局域网技术

概述

局域网是将一个较小地理范围内的各种计算机、通信设备等互相连接起来组成的一个计算机通信网络，其跨度一般在方圆几公里、几十公里以内，覆盖一栋办公楼、一个学校乃至一个城市

• 局域网的特点
  • 范围小，覆盖距离＜25km
  • 速度快
  • 低误码率，低时延
  • 各站为平等关系而非主从关系
  • 能进行广播和组播
• 决定局域网特性的三个要素
  • 传输方式
    • 可基带传输，频带传输。大多采用基带传输
    • 广播方式信道连接，核心问题介质访问控制
    • 点到点方式信道连接，核心问题路由选择
  • 拓扑结构：主要有总线型，星形，环形
  • 传输介质：主要使用同轴电缆，双绞线，光纤，无线介质
• 局域网的介质访问控制方法主要有：CSMA/CD，令牌总线，令牌环
• 三种特殊的局域网拓扑实现对比
• 局域网 = 广播域 = 子网

拓扑结构	逻辑拓扑结构	物理拓扑结构
以太网	总线型	星形
令牌环	环形	星形
FDDI	环形	双环

• Ethernet 地址，网卡地址，物理地址，MAC 地址是一个东西

IEEE 802 局域网体系结构

概述

• IEEE 802 标准定义的局域网参考模型只对应于 OSI 参考模型的数据链路层和物理层
• 将数据链路层拆分为两个子层：
  • MAC 子层
    • 包含与接入传输媒介有关的内容，其向上层屏蔽对物理层访问的各种差异，提供对物理层的统一访问接口；
    • 主要功能：组帧，拆卸帧，比特传输差错检测，透明传输
  • LLC 子层：
    • 与传输媒介无关；主要功能：管理数据链路通信，链接寻址，定义服务接入点 SAP，排序；
    • 向网络层提供无确认无连接，面向连接，有确认无连接，高速传送 4种不同连接服务类型
      

广播式信道共享技术

• 信道分配方法
  • 静态分配
    • 基本思想：将带宽等信道资源平均分配给每个要参与通信的用户
    • 包括频分复用FDM，时分复用TDM，波分复用WDM，码分复用CDM
  • 动态分配
    • 根据当前对信道的请求情况动态协调各用户对信道的使用权
• 令牌环网原理
  • 令牌(token)是一个特殊格式的MAC控制帧，它本身并不包含信息，仅控制信道的使用，确保同一时刻只有一个节点能独占信道
  • 一个节点要发送数据必须先截获令牌，故单令牌网络任何时刻只可能有一个节点发送数据，故不会产生冲突
  • 以如图 GIF 动图过程阐述令牌环网原理：
    • 一开始，一个空令牌在环上流转，节点要使用网络，首先需捕获令牌，捕获后该节点修改令牌中一个标志位，并在令牌中附加自己需传输的数据和目的节点地址把令牌变成一个数据帧(闪烁黄色表示)， 然后发出去。
    • 如图 1 想向 4 发送数据，2，3 读取目的地址发现不是自己收的便传递给下一节点，4 读取目的地址发现是给自己的便复制该数据帧(闪烁黄色表示)，并在帧尾设置响应比特表示自己已经收到此帧(闪烁紫色表示)，然后该数据帧继续流转
    • 1 收到自己发送的数据帧中来自 4 的确认后(闪烁紫色表示)，不再进行转发，重新产生一个空令牌，传递给下一节点
      

• 介质访问控制协议的分类
  • 无冲突协议
    • 通过预约，仲裁等方式决定共享信道的使用权，保证获得信道使用权的节点能独占信道
    • 通过令牌(Token)实现，包括令牌环，令牌总线，FDDI
  • 冲突协议
    • ALOHA协议

      • Pure ALOHA 纯ALOHA协议

        • 基本思想：网络中任一节点(站)要发送数据时，无需检测可直接发送，如果一段时间内未收到确认，该节点就认为传输过程发生了冲突，等待一段随机时间后再次发送
        • 如图，假定所有节点发送的帧都是定长的，帧的长度用发送所需的时间 T₀ 来表示，2，3 时间重叠发生碰撞，碰撞多方所发送的数据都须重传
          
          纯ALOHA

      • Slotted ALOHA 时间片ALOHA协议

        • 基本思想：把时间轴等分成时间片，每个时间片长度等于一个固定长度的数据传输时间，且只有在每个时间片开始时才能发送数据帧
        • 如图 A1 帧产生时刻由于不在时间片开始时，故只能在离他最近的时间片开始时刻发送，同理 A2 帧虽然产生时间早于 B2，但由于只有在每个时间片开始时才能发送数据帧，故 A2 和 B2 发生冲突，发生冲突后的重传策略和纯ALOHA协议一样，也是随机时间
          
