判断该帧是否是8为的整数倍，是，表示没有丢失位，则记录”帧检验错“，否则报告”帧位错“，进入结束状态。
以太网协议将接收出错分为3类：帧检验错、帧长度错与帧位错。
3.以太网的实现方法
每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据
为决定那个站点接收，需要寻址机制来标识目的站点
目的站点将该帧复制，其他站点则丢弃该帧
4.以网的物理地址
IEEE802标准为每个DTE规定了一个48位的全局地址，它是站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。即MAC地址(物理地址)，MAC地址为6字节(48位)。MAC地址的前3个字节(高24位)由IEEE统一分配给厂商，低24位由厂商分配给每一块网卡。网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址。