基本概念
局域网(LAN)
局域网(LAN)是指：由两个或两个以上相连的计算机组成，通常包含在较小地理区域内的网络。
特点：
- 网络为一个单位所拥有；
- 地理范围和站点数目均有限。
优点：
- 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
- 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
- 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。
拓扑结构
以太网
以太网的两个标准
- DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。
- IEEE 802.3 是第一个 IEEE（电气电子工程师学会） 的以太网标准。
DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。
严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 。
为了通信的简便，以太网采取了两种重要的措施：
-
采用较为灵活的无连接的工作方式
不必先建立连接就可以直接发送数据。 -
对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。
这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。
也就说：
-
以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。
-
当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。
-
如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。
数据链路层的两个子层
为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，IEEE 802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：
-
逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层
(可以不实现，而且一般不考虑，很多厂商的适配器上没有LLC协议) -
媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层
数据链路层 == MAC子层
数据链路帧 == MAC帧
硬件地址 == MAC地址
与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关。
不管采用何种协议的局域网，对 LLC 子层来说都是透明的。
适配器(网卡)
网络接口板又称为通信适配器 (adapter) 或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。
是使计算机能和局域网进行通信的 设备。
功能:
-
实现物理层和数据链路层的各种协议
-
进行串行/并行转换
cpu是并行通信，局域网是串行通信；网卡需要转化。 -
对数据进行缓存。
用于实现各种转换 -
在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
-
实现以太网协议。
注意：适配器功能全靠硬件实现
共享信道带来的问题
问题：若多个设备在共享的广播信道上同时发送数据，则会造成彼此干扰，导致发送失败。
媒体共享技术
物理层--静态划分信道
频分复用，时分复用
波分复用，码分复用
特点： 贵，因此多用于主干道。
数据链层--动态媒体接入控制（多点接入）
-
随机接入
以太网采用 -
受控接入 ，如多点线路探询 (polling)，或轮询。
总线连接的以太网
最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。
易于实现广播通信。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。
缺点
若多台计算机或多个站点同时发送时，会产生发送碰撞或冲突，导致发送失败。
因此需要解决冲突的算法。
CSMA/CD 协议
CSMA/CD 协议作用：
避免和解决 随机接入引起的冲突。
CSMA/CD 含义： 载波监听 多点接入 / 碰撞检测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 。
-
“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。
-
“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。
载波监听方式
总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。
- “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。
碰撞检测方式
当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。
当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。
所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。
在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。
-
- 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。
CSMA/CD 协议工作流程
争用期
以太网两倍的端到端往返时延 \(2r\) （/2陶/） 称为争用期，或碰撞窗口。
作用：
经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
计算原理:
将某段总线的最远的两台计算机，单程端到端的传播时延记为 \(r\)
设A发送信号，那么
-
A最早知道信息冲突的时间是：冲突在A附近
此时，时间是接近于0 -
A最晚知道是时间是：冲突在B附近
此时，时间接近于\(2r\)
信号\(A \to B\) 时间为\(r\),信号\(B \to A\) 时间也为\(r\)
