局域网基本概念和体系结构
局域网
定义
简称LAN，指的是在某一区域内由多台计算机互联组成的计算机组，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，例如一座或者集中的建筑内
- 使用专门铺设的传输介质（例如双绞线、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
- 各个站点之间是平等关系，共享传输信道
- 多采用分布式控制和广播式通信，能够进行广播和组播
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
局域网的网络拓扑结构
星型拓扑
中心节点是控制中心
优点：
- 任意两个节点之间的通信最多需要两步，传输速度快
- 网络构形简单、建网容易
- 便于控制和管理
缺点：
- 网络可靠性低
- 网络共享能力差
- 有单点故障问题
总线型拓扑
优点：
- 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
- 当某个工作站节点出现故障的时候，对于整个网络系统的影响较小
环型拓扑
优点：
系统中通信设备和线路比较节省
缺点：
- 存在单点故障问题：由于环路是封闭的
- 所以不便于扩充
- 系统响应延迟时长
- 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
局域网的传输介质
有线局域网
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的方法
-
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
它是将总线型或者树型网络中的各个工作站点按照一定的顺序如接口地址大小排列形成一个逻辑环。只有令牌持有者才能够控制总线，才有发送信息的权利
-
令牌环：用于用于环型局域网，如令牌环网
局域网的分类
- **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IEEE 802.3系列标准规范。逻辑拓扑是总线型，物理拓扑是星型或者拓展星型，使用CSMA/CD
- **令牌环网：**物理上采用的是星型拓扑结构，逻辑上是环型拓扑结构
- FDDI网：物理上采用双环拓扑结构，逻辑上是环型拓扑结构
- 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（WLAN）：采用IEEE 802.11
IEEE 802标准
IEEE 802系列标准是IEEE 802 LAN/WAN标准委员会指定的局域网、城域网技术标准。其中最广泛使用的是以太网、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的工作组负责
IEEE 802.3：以太网介质访问控制协议（CSMA/CD）以及物理层技术规范
IEEE 802.5：令牌环网的介质访问控制协议以及物理层技术规范
IEEE 802.8：光纤技术咨询组，提供有关光纤联网的技术咨询
IEEE 802.11：无线局域网(WLAN)的介质访问控制协议以及物理层的技术规范
IEEE 802.11
IEEE 802.11是无线局域网通用的标准，它是由IEEE所定义的无线局域网络通信的标准
| 功能 | To Ds | From Ds | Ad1(接收端) | Ad2(发送端) | Ad3 | Ad4 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IBSS | 0 | 0 | DA | SA | BSSID | 未使用 |
| To AP (基础结构型) | 1 | 0 | BSSID | SA | DA | 未使用 |
| From Ap (基础结构型) | 0 | 1 | DA | BSSID | SA | 未使用 |
| WDS (无线分布式系统) | 1 | 1 | RA | TA | DA | SA |
- IBSS：一个服务集内的移动站点不通过基站而直接通信
- To AP：服务集内的移动站点向基站通信
- From AP：服务集内的基站向移动站的通信
- WDS：不同服务集内的两个移动站点之间的通信
无线局域网
分类：
-
有固定基础设施无线局域网
-
无固定基础设施无线局域网的自组织网络
每一台主机都可以充当主机和路由器的功能
MAC子层和LLC子层
IEEE 802标准所描述的局域网参考模型只对应着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子层：**负责识别网络层的协议，然后对它们进行封装。LLC报头告诉数据链路层一旦帧被收到的时候，应该如何处理数据包。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：**负责包括数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别、帧的接收和发送，链路的管理、帧的差错控制等，MAC子层的存在屏蔽了物理链路种类的差异性
以太网
以太网采用的是CSMA/CD技术
以太网在局域网技术中占据统治性地位的原因
- 造价低廉，网卡便宜
- 是应用技术最广泛的局域网技术
- 比令牌环网、ATM网便宜简单
- 满足网络要求的速率：10Mb/s~10Gb/s
以太网的两个标准
- DIX Ethernet V2：第一个局域网产品规约
- IEEE 802.3：IEEE 802委员会IEEE 802.3工作组指定的第一个IEEE的以太网标准
以太网提供的无连接、不可靠服务
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，差错帧由高层负责
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
graph LR
粗同轴电缆--->细同轴电缆--->双绞线+集线器
物理拓扑
graph LR
总线型--->星型
使用集线器的以太网在逻辑上任然是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用的仍然是CSMA/CD协议
以太网的拓扑结构：逻辑上是总线型，物理上是星型
10BASE-T以太网
10BASE-T以太网是传送基带信号的双绞线以太网，T表示的是采用双绞线，现在10BASE-T以太网使用的是无屏蔽双绞线(UTP)，传输速率为10Mb/s
物理上采用星型拓扑，逻辑上采用的是总线型，每段双绞线最长为100M
采用的是曼彻斯特编码
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是的连接是通过通信适配器连接的
在适配器上我们会装上处理器和存储器(RAM和ROM)
ROM：存储有计算机硬件的MAC地址
在局域网中硬件地址又称为物理地址或者MAC地址
MAC地址：每个适配器都有一个全球唯一的48位二进制地址。前24位代表厂家(由IEEE规定)，后24位由厂家自己在指定，通常使用6个十六进制数表示
以太网的MAC帧
最常用的MAC帧采用的是以太网V2的格式
目的地址的类型：
- 单播地址：一个专有的MAC地址
- 广播地址：发送给所有的主机
- 多播地址
类型指
网络层使用的数据协议
数据
数据部分的长度是可变的，范围46B~1500B
1500：MTU，链路层的最大数据传输单元
46B：CSMA/CD协议的最小长度为64B，46=64-6-6-2-4
FCS
CRC的循环帧检验序列
数据链路层的数据到达物理层后，在开头出加帧开始定界符，没有在尾部加帧结束定界符的原因
以太网使用的编码形式位曼彻斯特编码，而曼彻斯特编码的特点就是在每一个比特内都会有两个码元，因此发送数据的过程实际上就是一个电压不断变化的过程，但我们停止发送数据的时候，电压就停止变化，所以发送方在发送完一个码元之后就不会再继续发送数据了，每一个帧在发送结束之后会有一个短暂的间隔，我们可以根据这个间隔来确定发送帧的结束的位置
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
10吉比特以太网在光纤上传送10Gb/s信号。
只支持全双工，无争用问题。