第2章 局域网基础
单选题 6~10 多选题2题
2.1 局域网的各类型及其特点
局域网技术的发展
- 介质访问控制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10 BASE-2与10 BASE-5
- 连接多台计算机的同轴电缆被称为“共享”的“总线传输介质”，简称为“共享介质”
- 多个主机需要通过一条“共享介质”发送和接受数据被称为“多路访问”或“多路存取”
局域网技术的类型
- Token Bus:采用令牌控制的令牌总线形局域网
- Token Ring:采用令牌控制的令牌环形局域网
- Ethernet:采用带有冲突检测的载波侦听多路访问 (CSMA/CD) 访问控制方法的总线型Ethernet
共同点：
- 体系结构都遵循：IEEE 802层次结构模型
- 传输介质主要采用同轴电缆、双绞线与光纤
- 采用共享介质的方式发送和接受数据帧
- 介质访问控制都采用分布式控制方法，局域网中没有集中控制的主机
IEEE 802参考模型：
- 数据链路层对应逻辑链路控制(LLC子层)
- 物理层对应介质访问控制(MAC子层)、主机-网络层
IEEE 802.1体系结构与网络互连：
- IEEE 802.3 定义了CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层的标准
- IEEE 802.11 定义无线局域网访问控制子层与物理层的标准
- IEEE 802.15 定义近距离无线个人网络访问控制子层与物理层的标准
- IEEE 802.16 定义宽带无线城域网访问控制子层与物理层的标准
各类型的主要特点
(1) Ethernet 的主要特点
其他结点发送数据流前，需要先发送一个数据帧检测链路是否空闲或者在发送数据帧加上一个头部用于检测链路是否空闲
(2) Token Bus 的主要特点
发送数据流时，令牌在总线型的局域网中跑
(3) Token Ring 的主要特点
在环形的局域网内，令牌以一定顺序跑
2.2 Ethernet工作原理及帧结构
- Ethernet工作原理
- 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
- Ethernet协议规定一个帧的最大重发次数为16次。如果重发次数超过16，则认为线路故障，进行“冲突过多”结束状态
- 任何主机发送数据都要通过CSMA/CD方法争取总线使用权，从准备发送到成功发送的等待延迟时间不确定
- CSMD/CD方法被定义为一种随机征用型介质访问控制方法，可有效控制多主机对共享总线的访问，方法简单并且容易实现
- Ethernet帧结构
- 前导码
- 前导码由 8B(64b) 的10101010...101010比特序列组成
- 帧前定界符（1字节）
- 前导码的作用是实现收发双方的比特同步与帧同步
- 8B的前导码在接收后不需要保留，也不计入帧头的长度中
- 目的地址与源地址
- 目的地址与源地址分别表示帧的接受主机与发送主机的硬件地址
- 硬件地址通常称为 “物理地址” “MAC地址” “Ethernet地址”
- 地址长度为6B(48b)
- 源地址必须是48b的MAC地址，目的地址可以是单播地址、多播地址或广播地址
- 类型
- 类型字段表示的是网络层使用的协议类型
- 数据字段
- 数据字段是网络层发送的数据部分
- 数据字段的长度在46~1500B之间。加上帧头部分的18B，Ethernet帧的最大长度为1518B
- Ethernet帧的最小长度为64B，最大长度为1518B
- 帧校验字段
- 帧校验字段FCS采用32b的CRC校验
- CRC校验的范围是：目的地址、源地址、长度、LLC数据等字段
- Ethernet主机只要不发送数据帧就应处于接受状态
- 帧目的地址检查
- 帧接受
- 帧校验
- 帧间最小间隔
- 前导码
2.3 交换式局域网与虚拟局域网
交换式局域网的基本概念
(1) 交换式局域网的基本概念
- 交换机(Switch)是工作在数据链路层，根据接入交换机帧的MAC地址，过滤、转发数据帧的一种网络设备
- 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
- 在发送主机与接受主机端口之间建立虚连接
- 完成帧的过滤与转发
- 执行生成树协议，防止出现环路
