计算机网络基础：5 局域网技术

局域网概念

基本概念

• 局域网：局部区域范围内的计算机网络
• 范围：几米到几公里，一个或相邻的建筑物内
• 特点：覆盖范围小，传输速率高，误码率低
• 应用：多用于单位内部网络建设

拓扑结构

• 总线型
• 星型
• 环形

体系结构

• 局域网是一种通信网络，只涉及的OSI模型中的数据链路层和物理层，不涉及高层的内容
• IEEE的802委员会将局域网分为两个子层：
  • MAC子层：与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层、主要用来解决多个结点如何共享介质的问题
  • LLC子层：与媒体接入无关的部分都集中在LLC。其主要功能是数据链路的建立和释放、LLC帧的封装和拆卸、差错控制、提供与高层的接口等

物理地址

MAC地址

• 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址，是在数据链路层使用的地址。MAC地址共48比特，6字节。前三个字节代表的是生产厂商的编号，后三个代表的是网卡的编号
• MAC地址通常代表12个16机制数，每两个16进制数之间用冒号隔开，08:00:20:0A:8C:6D就是一个MAC地址

数据帧

• 数据链路层中数据是以数据帧（frame）为单位进行数据传输的。封装成帧就是一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧，确定了帧的界限
  

• 数据帧首部中的源地址和目的地址就是用MAC地址来表示的
  

• 发送数据帧时，帧首部写入目的主机的MAC地址

• 收到数据帧后，首先检查帧首部的目的地址的MAC地址，如果是发给自己的，就接受数据帧，否则就丢弃

CSMA/CD协议

• 目前局域网采用的最通用的通信协议标准是以太网（Ethernet）技术
• 最初的以太网是一个总线型的网络，任何一个主机发出的信号，都被网络中其他所有的主机收到
• 以太网需要解决的问题
  • 寻址问题：如何在广播式的网络完成一对一通信（MAC地址）
  • 冲突问题：两台主机同时使用网络会发生冲突（CSMA/CD协议）

载波监听，多路访问，冲突检测

• CSMA/CD协议本身叫做：载波监听，多路访问，冲突检测

• 载波监听：在发送数据前，节点需要先“听”一下总线上是否有数据信号。如果检测到有数据信号，结点便等直到总线空闲。如果“听”到总线没有数据信号，那么节点就将数据帧发送出去

• 多路访问：网络中的节点都能访问总线，通过总线发送数据

• 冲突检测：在发送数据帧的同时，还需要继续监听总线，检测是否发生冲突。如果检测到了冲突，就马上停止数据发送。等待一个随机的时间后，再次重发

为什么需要“冲突检测”

• 当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的
• A向B发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到B
• B若在A发送的信息达到B之前发送自己的帧（因为这时B的载波监听检测不到A所发送的信息），则必然要在某个时间和A发送的帧发生碰撞

冲突带来的问题

• 碰撞的结果是两个帧都变得无用（冲突使得信号相互叠加，使得原来的信号被破坏），而且这些无用的数据浪费了网络资源
• 节点在检测到冲突的时候，就能马上停止数据发送。但是之前已经发出的数据还是会被接收方收到，而且是不完整的数据。所以接收方需要知道是否曾经发生冲突，收到的数据是否完整

解决不完整数据问题

争用期

• 从开始发送数据，到检测到冲突，这段时间不确定的，它的最大值为争用期。如果在争用期内没有检测到冲突，以后也不会发生冲突产生了
• 在以太网中，争用期=2倍总线长度/信号的传播速度

最短帧长

• 以太网去51.2μs为争用期的长度。对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。以太网在发送数据时，若前64字节没有发送冲突，则后续的数据就不会发生冲突（10Mb/s*51.2μs=512bit）
• 以太网规定了最短有效帧长为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