【王道计算机网络笔记】数据链路层-局域网&广域网

局域网

局域网（Local Area Network）：简称LAN，是指在某一区域内由多态计算机互联成的计算机组，使用广播信道

特点

• 覆盖的地理范围较小，只在一个相对独立的局部范围内联，如一座或集中的建筑群内
• 只用专门铺设的传输介质（双绞线、同轴电缆）进行联网，数据传输速率高（10Mb/s~10Gb/s）
• 通信延迟时间短，误码率低，可靠性较高
• 各站为平等关系，共享传输信道
• 多采用分布式控制和广播式信道，能进行广播和组播

决定局域网的主要要素为：网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法

局域网拓扑结构

星型拓扑
中心结点是控制中心，任意两个节点间的通信最多只需两步，传输速度快，并且网络构形简单、建网容易、便于控制和管理。烦死你这种网络系统，网络可靠性低，网络共享能力差，有单点故障问题（集线器）

总线型拓扑
网络可靠性高、网络节点间响应速度快、共享资源能力强、设备投入量少、成本低、安装使用方便，当某个工作站结点出现故障时，对整个网络系统影响小
局域网中最常用

环形拓扑
系统中通信设备和线路比较节省。有单点故障问题；由于环路是封闭的，所以不便于扩充，系统响应延时长，且信息传输效率相对较低

树型拓扑
易于扩展，易于隔离故障，也容易有单点故障

局域网传输介质

有限局域网常用介质：双绞线、同轴电缆、光纤
无线局域网常用介质：电磁波

局域网介质访问控制方法

• CSMA/CD，常用于总线型局域网，也用于树型网络
• 令牌总线，常用于总线型局域网，也用于树型网络。它是把总线型或树型网络中的各个工作站按一定顺序，如按接口地址大小排列成一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权利
• 令牌环，用于环形局域网，如令牌环网

局域网的分类

主要是按照介质访问控制方法分类的

• 以太网：以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网（10Mbps）、快速以太网（100Mbps）、千兆以太网（1000Mbps）和10G以太网，它们都符合IEEE802.3系列标准规范。逻辑拓扑总线型，物理拓扑是星型或拓展星型。使用CSMA/CD
• 令牌环网：物理上采用了星形拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。已经不用了
• FDDI网：物理上采用双环拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构
• ATM网：较新型的单元交换技术，使用53字节固定长度的单元进行交换
• 无线局域网：采用IEEE802.11标准

以太网

以太网是一种基带总线局域网规范，使用CSMA/CD技术

以太网在局域网各种技术中站统治性地位

• 造价低廉（以太网网卡不到100块）
• 是应用最广泛的局域网技术
• 比令牌环网、ATM网便宜，简单
• 满足网络速率的要求10Mb/s~10Gb/s

以太网的两个标准

• DIX Ethernet V2：第一个局域网产品（以太网）规约
• IEEE 802.3：IEEE 802.3委员会802.3工作组制定的第一个IEEE的以太网标准（帧的格式有一点变动）
  因此以太网也可以叫做802.3局域网

以太网提供无连接、不可靠的服务

无连接：发送方和接收方之间无握手过程
不可靠：不对发送方的数据帧编号，接收方不向发送方进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠正由高层负责

以太网只实现无差错接收，不实现可靠传输

以太网传输介质与拓扑结构的发展

使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议
以太网拓扑：逻辑上总线型，物理上星型

10BASE-T以太网

10BASE-T是传送基带信号的双绞线以太网，T表示采用双绞线，现10BASE-T采用的是无屏蔽双绞线（UTP)，传输速率是10Mb/s
物理上采用星型拓扑，逻辑上总线型，每段双绞线最长为100m
采用曼彻斯特编码
采用CSMA/CD介质访问控制

适配器与MAC地址

计算机与外界局域网的连接通过通信适配器，是在主机箱内的网络接口板/网络接口卡（网卡），现在不再使用单独网卡，已经嵌入好了
适配器上装有处理器和储存器（包括RAM和ROM），ROM上会有计算机硬件地址MAC地址
在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址（实际上是标识符）

MAC地址：每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家（由IEEE规定），后24位厂家自己指定。常用6个十六进制数表示，如02-60-8c-e4-b1-21