          时间片ALOHA
    • CSMA 载波监听多路访问协议
      • 载波监听（Carrier Sense） 指任何连接到介质的设备在欲发送帧前，必须对介质进行监听，当确认其空闲时，才可以发送。
      • 多路访问（Multiple Access） 指多个设备可以同时访问介质，一个设备发送的帧也可以被多个设备接收。
      • 1 - 坚持CSMA
        • 要发送数据的节点，先监听信道，若信道忙，则坚持监听，只要发现信道空闲，就立即发送数据，响应时间短
        • 若多个节点发送数据发生冲突，则冲突的各节点停止发送且等待随机时间后重发
      • 非坚持CSMA
        • 要发送数据的节点，先监听信道，若信道空闲，就发送数据帧，若信道忙，则节点不坚持监听信道
        • 重载时信道利用率比坚持式 CSMA 协议高
      • p - 坚持CSMA
        • 适合分槽信道(将信道时间等分成固定长度的时间片)
        • 节点发送前先监听信道，空闲时以概率 p 发送，以 q = 1 - p 的概率推迟到下一个时间片发送，若下一个时间片空闲，继续按照上述规则发送，若信道忙则等待随机时间后再次监听信道
• Ethernet 以太网
  • 传统以太网

    • 带宽 10Mbit/s，拓扑结构总线型；使用介质50Ω粗同轴电缆，可通过中继器延伸总线长度

    • 10BASE5 标准的含义：传输速率为 10Mbit/s，BASE表示基带传输，5表示不加中继器情况下最大支持网段长度为 500m
      

      传统以太网各种传输介质的适用情况

    • 传统以太网的介质访问控制方法

      • CSMA/CD协议，
        • Collision Detection，碰撞检测就是指边发送边监听，工作流程可简单概括为先听后发，边发边听，冲突停发，随机重发
        • 采用 1 - 坚持 监听方式
        • 检测到冲突所需最长时间为最远两个节点(发送节点和距其最远的)的端对端传播时延的 2 倍，称为争用期 ，即图中 ε -> 0时，也就是 A 发送的数据几乎到达 B 端
        • 发送一个数据后，经过争用期时间段后还未检测到碰撞时，才确定这次发送不会发生碰撞，每个节点的争用期时长可能不同。
        • 为了检测出冲突，要求在 A 发送的帧最后一位还没离开前检测出冲突
        • 若检测到冲突，节点会立即向总线发出 4~6 字节的冲突加强信号(jam)，使冲突的各方都知道发生了冲突而放弃发送
        • 只支持半双工通信
          
          
          
          
          电磁波在总线上的传播速率总数有限的，因此，当某个时刻发送节点检测到信道空闲时，此时信道并不一定是空闲的，如上图中， τ-δ 时，B 检测到信道空闲而发送数据，然而此时信道并非空闲，经过时间δ/2后，A，B 发送的数据发生碰撞，但此时 A，B 都不知道，分别经过监听反馈延时后，检测到碰撞

    • 传统以太网的帧格式

      • Preamble 前导字段
      • SOF/SFD 帧起始定界符字段
      • length 表示数据部分的字节数，长度小于 46 字节时，须在 PAD 帧填充子字段填充 0
      • type 表示高层使用的协议
        
        IEEE 802.3和以太网帧格式
  • 高速以太网

    • 快速以太网 (IEEE 802.3u)
      

      传统以太网和快速以太网对比
      • 物理层标准：100Base-TX，100Base-FX，100Base-T4
        
        3种物理规范的100Base-T与10Base-T的对比

    • 千兆以太网 / 吉比特以太网

      • 全双工，半双工都支持，半双工模式下使用 CSMA/CD 协议，全双工模式下无冲突发生，不使用冲突检测

      • 引入以下两种技术

        • 载波扩展
          最小帧长保持64B不变，但争用期为 512B，当发送一帧时，如果帧长小于 512B ，那么物理层将发送一个扩展载波符号序列进行填充直至帧长度达到 512B，该技术降低传输效率
        • 帧突发
          • 发送方允许连续发送若干帧，第一帧 按照 CSMA/CD 规则发送
          • 若第一帧为短帧，则进行载波扩展；若该帧发送成功，发送方就可以继续发送其他帧直至发送完数据或达到一次帧突发的最大长度限制，规定连续发送的总长度上限为 8KB
          • 发送方为了连续占有信道，用96位载波扩展填充帧间隙IFG，冲突只可能发生在第一个时槽内
          • 避免了单个节点有大量短帧等待发送时，载波扩展带来的开销，改善了短帧的传输效率，是对载波扩展的补救
            

