软考第四章 局域网与城域网
局域网与城域网
传统局域网（LAN）是分组广播式网络，这是与分组交换式的广域网的主要区别。广播技术中，所有工作站都连接到共享的传输介质上，共享信道的分配技术是局域网的核心技术，而这一技术又与网络的拓扑结构和传输介质有关。
1.局域网技术概论
1.1 拓扑结构和传输介质
总线型
总线是一种多点广播介质，所有的站点都通过接口硬件连接到总线上。
- 多个站点同时发送数据时会发生冲突，需要一种解决分配冲突的介质访问控制协议
- 任意一对设备之间传输的信号强度不能太大也不能太小。通常把总线划分成一定长度的网段，并限制每个网段接入的站点数。
适合于总线型拓扑的传输介质主要是同轴电缆，分为传播数字信号的基带同轴电缆和传播模拟信号的宽带同轴电缆。宽带电缆比基带电缆传输的距离更远，还可以使用频分多路技术提供多个信道和多种数据传输业务，主要用在城域网中；而基带系统主要用了室内或建筑物内部联网。
- 基带系统：数字信号是一种电压脉冲，它从发送处沿着基带电缆向两端均匀传播。总线网的发明者把这种网络称为以太网，以太网使用特性阻抗为50Ω的同轴电缆。一般来说，数据速率越小，传输的距离越远；传输系统的电气特性越好，可连接的站点数越多。若要扩展网络的长度，可以用中继器把多个网络段连接起来。
- 宽带系统：采用频分多路技术传播模拟信号。不同频率的信道可分别支持数据通信、TV和CD质量的音频信号。宽带系统中使用特性阻抗为75Ω的CATV电缆。由于宽带系统中需要模拟放大器，而这种放大器只能单方向工作，所以加在宽带电缆上的信号只能单方向传播。有两种技术可提供双向传输：双缆配置和分裂配置
环型拓扑
环形拓扑由一系列首尾相接的中继器组成，每个中继器连接一个工作站。中继器是一种简单的设备，它能从一端接收数据，然后在另一端发出数据。整个环路是单向传输的。由于多个站共享环上的传输介质，所以需要某种访问逻辑来控制各个站的发送顺序。例如令牌。
星型拓扑
星型拓扑有一个中心节点，所有站点都连接到中心节点上。中心节点在星型网络中起到了控制和交换的作用。
1.2 LAN/MAN的IEEE802标准
- 802.1：局域网体系结构、寻址、网络互联和网络管理
- 802.2：逻辑链路控制子层（LLC）的定义
- 802.3：以太网介质访问控制协议CSMA/CD及物理层技术规范
- 802.4：令牌总线网
- 802.5：令牌环网
- 802.6：研究城域网介质访问控制协议DQDB及物理层技术规范
- 802.7：宽带技术咨询组
- 802.8：光纤技术咨询组
- 802.9：综合声音数据的局域网（IVD LAN）
- 802.10：网络安全技术咨询组
- 802.11：无线局域网
- 802.12：需求优先的介质访问控制协议
- 802.14：采用线缆调制解调器的交互式电视介质访问控制协议及物理层技术规范
- 802.15：采用蓝牙技术的无线个人网
- 802.16：宽带无线接入工作组
- 802.17：弹性分组环工作组
- 802.18：宽带无线局域网技术咨询组
- 802.19：多重虚拟局域网共存技术咨询组
- 802.20：移动宽带无线接入工作组
- 802.21：无线网络之间的切换问题
- 802.22：无线局域网工作组
IEEE 802标准把数据链路层划分为两个子层。与物理介质相关的部分叫做介质访问控制（MAC）子层，与物理层介质无关的部分叫做逻辑链路控制（LLC）子层。
2.逻辑链路控制子层
SSAP，DSAP 分别是源目服务接入点的地址
2.1 LLC地址
LLC地址实际上是主机中上层协议实体的地址。DSAP和SSAP表示目标地址和源地址，这两个地址都是7位长，相当于HDLC中的扩展地址格式。另外增加的一种功能是可提供组地址，I/G位为1时表示一组用户。
2.2 LLC服务
LLC提供以下3种服务：
- 无确认无连接的服务：数据报类型的服务
- 连接方式的服务：类似于HDLC提供的服务
- 有确认无连接的服务
3.IEEE 802.3标准
3.1 CSMA/CD协议
与计算机网络自顶向下方法中相同
- 监听算法：非坚持/1-坚持/P-坚持
- 冲突检测
- 二进制指数后退
3.2 CSMA/CD协议的性能分析
最大吞吐率：
T = L t p + t f = L d / v + L / R T = \frac{L}{t_p+t_f} = \frac{L}{d/v+L/R} T=tp+tfL=d/v+L/RL
网络利用率：