以太网的MAC帧

最常用的MAC帧是以太网V2的格式

前同步码实现时钟同步，帧开始定界符表示后面是MAC帧
目的地址就是接收方的地址。有三种情况，单播地址，例如发送给固定的一个主机；广播地址，发送给所有的主机；多播地址
源地址就是发送方的地址
类型就是指明网络层使用的协议，以便把MAC帧上交给上层
数据部分长度是可变的，上限是规定好的MTU为1500字节，下限CSMA/CD中提到过最小帧长，而以太网当中的最小帧长是64字节，剩余46字节，因此下限为46字节，保证帧的有效性
FCS即CRC中的帧检验序列

IEEE802.3也规定了MAC帧的格式，二者区别

• 802.3第三个字段是长度/类型
• 当长度/类型字段值小于0x0600时，数据字段必须装人LLC子层

高速以太网

速率$\ge 100Mb/s$的以太网称为高速以太网

• 100BASE-T以太网

在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议，支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突

• 吉比特以太网

在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号
支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突

• 10吉比特

在光纤上传送10Gb/s信号
只支持全双工，无征用问题

IEEE802标准

IEEE802系列标准是IEEE802 LAN/MAN标准委员会制定的局域网、城域网技术标准(1980年2月成立)。其中最广泛使用的有以太网、令牌环、无线局域网等。这一系列标准中的每一个子标准都由委员会中的一个专门工作组负责。

IEEE802.3：以太网介质访问控制协议（CSMA/CD）及物理层技术规范
IEEE802.5：令牌环网的介质范文控制协议及物理层技术规范
IEEE802.8：光纤技术咨询组，提供光纤联网的级数咨询
IEEE802.11：无线局域网的介质范文控制协议及物理层技术规范

MAC子层和LLC子层

IEEE802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层和物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层（LLC子层）和介质访问控制（MAC子层）

LLC负责识别网络层协议，然后对它们进行封装。LLC报头告诉数据链路层一旦帧被接收到时，应当对数据包做何处理。为网络层提供服务：无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送
MAC子层的主要功能包括数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制等。MAC子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性

IEEE802.11

IEEE802.11是无线局域网通用的标准，它是由IEEE所定义的无线网络通信的标准

802.11的MAC帧头格式

无线局域网可以分为两大类，有固定基础设施无线局域网和无固定技术设施移动自组织网络

有固定基础设施无线局域网

所有的站在本BSS内都可以只直接通信，但在和本BSS外的站通信时都必须通过本BSS的基站

一个基本服务集可以是孤立的，也可通过AP连接到一个分配系统(Distribution System，DS)，然后连接到另一个基本服务集，构成一个扩展的服务集(Extended Service Set,ESS)，ESS还可以通过一种称为Portal（门桥）的设备为无线用户提供到有线连接的以太网的接入。门桥的作用相当于一个网桥。在图中，移动站A如果要和另一个基本服务集中的移动站B通信，就必须经过两个接入点AP1和AP2，即A→AP1→AP2→B，注意AP1到AP2的通信是使用有线传输的。

移动站A从某个基本服务集漫游到另一个基本服务集时，仍然可保持与另一个移动站B的通信。但A在不同的基本服务集使用的AP改变了。
例如当我们在高铁上跨市的时候会收到其他市的欢迎短信，这时候我们的AP就改变了

无固定技术设施移动自组织网络

广域网

广域网（WAN，Wide Area Network），通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性远程网络
广域网的通信子网主要使用分组交换技术（属于网络层）。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信和无线分组交换技术，它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。如因特网是世界范围内最大的广域网

结点交换机的功能是用于转发分组，但是相比于路由器，结点交换机只能在单个网络中转发分组，路由器可以在多个网络之间转发分组
广域网中可以有交换机、集线器、路由器等设备，广域网覆盖的网络体系结构层次包含物理层、链路层、网络层，局域网只覆盖物理层、链路层。广域网普遍采用点对点技术，局域网普遍采用多点接入技术，即逻辑上是总线型。广域网强调资源共享，局域网强调数据传输

PPP协议

点对点协议PPP（Point-to-Ponit Protocol）是目前使用最广泛的数据链路层协议，用户使用拨号电话接入因特网时一般都使用PPP协议，只支持全双工链路

