计算机网络复习笔记四 局域网

• 传统以太网

1. IEEE802.2标准(以太网LLC子层)  

逻辑链路控制(LLC)和解决可靠性

LLC 子层屏蔽了不同LAN异构性

（网卡）适配器的重要功能： 

1. 实现以太网协议（LLC+MAC）+物理层。   
2. 对数据进行缓存。 
3. 进行串行/并行转换。 
4. 在计算机的操作系统安装设备驱动程序（配置、管理、监控）。（状态寄存器、控制寄存器、数据寄存器）

1. IEEE802.2标准数据格式 

LLC 协议根据局域网的特点对HDLC通信规程进行了适当的简化和重定义。

提供了两种服务：

不确认无连接服务（类型I操作），使用无编号的信息(UI)帧实现数据传输

有确认面向连接的服务（类型II操作）。

1. 提供服务与实现 
2. LLC与HDLC比较 

LLC帧地址字段指示的是服务访问点地址，节点的物理地址由 MAC帧头提供

IEEE 802局域网采用平衡式链路结构，LLC协议只定义了一种数据传送操作方式：扩展的异步平衡方式(ABME)；因此，简化了LLC帧的种类。

1. IEEE803标准(以太网MAC子层协议)  IEEE803 以太网:CSMA/CD

介质访问控制MAC

与接入到传输介质有关的内容都放在 MAC子层

1. 标准以太网/传统以太网/共享以太网/总线型以太网

总线型结构，通信操作方式为半双工

网络连接设备有中继器和集线器，如标准以太网和部分快速和高速以太网，

MAC子层标准为IEEE802.3

1. 交换式以太网

特征为通信操作方式为全双工

网络连接设备有网桥和二层（三层）交换机，如部分快速和高速以太网，

MAC子层不在使用 IEEE802.3，在MAC子层采用基于MAC地址转发表完成数据帧转发。

以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码

1. CSMA/CD协议工作原理 

总线、半双工、共享以太网 载波侦听，多路访问，冲突检测

以太网的端到端往返传播时延2 套称为冲突窗口（争用期）。

10 Mb/s以太网在发送数据帧时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。以太网必须规定了最短有效帧长为64字节，如果小于64字节，必须使用填充位使其等于64 字节。凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧 （碎片帧）。

1. 数据帧结构

常用的以太网MAC帧格式有两种标准IEEE的802.3标准、DIX Ethernet V2 标准  目前使用的MAC 帧一般DIX以太网V2的格式

PA（前导码）：帧同步序列，其格式为连续7个字节的“10101010”二进制序列，该序列经过曼彻斯特编码之后，会产生一个10MHz 的方波，从而使得接收节点的时钟和发送方的时钟同步起来，该字段不作为数据帧的有效部分。

SFD（帧定界符）：表示一个有效帧的开始，其格式为“10101011”二进制序列，该字段也不作为数据帧的有效部分

实际上，MAC地址只要在本网段为唯一，不需要全球唯一，为什么？

DATA字段：表示要传送的网络层协议数据单元，网络层协议数据单元应是 字节倍数，最大数据长度为1500个字节，最小为46个字节？。

FCS（帧校验序列）：采用32位CRC校验。 生成多项式：G(X)-32， CRC-32

帧间最小间隔为 9.6 s，相当于 96 bit 的发送 时间。

目的: 通过违例码区分不同数据帧；使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理（交付上层），做好接收下一帧的准备

 

 

局域网互连

1. 物理层网络连接设备（总线形以太网工作原理） 

1.1 中继器 

一般只有两个网络接口；仅仅用于连接同类型的LAN:如10BASE2或10BASE5; 传输介质一般使用:同轴电缆(粗,细); 一种信号整形(或再生)设备, 在物理层延长总线距离.

5个网段,4个中继器, 仍是总线形网络；3个奇数网段,2个偶数网段, 奇数网段连接计算机, 偶数网段延长总线距离. 1个冲突域. 一个广播域.

1.2 集线器 

Hub可以看做是多个接口的中继器,物理上采用星型结构，逻辑上为总线型网络,采用半双工通信方式,CSMA/CD；Hub连接的网络共享一个冲突域; Hub连接的网络共享一个广播域;  只对信号再生，不是放大；无缓存，也不需要缓存，主要用于10BASE-T或100BASE-T; 传输介质:双绞线

1. 数据链路层网络互连设备（交换式以太网工作原理）- 重点 

数据链路层网络互连设备:网桥(bridge)和二层交换机 (switch-2)。  最高工作在数据链路层。

构建的是交换式网络：全双工,不用CSMA/CD，用转发表和发送队列缓存

2.1 网桥 

两个小的冲突域,一个大的广播域

保持原来多个冲突域,但仍旧是一个广播域

网桥具有帧格式转化和速率匹配功能

网桥必须具有二层存储转发功能

根据二层转发方式不同, 网桥可分为透明桥和源路由桥。

透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。 利用MAC地址转发表实现数据帧转发。向后学习机制（back-forward-learning）建立MAC地址转发表。