E = T R = L / R d / v + L / R = t f t p + t f E = \frac{T}{R} = \frac{L/R}{d/v+L/R} = \frac{t_f}{t_p+t_f} E=RT=d/v+L/RL/R=tp+tftf
利用 a = t p / t f a = t_p/t_f a=tp/tf可得：
E = 1 a + 1 E = \frac{1}{a+1} E=a+11
3.3 MAC和PHY规范
IEEE802.3 帧格式
（本图省去了前面的帧起始符，10101011）
物理层规范
| 属性 | 拓扑结构 | 最大段长/m | 传输介质 | 数据速率/Mbps |
|---|---|---|---|---|
| Ethernet | 总线型 | 500 | 粗同轴电缆 | 10 |
| 10Base 5 | 总线型 | 500 | 粗同轴电缆 | 10 |
| 10Base 2 | 总线型 | 185 | 细同轴电缆 | 10 |
| 1Base 5 | 星型 | 250 | UTP | 1 |
| 10Base-T | 星型 | 100 | UTP | 10 |
| 10Broad 36 | 总线型 | 3600 | CATV电缆 | 10 |
| 10Base-F | 星型 | 500或2000 | 光纤 | 10 |
3.4 交换式以太网
交换式以太网的核心部件是交换机。与计网中相同，即插即用
3.5 高速以太网
快速以太网
IEEE 802.3u:100Mbps
千兆以太网
IEEE 802.3z和802.3ab:1000Mbps
万兆以太网
IEEE 802.3ae:10Gbps
万兆以太网基本应用于点到点线路，不再共享带宽，没有冲突检测，载波监听和多路访问技术也不再重要
3.6 虚拟局域网
虚拟局域网（VLAN）是根据管理功能、组织机构或应用类型对交换局域网进行分段而形成的逻辑网络。
把物理网络划分为VLAN的好处如下：
- 控制网络流量
- 提高网络的安全性
- 灵活的网络管理
在划分成VLAN的交换网络中，交换机端口之间的连接分为两种
- 接入链路连接（Access）
- 中继链路连接（Trunk）：在进入Trunk前交换机在数据包中加入VLAN标记，这样，在中继链路另一端的交换机就不仅要根据目标地址，而且要根据数据包所属的VLAN进行转发决策。
4.局域网互连
局域网通过网桥互连
网桥的路由选择算法可能很复杂，在最复杂的情况下，所有网络层的路由技术在网桥中都能用得上。当然，一般由网桥互连局域网的情况远远没有广域网中的网络层复杂，所以有必要研究更适合于网桥的路由技术。
4.2 生成树网桥
生成树网桥是一种完全透明的网桥，插入电缆后就可以自动完成路由选择的功能。
帧转发
网桥为了决定是否转发一个帧，必须为每个转发端口保存一个转发数据库，数据库中保存着必须通过该端口转发的所有站的地址。作为一般情况，假定网桥从X端口收到一个MAC帧，则它按以下算法进行路由决策：
- 查找除X端口之外的其他转发数据库
- 如果没有发现目标地址，则丢弃帧
- 如果在某个端口Y的转发数据库发现目标地址，并且Y端口没有阻塞就从Y端口发送出去，阻塞则丢弃
地址学习
类似交换机的即插即用地址学习
环路分解——生成树算法
以上说的只适合网络中没有环路的情况，环路引起的循环转发破坏了网桥的数据库，需要设法消除环路
这篇讲的很详细了：
STP生成树原理及选举规则
4.3 源路由网桥
源路由网桥的核心思想是由帧的发送者显式的地指明路由信息。路由信息由网桥地址和LAN标识符的序列组成，包含在帧头中。每个收到帧的网桥根据帧头中的地址信息可以知道自己是否在转发路径中，并可以确定转发的方向。
网桥无需保存路由表，只需记住自己的地址标识符和它所连接的LAN标识符，就可以根据帧头中的信息做出路由决策。然而，发送帧的工作站必须知道网络的拓扑结构，了解目标站的位置，才能给出有效的路由信息。
5.城域网
城域网能够覆盖整个城市范围，作为开放型的综合平台，要求能够提供分组传输的数据、语音、图像和视频等多媒体综合业务。城域网要比局域网有更大的传输容量，更高的传输效率，还要有多种接入手段，以满足不同用户的需要。
5.1 城域以太网
802.1ad：Q-in-Q技术，实际上就是把用户VLAN嵌套在城域以太网的VLAN中传送。缺点是用户的MAC地址暴露
802.1ah：MAC-in-MAC，就是对用户以太帧再封装一层运营商的MAC帧头，通过主干网桥传送。
城域以太网的帧格式：802.1q即为VLAN
5.2 弹性分组环
弹性分组环是一种采用环形拓扑的城域网技术。
弹性分组环RPR