PPP协议应满足的要求

• 简单，对于链路层的帧，无需纠错，无需序号，无需流量控制
• 封装成帧，就是在帧头和帧尾加上帧定界符
• 实现透明传输，PPP是面向字节的，无论在数据部分传输什么比特流，都可以完整的传输过去，即使数据部分有帧定界符
  当遇到与标志字段已知的比特组合时，异步线路用字节填充，同步线路用比特填充
• 满足多种网络层协议，封装的IP数据报可以采用多种协议
• 满足多种类型链路，串行/并行，同步/异步，电/光……
• 实现差错检测，即CRC检测方法，检测到错就丢
• 检测连接状态，检测链路是否可以正常工作
• 定义数据最大传送单元，即数据部分最大长度MTU
• 网络层地址协商，需要知道通信双方的网络层地址
• 数据压缩协商，在发送数据的时候需要压缩数据

因为PPP协议是面向字节的，因此帧长度需要时整数个字节，也就是比特数为8的整数倍

PPP协议无需满足的要求

• 纠错
• 流量控制
• 对帧编序号
• 不支持多点线路，只需要满足点对点的连接过程

PPP协议的三个组成部分：

• 一个将IP数据报封装到串行链路（同步串行/异步串行）的方法
• 链路控制协议LCP：建立并维护数据链路链接，实现身份认证。例如拨号上网需要账号和密码正确
• 网络控制协议NCP：PPP可支持多种网络层协议，每个不同的网络层协议都要一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接
  LCP类似建立一层物理连接，NCP在物理连接上建立逻辑连接才算入网成功

PPP协议的帧格式

第一个字节和最后一个字节是标志字段也就是帧定界符（01111110），在信息部分遇到帧定界符或转义字符就插入一个转义字符（01111101），在接收端去掉这些转义字符
A表示地址字段，C表示控制字段，目前没有携带任何有用信息
协议部分表示信息部分是什么，如IP数据报，LCP数据，网络层控制数据
FCS是为了实现差错检测，采用CRC循环冗余检验法插入的两个字节的帧检验序列

HDLC协议

高级数据链路控制即HDLC，是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织（ISO）开发而成的

数据报文可实现透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现

HDLC的站

主站的主要功能是发送命令（包括数据信息）帧、接收响应帧，并负责对整个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错的检测或恢复等
从站的主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并且配合主站参与差错恢复等链路控制
复合站的主要功能是既能发送，又能接收命令帧和响应帧，并且负责整个链路的控制

三种数据操作方式

1. 正常响应方式，从站要发送消息，需要主站的同意，主站同意了，从站才能发送消息
2. 异步平衡方式，每一个复合站都可以对其他站进行数据传输，不需要经过其他站的征求
3. 异步响应方式，从站可以不经过主站的同意就进行数据传输

HDLC的帧格式

首尾的标志F也就是标志字段（01111110），如果在透明传输区间有相同的比特流形式，则遇到5个1插入1个0
地址A，如果采用的是正常响应方式或异步响应方式，则填的是从站的地址，异步平衡方式填入的是应答站（对方）的地址
控制C，决定了HDLC帧的类型，类似PPP中的协议字段。一般我们只看前两位

• 信息帧第1位为0，用来传输数据信息，或使用捎带技术对数据进行确认；
• 监督帧第12位为1、0，用于流量控制和差错控制，执行对信息帧的确认、请求重发和请求暂停发送等功能
• 无编号帧第12位为1、1，用于提供对链路的建立、拆除等多种控制功能。

PPP协议和HDLC协议

共同点

• 都只支持全双工链路
• 都可以实现透明传输，PPP协议既可以实现0比特填充，也可以实现字节填充，HDLC只能是实现前者
• 都可以实现差错检测，但不纠正差错

不同点

• PPP协议是面向字节的，HDLC协议是面向比特的。
• PPP帧比HDLC帧多一个2字节的协议字段。
• PPP协议不使用序号和确认机制，只保证无差错接收（通过硬件进行CRC检验），而端到端差错检测由高层协议负责，是不可靠传输。HDLC协议的信息帧使用了编号和确认机制，能够提供可靠传输。