最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 \(2r\) （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。
最短有效帧长
10 Mbit/s 以太网争用期的长度
10 Mbit/s 以太网取 \(51.2 μs\) 为争用期的长度。
对于 10 Mbit/s 以太网，在争用期内可发送 512 bit，即 64 字节。
这意味着：
以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。
由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。
因此
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。
解释：
如果有数据小于64字节，将在还没有结束争用期，就发送完成-->停止碰撞检测
如果数据在后面的时间发生冲突，发送端也检测不到，认为数据已经发送成功。
退避算法
二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type)
发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。
-
基本退避时间取为争用期 \(2r\) 。
-
从整数集合 \([0, 1, … , (2k - 1)]\)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。
-
参数 k 按下面的公式计算：
\(k = Min[重传次数, 10]\) -
当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。
人为干扰信号
发送站检测到冲突后，会立即停止发送数据帧，并立刻发送干扰信号。
目的： 通知附近的机器有冲突。
CSMA/CD 协议工作流程
使用集线器的星形以太网
传统以太网传输媒体：粗同轴电缆\(\to\)细同轴电缆\(\to\)双绞线。
采用双绞线的以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器 (hub)。
星形以太网 10BASE-T
1990 年，IEEE 制定出采用双绞线的星形以太网 10BASE-T 的标准 802.3i。
特点：
-
速率为 10 Mbit/s
-
使用无屏蔽双绞线，采用星形拓扑。
每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。 -
集线器使用了大规模集成电路芯片，因此集线器的可靠性提高。
限制：
- 站点到集线器的距离不超过100m
- 逻辑上还是总线网，还是半双工等
优点
成本低，可靠性高。
是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。
。 具有很高的性价比。
集线器
集线器是模拟实际电缆线的工作的电子器件。
注意：
-
使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。
-
集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。
总线型和集线器组网的特点
-
集线器是广播方式
-
属于物理层
-
逻辑上还是总线方式
-
因此还是半双工，不能有两个站点同时发送数据，
-
共享带宽
比如上面的集线器，每个口都是10m/s，同时发送数据，他们平均传输速率是\(\frac{10}{3}\). -
广播域 和 碰撞域是整个网络
碰撞域（collision domain）又称为冲突域，是指网络中一个站点发出的帧会与其他站点发出的帧产生碰撞或冲突的那部分网络。
碰撞域越大，发生碰撞的概率越高。
以太网的信道利用率
以太网的 MAC 层
MAC 层的硬件地址
在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。
cmd查看mac地址命令
ipconfig /all
注意
-
如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器，那么这样的主机或路由器就有多个“地址”。
-
MAC 地址被固化在适配器的 ROM
IEEE 802 标准规定 MAC 地址字段可采用：
- 6 字节 ( 48位)
- 2 字节 ( 16 位)
这两种中的一种，一般采用48位。
48 位的 MAC 地址
48 位的 MAC 地址分为两部分：
-
前24位 - 组织唯一标识符
（IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段） -
后24位 - 扩展唯一标识符
（由厂家自行指派，必须保证生产出的适配器没有重复地址。）
因此，一个地址块可以生成 \(2^24\) 个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是 EUI-48。
单站地址，组地址，广播地址
IEEE 规定地址字段的第一字节的最低位为 I/G 位。I/G 表示 Individual / Group。
-
当 I/G 位 = 0 时，地址字段表示一个单站地址。
-
当 I/G 位 = 1 时，表示组地址，用来进行多播（以前曾译为组播）。此时，IEEE 只分配地址字段前三个字节中的 23 位。
当 I/G 位分别为 0 和 1 时，一个地址块可分别生成 223 个单个站地址和 223 个组地址。
- 所有 48 位都为 1 时，为广播地址。只能作为目的地址使用。
适配器检查 MAC 地址
检查三个部分
- 地址
- 冗余码
- 整体长度
MAC 帧的格式
常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准：
- DIX Ethernet V2 标准
- IEEE 的 802.3 标准
最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。
以太网 V2 的 MAC 帧格式
-
目的地址字段 6 字节
-
源地址字段 6 字节
-
类型字段 2 字节
类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，
以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。 -
数据字段 46 ~ 1500 字节