(2) 交换机的交换方式
直接交换方式
- 优点：交换延迟时间短
- 缺点：缺乏差错检测能力
存储转发交换方式
- 优点：具有帧差错检测能力，并支持不同输入速率与输出速率之间的帧转发
- 缺点：交换延迟时间将会增长
改进直接交换方式
- 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，仅对帧的地址字段与控制字段进行差错检测
(3) 交换机的交换带宽
交换机交换带宽的计算方法是：端口数 * 端口速率（全双工模式再乘以2）
虚拟局域网
(1) 虚拟局域网的基本概念
- 虚拟局域网络是建立在局域网交换机之上，以软件方式来实现逻辑工作组的划分与管理
- 虚拟局域网(VLAN)是一组逻辑上的设备和用户，这些设备和用户并不受物理位置的限制，可以根据功能、部门及应用等因素将它们组织起来，相互之间的通信就好像它们在同一个网段中一样
(2) VLAN划分的方法
- 基于交换机端口的VLAN划分方法
- 基于主机MAC地址的VLAN划分方法
- 基于网络层地址或协议(IP地址)的VLAN划分方法
- 基于广播组的VLAN划分方法
(3) IEEE 802.1Q 基本内容
协议标识符
IEEE 802.1Q增加了4B来扩展Ehternet帧。第一个字段是2B的标记协议标识符(TPID)，表示该帧是IEEE 802.1Q协议来扩展的Ethernet帧。TPID取值为0x8100(1000000 100000000)
控制信息
第二个字段是2B的标记控制信息(TCI)。第二个字段TCI又分为3b的优先级、1b的规范格式标识符(CFI)与12b的VLAN标识符(VID)。VLAN标识符VID长度为12b，其中0与4095被保留。VID取值在1~4094之间
2.4 高速局域网的各类型
Fast Ethernet（快速以太网）
(1) 主要特点
- Fast Ethernet传输速率达到100Mbps，但是它保留着传统的10Mbps速率Ethernet的基本特征，即相同的帧格式与最小、最大帧长度(64B、1518B)等特征
- IEEE 802委员会正式批准Fast Ethernet标准——IEEE 802.3u。 IEEE802.3u标准定义了介质专用接口(MII) ，将MAC层与物理层分隔开
- 支持半双工与全双工工作模式，增加10Mbps与100Mbps速率自动协商功能
(2) 网线分类
- 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
- 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
- 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
- 使用2芯的多模或单模光纤，是一种全双工系统
- 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。
Gigabit Ethernet（千兆以太网）
(1) 主要特点
- GE的传输速率达到了1000Mbps，但是它仍然保留着传统的Ethernet的帧格式与最小、最大帧长度等特征
- IEEE 802委员会正式批准了GE标准——IEEE 802.3z。 IEEE 802.3z标准定义了千兆介质专用接口(GMII) ，将MAC子层与物理层分隔开
(2) 网线介绍
- 1000BASE-CX——使用两对屏蔽双绞线。双绞线最大长度为25m
- 1000BASE-T——使用4对5类非屏蔽双绞线，双绞线最大长度为100m
- 1000BASE-SX——使用多模光纤，光纤最大长度为550m
- 1000BASE-LX——使用单模光纤，光纤最大长度为5km
- 1000BASE-LH——使用单模光纤，光纤最大长度为10km
- 1000BASE-ZX——使用单模光纤，光纤最大长度为70km
10 Gigabit Ethernet（万兆以太网）
(1) 主要特点
- 10GbE保留着传统的Ethernet的帧格式与最小、 最大帧长度的特征
- 10GbE定义了专用的介质专用接口10GMII，将MAC层与物理层分隔开
- 10GbE只工作在全双工模式，不能自动协商，传输距离只取决于光纤通信系统的性能
- 10GbE的应用领域已经从局域网逐渐扩展到城域网与广域网的核心交换网中
