局域网和广域网

IEEE（美国电气电子工程师协会）的经典贡献：有关局域网的 802 系列协议

局域网

局域网的实现遵守 IEEE802 系列协议，如

• 802.3，以太网（总线型）
• 802.5，令牌网（环形）
• 802.11，无限局域网（星形）

802.3 协议

以太网，有线局域网

以太网协议，使用 CSMA-CD 进行访问介质控制，通过广播和 MAC 地址识别进行数据传输

MAC地址长度为 6B，前 24 位表示网卡厂商，后 24 位为网卡编号，都是网卡做出来的时候烧的，唯一

以太网的 MAC 帧格式

• 6 + 6 + 2 + 46~1500 + 4
• 源地址 + 目的地址 + 帧类型 + 数据段 + 校验码（FCS）

最大为 1518B，最小为 64B，这是因为，我们认为有限局域网传输速率为 10Mb/s，争用期为 51.2μs，故

$$L_{min} = 51.2\times10^{-6}\times10^7 = 512b = 64B$$

而最大是因为规定以太网 MAC 帧的数据段最长为 1500

各种传输介质下的以太网特征，需要记忆

在上述介质中，T 表示双绞线，2/5 数字表示同轴电缆（数字越大电缆越粗，段长越长），FL 表示光纤

其他以太网

• 高速以太网：减少站点之间距离，拉高传输速率，保持最短帧长度
• 吉比特以太网（1Gb/s）：可半双工，可全双工，注意在半双工时实际带宽为额定带宽的一半
• 10 吉比特以太网（10Gb/s）：只支持双工通信，无冲突，可以双绞线也可以光纤

注意，所有类型的以太网均在同一广播域，这意味着所有信息都在总线上进行广播，广播的对象甚至包括发送信号的站点自身

802.11 协议

无限局域网

无限局域网协议，使用 CSMA-CA 进行访问介质控制

组成
BSS	基本服务集
AP	Access Point，接入点，需要分配 SSID
DS	分配系统，用于连接不同基本服务集
base station	基站，分为移动的和固定的
ESS	拓展服务集

移动基站的漫游：在一个 ESS 中，基站从一个 BSS 漫游到另一个 BSS，其仍属于同一个 ESS，但接入点 AP 发生改变

802.11 首部（共 30 B）的三地址

分为to AP和from AP两种，通过两个标志位区分，三地址中，第一个地址始终是发送帧的直接站点地址，第二个始终是接收帧的直接站点地址，第三个

• 若为to AP，则为最终的目的 MAC 地址
• 若为from AP，则为发送帧的源物理地址

802.3 帧和 802.11 帧是可以相互转化的，只需要改变首部的一些字段即可，在封装网络层 IP 数据报时，先通过 ARP 协议将其转化为 802.3 帧，再在局域网中封装为 802.11 帧

为什么 802.1Q 使用 CSMA-CA 而不使用以太网的 CSMA-CD 来减少冲突呢？

• 无限局域网的信号弱，碰撞检测（CD）的难度大
• 无限局域网很多站点不能感受到局域网中的所有站点，根本无从进行碰撞检测（这是 CSMA-CD 的必要条件，即不存在隐蔽站）

802.1Q 协议

VLAN，虚拟局域网

一个以太网是一个广播域，即使用交换机将以太网分割开，其仍是一个广播域

虚拟局域网（VLAN）协议，在 802.3 以太网 MAC 帧的基础上加入了长度为 4B 的 VLAN 标签构成 802.1Q 帧（最长为 1522），将局域网从逻辑上分割成若干小的广播域

VLAN 既可以划分冲突域，又可以划分广播域（以太网交换机只可以划分冲突域）

虚拟局域网的划分方法，常有三种

• 基于网卡地址（MAC 地址）划分
• 基于网络层地址（IP 地址）划分
• 基于交换机端口划分

广域网

广域网是因特网（互联网）的核心部分，自然局域网是因特网的边缘部分，注意因特网可以连接不同类型的网络（如局域网、广域网），显然局域网和广域网是做不到的，这不失为因特网和广域网的一大差别

我的理解为，局域网和广域网的复杂网络共同构成了互联网，其中交换机、路由器等设备连接、中转各种网络

相比于局域网，广域网的覆盖范围极大，并且涉及 ISO 网络体系结构的下三层，主要使用的协议在网络层（局域网主要在链路层），这是由网络封装数据时主要所使用的协议决定