数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段。
最小长度 64 字节 - 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度（46字节）
当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。 -
FCS 字段 4 字节
当传输媒体的误码率为 1x10-8 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 1x10-14 。
注意:
为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节
在帧的前面插入（硬件生成）的 8 字节中，
- 第一个字段共 7 个字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。
- 第二个字段 1 个字节是帧开始定界符，表示后面的信息就是 MAC 帧。
无效的 MAC 帧
- 数据字段的长度与长度字段的值不一致；
- 帧的长度不是整数个字节；
- 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；
- 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
- 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。
帧间最小间隔
帧间最小间隔为 \(9.6μs\)，相当于 96 bit 的发送时间。
一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 \(9.6μs\) 才能再次发送数据。
这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。
扩展的以太网
在物理层扩展以太网
使用光纤扩展
主机使用光纤（通常是一对光纤）和一对光纤调制解调器连接到集线器。
很容易使主机和几公里以外的集线器相连接。
使用集线器扩展： 将多个以太网段连成更大的、多级星形结构的以太网。
优点
使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
扩大了以太网覆盖的地理范围。
缺点
碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。
交换机组网
扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行,早期使用网桥，现在使用以太网交换机。
网桥：用于连接不同的局域网
工作在数据链路层。
它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。
当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或把它丢弃。
交换机（以太网交换机）：实质上就是一个多接口的网桥。
交换式集线器 (switching hub)交换式集线器常称为以太网交换机 (switch) 或第二层交换机 (L2 switch)，强调这种交换机工作在数据链路层。
通常都有十几个或更多的接口。每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。
注意：
-
以太网交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
-
以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
-
以太网交换机使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。
-
以太网交换机的性能远远超过普通的集线器，而且价格并不贵。
交换机的两个功能/工作方式：
- 取目的Mac地址，查表转发
- 自学习，建立更多交换表
自学习算法
自学习算法例子：
开始时，交换表是空的
A 先向 B 发送⼀帧。
- 该帧从接⼝ 1 进⼊到交换机。
- 交换机收到帧后，先查找交换表。没有查到应从哪个接⼝转发这个帧给 B。
- 交换机把这个帧的源地址 A 和接⼝ 1 写⼊交换表中。
- 交换机向除接⼝ 1 以外的所有的接⼝⼴播这个帧。
- 由于与该帧的⽬的地址不相符，C 和 D 将丢弃该帧
注意： 不将目的地址及其端口写入交换表
有交换表后，B 向 A 发送⼀帧。
- 该帧从接⼝ 3 进⼊到交换机。
- 交换机收到帧后，先查找交换表。
-
- 没有源地址，交换机把这个帧的源地址 B 和接⼝ 3 写⼊交换表中。
-
- 发现交换表中的 MAC 地址有目的地址 A，表明要发送给A的帧应从接⼝1转发出去。于是就把这个帧传送到接⼝ 1 转发给 A。
注意：
- 考虑到可能有时要在交换机的接⼝更换主机，或者主机要更换其⽹络适配器，这就需要更改交换表中的项⽬。为此，在交换表中每个项⽬都设有⼀定的有效时间。过期的项⽬就⾃动被删除。
以太⽹交换机的这种⾃学习⽅法使得以太⽹交换机能够即插即⽤，不必⼈⼯进⾏配置
交换机自学习和转发帧的步骤
如果跨交换机传输，怎么处理：
假设：C 向 E 发送了一帧后，S1 和 S2 的交换表内容分别是什么？
开始时，交换表是空的
C 向 E 发送了一帧
-
该帧从S1的接⼝ 2 进⼊到交换机。
-
交换机收到帧后，先查找交换表。没有查到应从哪个接⼝转发这个帧给 B。
-
S1交换机把这个帧的源地址 C 和接⼝ 2 写⼊S1交换表中。
-
S1交换机向除接⼝ 1 以外的所有的接⼝⼴播这个帧。
-
由于与该帧的⽬的地址不相符，A、B 和 D 将丢弃该帧，交换机S2收到消息，
-
S2交换机把这个帧的源地址 C 和接⼝ 5 写⼊S2交换表中。
-
S2交换机向除接⼝ 5 以外的所有的接⼝⼴播这个帧。
-
由于与该帧的⽬的地址不相符，F、G 和 H 将丢弃该帧，E收到消息，
交换机组网的特点：
-
点对点和广播结合
表中有数据点对点，表中无数据广播 -
工作在数据链层（物理层也有）
-
交换式（查表转发），全双工
可以同时允许两个及以上主机，同时发送数据。 -
独占带宽
-
广播域是整个网络，碰撞域：无（没有碰撞）。
回路 - 生成树协议STP
交换机组网存在的问题： 回路。
要点：
不改变⽹络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从⼀台主机到所有其他主机的路径是⽆环路的树状结构，从⽽消除了兜圈⼦现象。