- 10GbE的物理层协议分为局域网物理层标准与广域网物理层标准两类
(2) 网线介绍
10GBASE-CX4——6类UTP或STP双绞线，双绞线最大长度为15m
10GBASE-T——6类UTP或STP双绞线， 双绞线最大长度为100m
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
多模——800m或1000m
单模——10km以上
(3) 实现WAN 物理层标准的技术路线主要有两种
- 使用SONET/SDH光纤通信技术
- 直接采用光纤密集波分复用DWDM技术
100 Gigabit Ethernet（万兆以太网）
IEEE通过传输速率为10Gbps的IEEE 802.3ae标准
IEEE通过传输速率为40/100Gbps的IEEE 802.3ba标准
100GbE物理接口类型
- 10*10GbE短距离互联的LAN接口技术
- 4*25GE中短距离互联的LAN接口技术
- 10m的铜缆接口和1m的系统背板互联技术
2.5 无线局域网技术
无线局域网的概念
- 无线局域网(WLAN)是支撑移动计算与物联网发展的关键技术之一
- 无线局域网以微波、激光与红外线等无线电波作为传输介质，来全部或部分取代传统局域网中的双绞线与光纤，实现物理层与介质访问控制MAC子层的功能
作用：无线局域网能够满足移动和特殊应用领域网络的要求，还能覆盖有线局域网难以布线的位置。
- 作为传统局域网的扩态
- 建筑物之间的互联——建立一条点-点的无线链路
- 移动主机漫游访问——接入点设备之间可以实现漫游访问，也可通过对等的P2P方式实现漫游
- 无线自组 网络(Adhoc)——在移动过程中动态组网
扩频无线局域网
(1) 扩频通信
无线局域网的物理层最常用的是扩频通信技术，扩频通信是将信号扩展到更宽的频谱上传输
(2) 调频扩频通信
IEEE 802.11标准规定跳频通信使用2.4GHz的专用ISM频段，频率范围在2.4Ghz。调频扩频通信的数据传输速率为1Mbps或2Mbps。能够增强数据的安全性
(3) 直接序列扩频
直接序列扩频(DSSS)使用2.4GHz的ISM频段，数据传输速率为1Mbps或2Mbps
- DSSS将待发送的数据经过伪随机数发生器产生的伪随机码进行异或操作，再将异或操作结果的数据调制后发送
- 所有接收主机使用相同的频段
- 发送端与接收端是用相同的伪随机码
无线局域网协议标准
- 802.11 2.4GHz 2Mbps
- 802.11a 5GHz 54Mbps
- 802.11b 2.4GHz 11Mbps
- 802.11g 2.4GHz 54Mbps
- 802.11n 2.4GHz/5GHz 600Mbps
- 802.11ac 5GHz 1Gbps
- 802.11ad 60GHz 7Gbps
无线局域网拓扑结构
- 基本设施模式
- 基本服务集(BBS)
- 扩展服务集(ESS)
- 独立模式
- 独立基本服务集(IBSS)
- 无线自组网(Adhoc)
- 独立基本服务集(IBSS)
无线自组网主要特点：
- 自组织与自修复
- 无中心
- 多条路由
- 动态拓扑
- 基本设施模式
无线局域网的工作原理
(1) MAC层的访问控制模式
- 物理层定义了红外与微波频段的扩频通信标准
- MAC层实现对多主机共享无线通信信道的访问控制
- 无争用服务系统的中心是基站——无线接入点
- 有争用服务分布协调功能DCF(CSMA/CA)
(2) 帧间间隔的规定
IEEE 802.11协议规定所有无线网卡在检测到信道空闲到真正发送一帧，或者是发送一帧之后到发送下一帧时，都需要间隔一段时间。
- 短帧间间隔(SIFS)
- 分布协调帧间间隔(DIFS)
- 点协调帧间间隔(PIFS)
- 扩展帧间间隔(EIFS)
IEEE 802.11帧结构
(1) 管理帧
- 信标帧——无线局域网的“心跳”
- 探测帧
- 关联帧
- 认证帧
(2) 控制帧
控制帧主要用于预约信道、对单播数据帧的确认，有RTS、CTS、ACK
(3) 数据帧
IEEE 802.11数据帧由3部分组成：帧头、数据字段、帧尾。其中，帧头长度为30B，数据字段长度为0~2312B，帧尾由2B的帧校验字段组成
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