向后学习

根据接收帧的目的MAC地址查找转发表
if 目的MAC地址的转发记录被查找到

then{       

if 如果目的地址和源地址在相同接口（表示同一个网段中）       

then 丢弃该帧？     

else 转发该帧到指定的接口，根据源MAC地址判断增加新记录或更新生存期；       

}

Else 扩散

2.2 二层交换机

二层交换机最高工作在数据链路层。 通常都有十几个接口，实质上就是一个多接口的网桥。 对数据帧采用存储转发方式.-直通技术。采用”向后学习”机制构建基于MAC地址转发表。 支持生成树算法（STP，RSTP）

VLAN实质：局域网给用户提供的一种应用服务，而并不是一种新型局域网

不同VLAN之间的流量不能直接跨越VLAN的边界，需要使用路由器，通过三层路由将报文从一个VLAN转发到另外一个VLAN

在二层交换机基础上，再加一个路由器，为什么？ 利用三层交换机=二层交换机+路由器（三层路由功能）

 

1. 无线局域网组成与分类    

有固定基础设施的无线局域网

一个基本服务集BSS组成：包括一个基站接入点 AP (Access Point)和若干个移动节点

所有的节点在本 BSS 以内都可以直接通信,或通过AP转发

和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站AP转发

当网络管理员安装 AP 时，必须为该 AP 分配一个不超过 32 字节的服务集标识符 SSID 和一个无线信道（相当于总线）。

AP与以太网交换机连接起来，以太网没有路由器

ESS 还可通过叫做门户(portal)为无线用户提供 到非802.11无线局域网（例如，到有线连接的因特网）的接入。门户的作用就相当于一个网桥。

漫游功能：移动站 A 从某一个基本服务集移动到另一个基本服务集仍可保持与另一个移动站 B 进行通信。

一个移动节点若要加入到一个基本服务集 BSS，必须先选择一个接入点 AP，并与此接入点建立关联

被动扫描:移动站等待AP周期性发出的信标帧(beacon frame)。

移动站选择信号最强的信标帧发送者AP为关联AP。

主动扫描:移动站主动发出探测请求帧(probe request frame)， 然后等待从 AP 发回的探测响应帧(probe response frame)（包括支持速率）；选择信号最强的探测响应帧发送者AP为关联AP。

第一步：移动站与选定的AP互相使用802.11协议进行对话，建立关联关系； 

第二步: 身份认证； 

第三步：身份认证通过后，移动站点再通过关联AP向所在子网（BSS）发送DHCP发现报文，以获得IP地址。 

第四步：移动站获得IP地址后，成为WLAN中一台主机。

无固定基础设施的无线局域网

移动自组网络(ad hoc network) （无AP）。

残桩网络（移动自组网络与因特网相连的工作方式）不能穿透无线局域网，通信量可以进入残桩网络，也可以从残桩网络发出，但不允许外部的通信量穿越残桩网络

802.11MAC支持两种模式：

点协调功能模式（PCF: Point Coordination Function）-有固定  轮询模式

分布协调功能模式（DCF：Distributed Coordination Function）  CSMA/CA  --无固定基础设施

必须支持基本DCF，而PCF则是可选的

无线局域网不能简单地搬用 CSMA/CD 协议

1. CSMA/CD 协议要求一个站点在发送数据帧的同时还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备实现比较难

CSMA/CD协议可以采用同样信号频率同时发送和接收，无线网络不能在同一个频率上发送和接收,无法实现边发送边检测

无线通信易受环境和障碍物的影响,即使物理距离相同,但位置不同 ,所接收信号的强度不同,很难检测或判断是否发生了冲突,很难利用信号传输特性边传输边检测。

1. 存在隐藏终端和暴露终端问题。

检测信道

无线信道有无无线信号（真实检测），

虚拟载波监听（模拟检测）；（持续时间，NAV）

结论：CSMA/CA必须结合带差错控制停止-等待协议

争用窗口作用：随机等待  + 争用无线信道

目的：减少了发生冲突的概率。  802.11 使用指数退避算法

隐藏终端问题

1. A与C同时向B发送数据帧；（2）假设A站正在向B发送数据帧，如果 C也准备向B发送数据 帧，但由于C与A相距太远而不能帧听到A站正在使用无线信 道发送数据帧，于是C也可是发送，结果在B站处发生冲突。

暴露终端问题

假设B站正在向A站发送数据帧，C站也准备向D发送数据帧，于是C开始帧听信道，发送B正在发送数据帧（B暴露给C），于是C站无法发送数据帧给D。

为了解决隐藏终端问题，802.11MAC协议对基本DCF模式进行改进，引入了RTS/CTS机制。

在单信道下无法解决隐藏接收终端问题。

单信道下无法解决暴露发送终端问题。

单信道下无法解决暴露接收终端问题。

由于接收方发送的CTS帧可被附近所有站点接收到，所以可以解决单信道下隐藏发送终端问题；

802.11MAC中，RTS/CTS为可选。

MAC 首部，共 30 字节，帧的复杂性都在帧的首部。

控制帧RTS，CTS和ACK。

管理帧被严格限制在一个BSS单元内。

2.  802.11 标准物理层    

3.  802.11 标准MAC 层（协议）    

4.  802.11 标准中的 MAC 帧