（交换机自动运行，不会中断此次通讯）
广播风暴 - 虚拟局域网
以太网的主要问题：
-
广播风暴
将网络分割，隔离广播域 -
安全问题（病毒，网络攻击）
-
管理困难 等
通过虚拟局域网技术可以解决上面问题。
定义
IEEE 802.1Q 对虚拟局域网 VLAN 的定义：
虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机是属于哪一个 VLAN。
注意：
- 利用以太网交换机就可以实现 VLAN，因此属于数据链层技术
- 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。
实现方法：
管理员通过配置的方式，将端口分类
和不使用VLAN交换机的区别
-
改变帧结果
在接口处，插入802.1Q标记
-
交换表改变，查表方式改变
增加一列VID
高速以太网
速率达到或超过 100 Mbit/s 的以太网称为高速以太网。
变：
以太网的提升到10G之前的主要原因是:改变物理层的编码方式。
不变：
- 帧格式和最小帧长没有改变
100BASE-T 以太网
100BASE-T 在双绞线上传送 100 Mbit/s 基带信号的星形拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的 CSMA/CD 协议。
100BASE-T 以太网又称为快速以太网 (Fast Ethernet)。
1995 年IEEE已把 100BASE-T 的快速以太网定为正式标准，其代号为 IEEE 802.3u。
特点：
-
可在全双工方式下工作而无冲突发生。在全双工方式下工作时，不使用 CSMA/CD 协议。
但是也兼容半双工，如果硬件不支持全双工，则使用半双工，需要使用 CSMA/CD 协议 -
MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。
（一般帧格式不会改变，且向下兼容） -
保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 米。
-
帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在的 0.96 s 。
（帧间间隔的定义未变）
吉比特以太网
允许在 1 Gbit/s 下以全双工和半双工两种方式工作。
使用 IEEE 802.3 协议规定的帧格式。
特点：
- 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议，全双工方式不使用 CSMA/CD 协议。
- 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。
- 吉比特以太网可用作现有网络的主干网，也可在高带宽（高速率）的应用场合中。
使用两种成熟的技术：一种来自现有的以太网，另一种则是美国国家标准协会 ANSI 制定的光纤通道 FC (Fiber Channel)。
半双工工作方式(不使用了）
吉比特以太网工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。
为保持 64 字节最小帧长度，以及 100 米的网段的最大长度，吉比特以太网增加了两个功能：
- 载波延伸 (carrier extension)
- 分组突发 (packet bursting)
载波延伸
使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼容性），同时将争用时间增大为 512 字节。
凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC 帧的发送长度增大到 512 字节。接收端在收到以太网的 MAC 帧
后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。
分组突发
当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用载波延伸方法进行填充，随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。
全双工工作方式
当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。
10吉比特以太网和更快的以太网
10吉比特以太网
并非把吉比特以太网的速率简单地提高到 10 倍，
其主要特点有：
-
与 10 Mbit/s、100 Mbit/s 和 1 Gbit/s 以太网的帧格式完全相同。
-
保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。
-
不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。
现在也支持铜线和双绞线 -
只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。
10G以太网开始可以用于广域网。
端到端的以太网传输
以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。
这种工作方式的好处有：
技术成熟；
互操作性很好；
在广域网中使用以太网时价格便宜；
采用统一的以太网帧格式，简化了操作和管理。
使用以太网进行宽带接入
IEEE 在 2001 年初成立了 802.3 EFM 工作组，专门研究高速以太网的宽带接入技术问题。
以太网宽带接入具有以下特点：
可以提供双向的宽带通信。
可以根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。
可以实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率且降低了传输的成本。
但是不支持用户身份鉴别。
PPPoE (PPP over Ethernet)
的意思是“在以太网上运行 PPP”，它把 PPP 协议与以太网协议结合起来 —— 将 PPP 帧再封装到以太网中来传输。
现在的光纤宽带接入 FTTx 都要使用 PPPoE 的方式进行接入。在 PPPoE 弹出的窗口中键入在网络运营商购买的用户名和密码，就可以进行宽带上网了。
利用 ADSL 进行宽带上网时，从用户个人电脑到家中的 ADSL 调制解调器之间，也是使用 RJ-45 和 5 类线（即以太网使用的网线）进行连接
的，并且也是使用 PPPoE 弹出的窗口进行拨号连接的。