广域网解决的重要问题：路由选择和分组转发（同样也是网络层解决的主要问题）

• 都分组转发了，其数据传输一定采用的存储转发式以及分组交换技术

广域网之中，数据最终还是通过比特流传输，一定会经过链路层（和局域网一样，其接收上层的报文，在相应链路层协议下封装成帧，最终通过比特流在物理介质上传输），广域网使用的链路层协议为：PPP 协议和 HDLC 协议

PPP 协议

Point to Point 协议，是一种使用串行线路通信的、全双工的、面向字节的、有连接的链路层传输协议，应用在直接连接的两个结点的链路上

PPP 基于 SLIP 协议，后者只适用于上层使用 IP 协议的网络层数据在链路层的封装

PPP 协议的内容包括三部分

• LCP：链路控制协议，用于链路连接的建立、销毁等
• NCP：网络控制协议，PPP 协议允许同时采用多种网络层协议，NCP 用以适配不同的网络层协议，为网络层协议建立和配置逻辑连接
• 一种成帧方法，即规定 PPP 帧格式

PPP 的帧格式

其中 F 为标志字段，标志帧的开始和结尾，A 为地址字段，C 为控制字段，协议字段标明所使用的网络层协议（前面提到了 PPP 可以兼容不同的网络层协议），FCS 为老朋友校验码，这里占 2B

这里明确指出，PPP 帧的信息部分 SDU 就是上一层的 PDU，即 IP 数据报（报文），回顾一下（n-1 表示封装的前一层）

$$PDU_n = PCI_n + PDU_{n-1}$$

PPP 帧采用首尾字符定界来界定帧，其首尾标志位 7E，即 0111 1110 来表示帧的开始和结束，信息段的 7E 采用转义字符的方式来处理，PPP 帧的转义字符为 7D，则信息段的 7E 则表示为 7D7E

由于 PPP 是点对点的（主机对主机），肯定没有冲突，根本不需要冲突检测/避免，所以没有最短帧限制，自然不需要有信息段大于等于 46B 的限制

可以发现，PPP 帧所有字段都是按照字节来分段，也就是说 PPP 帧的长度一定为整数字节，这也是为什么说 PPP 是面向字节的链路层协议

HDLC 协议

HDLC 是 PPP 协议的基础

已经很少用了捏，是一种面向比特的协议，采用首尾比特串定界法，使用 01111110 来标志帧的开始和结束，信息段对于连续的五个 1 采用 0 比特填充法（即碰到五个连续的 1，则在其后面填充一个 0），以实现透明传输

链路层设备

以太网交换机

Switch

以太网交换机、集线器和虚拟局域网的区别

交换机（Switch）	集线器（Hub）	虚拟局域网技术（VLAN）
隔绝冲突域，不隔离广播域	啥也隔绝不了，纯纯的广播	既隔绝冲突域，又隔离广播域
多端口网桥	多端口中继器	802.1Q 帧

选择 B、D

交换机的带宽：每个端口独占其端口的带宽，交换机的总带宽（总容量）为所有端口带宽之和

• 注意交换机可以是全双工也可以是半双工的，若是半双工的交换机，其总带宽为所有端口带宽和的一半

交换机的自学习算法：维护一个交换表，每当有站点从其相应端口向交换机传入帧时，将其 MAC 地址和对应端口写入交换表，同时根据帧的目的地址先在交换表中寻找对应端口

• 若有，则发送至相应端口
• 若无，则广播除发送端口的所有端口

注意只有传入交换机的站点才写入其端口表项，若已有则更新

这里选择 D，不难看出，这个废物 Hub 啥也不隔离，直接广播所有与其相连的设备（至少在物理上一定是传输过去了，只是会被丢掉），而 Switch 因为 H2 传入过帧，所以在发送确认帧时交换表中有其 MAC 地址对应的表项，直接发送相应端口即可，无需广播

注意这里的交换机的前缀是以太网交换机，是不是意味着还有广域网交换机，这是肯定的，在上面的互联网的概念图中，作为核心部分的各个广域网，就是通过交换机相连接，广域网和局域网通过路由器相连接

遗留了一个问题，为什么是 2^n-1，没看懂