      • 物理层标准

        • IEEE 802.3z 1000BaseX
          • 1000Base-SX
          • 1000Base-LX
          • 1000Base-CX
        • IEEE 802.3ab 100BaseT

    • 10吉比特以太网 IEEE 802.3ae

      • 仅支持全双工模式，只能使用光纤介质
      • 不使用 CSMA/CD 协议
      • 定义了两种物理层，分别用于支持局域网和广域网
  • 全双工以太网 Full Duplex
    • 全双工以太网需满足的条件
      • 发送信道和接收信道使用分离的网络介质
      • 任何两个节点间须配备专门链路
      • 节点网卡和交换机都必须支持全双工方式
    • 全双工以太网和半双工以太网最大区别：全双工以太网中，介质访问控制方法 CSMA/CD 不再使用，因为不会发生冲突
    • 如图可看出全双工以太网的 MAC 子层允许同时发送和接收帧，包括以下几项：
      • 禁止载波检测功能
      • 禁止冲突检测功能
      • 禁止将已发送数据回送(Loopback)到接收器
        
        半双工以太网和全双工以太网

虚拟局域网 VLAN

虚拟局域网是指在交换式局域网的基础上，采用网络管理软件构建的可跨越不同网段、不同网络的端到端的逻辑网络。一个VLAN = 一个逻辑子网 = 一个逻辑广播域。使用虚拟局域网技术可减少局域网内的广播，提高网络传输性能

• VLAN 的优点
  • 网络设备的移动、添加和修改的管理开销减少，灵活性强。在不改动网络物理连接的情况下，可以任意地在工作组或子网之间移动主机。
  • 隔离了广播，缩小了广播范围，可以控制广播风暴的产生；可将一个物理的 LAN 划分成不同的广播域
  • 可提高网络安全性
• 划分 VLAN 的方法
  • 基于端口

    • 优点：定义成员简单，只需将所有端口进行定义；缺点：用户从一个端口移动到另一个端口时，须对VLAN成员重新配置

    • 单交换机端口定义 VLAN
      

      Example of a switch with two VLANs

    • 多交换机端口定义 VLAN

  • 基于 MAC 地址
    • 利用主机的 MAC 地址定义成员，允许主机移动到网络的其他物理网段，而自动保持原来的 VLAN 成员资格
  • 基于网络层
    • 使用协议或网络层地址确定网络成员
    • 优势：可按协议划分网段，用户可在网络内部自由移动而不用重新配置自己主机，VLAN可减少由协议转换而造成的网络延迟
    • 局限性：IP 地址盗用会导致数据发送错误；对设备要求较高，不是所有设备都支持
  • 基于 IP 组播
    • 认为一个组播组就是一个 VLAN；认为一个组播组就是一个 VLAN；灵活性强，将 VLAN 扩大到了广域网，不适合局域网
    • IEEE 802.1q 标准功能：将大型网络划分为小网络，避免广播组播流量占据更多带宽 ，完成各种功能的关键在于标签Tag
      
  • TPID 字段：固定值0x8100，指明标签类型
  • Priority 字段：定义了 8 级用户优先级
  • CFI 规范格式指示器字段：
  • VID 字段：是 VLAN 的标识符，指明帧属于哪个 VLAN

无线局域网

• 无线局域网的优点
  • 灵活性和移动性
  • 安装便捷。可免去或最大限度地减少网络布线工作量
  • 易于进行网络规划和调整。
  • 故障定位容易
• 无线局域网的拓扑结构
  • 无中心结构
    • 网络中任意两个节点均能直接通信，大都采用广播信道，冲突协议
    • 优点：网络抗毁性好，建网容易费用低；缺点：站点过多时信道竞争成为限制网络的瓶颈，故适合用户相对较少的工作群网络规模
  • 有中心结构
    • 要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访问均由其控制
    • 当网络业务量增大时，网络吞吐性能及网络时延性能的恶化并不剧烈
      
      
      
  • IEEE 802.11 无线局域网
    IEEE 802.11 定义了如下两种运作模式

    • Ad hoc 模式(点对点模式)

      • 无中心拓扑结构
      • 使用 Ad hoc 模式通信的两个或多个无限客户端形成一个独立基础服务集 IBSS

    • infrastructure 模式

      • 有中心拓扑结构；至少存在一个无线接入点 Access Point 和一个无线节点，无线节点使用 AP 访问有线网络的资源
      • 站 STA：任何支持 IEEE 802.11 的网络设备
      • 基础服务集 BSS：不需要任何中间设备转发就可直接通信的 STA 的集合，是构成 IEEE 802.11 系列网络的基本单位
      • 接入点 AP：具有 STA 的功能，且能将一个 BSS 连接到其他网络的设备
      • 分布式系统 DS：对 BSS 进行网络互连的系统
      • 扩展服务集 ESS：由通过分布式系统连接的两个或多个基础服务集组成
        
        IEEE 802.11 类型网络结构

    • MIMO 多入多出技术

      • 极高的频谱利用率，能在不增加带宽的情况下成倍提高通信系统容量；信道可靠性大为增强
      • 信号系统的发色后端和接收端分别使用了多个发射天线和接收天线
      • 实质：为系统提供空间复用增益
        
        MIMO技术
        
        
        MIMO
        
        
        OFDM

    • IEEE 802.11 无线局域网无法采用 CSMA/CD 的原因

      • 要进行冲突检测，站点必须在发送数据的同时接收冲突信号，这增加了对带宽的需求
      • 无线网络存在隐蔽站问题和暴露站问题，无法进行冲突检测及正常的发送
      • 无线局域网中，节点间距离可能很远，信号的衰减也可能造成另一端的节点无法感知冲突，故 802.11 使用 CSMA/CA (Collision Avoidance) 协议

    • CSMA/CA 协议

      • 提供有确认无连接的数据链路层服务，通过正向应答来保证数据正确送达目的节点
      • 802.11 的 MAC 层包含两个子层
        • DCF Distributed Coordination Function 分布协调功能，保证每个节点使用 CSMA 算法来竞争信道发送权
        • PCF Point Coordination Function 点协调功能，使用集中控制接入算法，用类似探询的方法将发送权轮流交给各个节点，以保证有些节点能优先使用信道
          
      • A 发送数据前需要监听信道是否空闲，若检测到空闲，则需要附加等待 DIFS (Distributed InterFrame Space 分布式帧间间隔)时间，再监听信道。若信道仍然空闲，则发送一个请求发送帧 RTS。 B 收到 RTS 后等待 SIFS (Short InterFrame Space 短帧间间隔) 时间后发送一个清除发送控制帧 CTS，用于指明准备接收数据。再等待一个 SIFS 后，A 开始发送数据；B 收到数据后也等待 SIFS 后发送 ACK 帧指示数据已经正确接收
      • RTS 帧中包含了该节点发送数据所需占用信道时间，其他所有节点根据这个信息建立网络分配矢量 NAV 定时器，用于指示在进行下次信道检测前还需等待的时间

CSMA/CA 工作原理

• IEEE 802.11 帧格式
  
  802.11 帧格式
  • Frame Control：用于定义帧的类型和描述一些控制信息
  • Protocol Version：当前版本为 0
  • Type：用于定义帧主体数据的类型，管理 00，控制 01，数据 10
  • Subtype：说明控制帧的类型，RTS(1011)，CTS(1100)，ACK(1101)
  • WEP：若为 1 表示有加密

IEEE 802.16 宽带无线网络

• IEEE 802.16 和 IEEE 802.11 的区别
  802.11 主要解决移动设备间的通信问题，802.16 主要用于解决采用有线连接比较困难或者代价比较高的场合下用户的接入问题

• IEEE 802.16的特点：

  • 覆盖范围较大，往往会覆盖一个城市的一个部分，网络跨度大
  • 每个单元中，用户数量比 802.11 多得多，需要更高带宽
  • 802.11 的无线网络环境一般在室内，而 802.16 通常在室外
  • 802.16 的设计目标是完全支持实时数据流应用的服务质量要求

• 802.16 无线服务的作用就是在用户站点和核心骨干网络之间建立起一条通信路径，在用户的收发机同基站收发机之间提供无线接口
  

  802.16 结构

• 802.16 协议栈
  

  802.16协议栈 三层体系结构

• SIFS，PIFS，DIFS，EIFS 的区别

  • PIFS ：点协调功能 (PCF) 是一种可选技术，用于防止集中控制的 WLAN 中的冲突。 PCF 与强制分布式协调功能 (DCF) 一起使用。集中协调通信的接入点 (AP) 等待 PIFS 持续时间来掌握信道。由于 PIFS 小于 DIFS 持续时间，AP 总是优先于其他站点访问信道。 PISF 计算为 SISF 和时隙时间之和。
  • EIFS：是在帧损坏的情况下除了强制 DISF 之外使用的额外等待期