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　　第七章 局域网 本章知识点 局域网的发展史 局域网的拓扑结构 以太网的工作原理、CSMA/CD协议、MAC地址、争用期、最短帧长 以太网的帧格式 组建以太网 VLAN 局域网的产生与发展 20世纪60年代末，局域网先驱：ALOHA无线年代：以太网（Ethernet）技术产生。 20世纪80年代：令牌环，FDDI技术产生，IEEE的802委员会提出802系列标准。 最终，以太网在竞争中取得了统治地位。 局域网的拓扑结构 局域网中常见的拓扑结构有总线型、星型和环形三种 。 局域网的体系结构 局域网是一种通信网络，只涉及的OSI模型中的数据链路层和物理层，不涉及高层的内容。 IEEE的802委员会将局域网分为两个子层：MAC子层和LLC子层。 MAC子层主要用来解决多个节点如何使用共享介质的问题。 数据链路层中与媒体接入无关的部分都集中在LLC子层，其主要功能是：数据链路的建立和释放、LLC帧的封装和拆卸、差错控制、提供与高层的接口等。 局域网的体系结构 以太网 1972年以太网刚刚产生时，速度仅有2.94Mbps。 1982 DIX v2版本的推出，以太网的速度已经提高到了10Mbps。 1995年出现了100Mbps以太网标准和产品，1998年又推出了吉比特以太网标准，2002年6月10吉比特以太网标准也正式推出。 以太网已经成为占统治地位的局域网技术。 以太网的基本工作模型 最初的以太网是一个总线型的网络，任何一个主机发出的信号，都能被网络中其他所有的主机收到。 需要解决的问题 冲突问题：两台主机同时使用网络会发生冲突。 寻址问题 ：如何在广播式的网络完成一对一通信。 MAC地址 每个以太网卡有一个全球唯一的地址，这个地址固化在网卡的ROM里，称为MAC地址或物理地址。以太网中的每一个主机可以由MAC地址唯一地确定。 MAC地址共48比特，6字节。前三个字节代表的是生产厂商的编号，后三个字节代表的是网卡的编号。 MAC地址 在发送数据时，以太网的帧首部写入目的主机的MAC地址。 主机收到数据帧后，首先检查帧首部的目的MAC地址，如果是发给自己的，就接收数据帧，否则将数据帧丢弃。 CSMA/CD协议 以太网使用载波监听多路访问／冲突检测协议（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）来解决总线使用权的问题 ，处理网络中产生的冲突问题。 首先网络中的每个节点都能访问总线，通过总线发送数据，称为多路访问。 CSMA/CD协议 在发送数据前，节点需要先“听”一下总线上是否有数据信号，这个过程称为载波侦听。 如果检测到有数据信号，节点便等待直到总线空闲。如果“听”到总线没有数据信号，那么节点就将数据帧发送出去。 在发送数据帧的同时，还需要继续监听总线，检测是否发生了冲突，称为冲突检测。 如果检测到了冲突，就马上停止数据发送。等待一个随机的时间后，再次重发。 争用期和最短帧长 一个节点检测到总线空闲后，开始发送数据，其后可能会遇到冲突。 从开始发送数据，到检测到冲突，这段时间是不确定的，最长的是信号在总线上走一个来回的时间，这个时间称为争用期。 如果在争用期内没有检测到冲突，以后也不会有冲突产生了。 在以太网中，争用期＝2倍总线长度/信号的传播速度。 争用期和最短帧长 10Mbps以太网的总线μs。 一个站点需要在争用期内始终在发送数据，这样才能及时检测到自己帧的冲突。 对于10Mbps的以太网，所以最短的帧长是10Mb/s*51.2μs=512bit（64字节）。 截断二进制后退指数算法 以太网使用截断二进制后退指数算法来计算冲突后等待的时间。 定义一个参数k，表示冲突的次数。第一次冲突时，k的值为1。以后每冲突一次，k的值就加1。当冲突次数超过10次时，k的值始终为10，不再自增。即k＝Min［冲突次数，10］。 截断二进制后退指数算法 每次冲突后，从[0，1，2，4…, 2k ?1]中随机选择一个数字r，r*2t就是需要等待的时间，其中2t是争用期。 如果重传16次仍然冲突，就丢弃数据，向高层报告。 冲突的次数越多，下一次r的选择范围就会越大，r的选择范围会呈指数级的增长，这样两个站点选择到同一个r的可能性就会越小，再次冲突的可能性就会越小。 以太网的帧格式 现在主流的以太网帧格式是DIX V2标准的帧格式。 以太网的帧格式 目的地址字段占6字节，指明接收方的MAC地址。 源地址字段占6字节，表示发送方的MAC地址 。 类型字段占两字节 ，指明所封装的高层协议数据的类型。 数据字段存放高层的协议数据单元，其中最常用的是IP数据报 。数据字段的最短长度是46字节，最大值是1500字节。 CRC校验和用来检查帧传递过程中发生的错误。如果CRC校验出错，那么接收方就丢弃这个帧。 以太网的性能和提供的服务 以太网在轻负载下面工作得很好。在重负载下（在以太网上，超过30％的利用率就认为是重负载），冲突会浪费掉大量的网络带宽。 以太网向高层提供的是无连接的服务，向高层提供的是不可靠的通信服务，它只会去尽力投递。 如果出现了帧丢失的情况，高层应该负责检测出这些错误，并将数据交给以太网重发，以太网不会意识到这是以前发送过的数据，它会认为这是高层交给它的新数据。 以太网的性能和提供的服务 以太网是一个简单的局域网络，容易实现和管理。 在局域网络中线路状况都比较好，出错概率很低的情况下，以太网能够比较好地工作，也能适合于高效率的传输数据。 组建以太网 组建以太网需要 网卡 通信介质 局域网连接设备 网卡 网卡主要完成数据链路层和物理层的功能： 帧的封装与解封装。接收高层的数据，将其封装成帧；收到一个帧后，如果是发给自己的，去掉帧的首部和尾部，将数据交给高层协议。 实现介质访问协议。主要是实现CSMA/CD协议。 对数据进行编码和译码。即用什么样的信号表示0和1的问题。 通信介质 通信介质是信号传递的物理基础 。 最早的以太网是总线拓扑，采用粗同轴电缆，称为10Base5。后来改为细同轴电缆，称为10Base2。 20世纪90年代，出现了使用双绞线作为传输介质的以太网，称为10Base-T ，物理拓扑上采用星形结构，使用了集线器。 局域网设备 主要的局域网设备有集线器和交换机。 主机将帧发给集线器后，集线器会将这个帧以广播的方式发送给其他所有的主机。 集线器不能识别数据帧的格式和内容，它做的就是将表示这个帧的电信号发送给其他所有的主机。 集线器是工作在物理层上的设备，用集线器连接起来的局域网中所有主机要共享集线器的带宽。 局域网设备 交换机是工作在数据链路层的设备。 交换机收到一个数据帧后，能够识别出这个帧的结构，根据帧的目的地址，将这个帧转发到对应的某个端口上去，而不是广播到其他所有的端口。 在每个交换机内部都维护有一张表，这个表记录了交换机上每个端口所连接主机的MAC地址信息，交换机根据这个表来把数据帧转发到正确的端口上。 交换机 冲突域和广播域 在一个集线器连接的局域网中，一个时刻只能有一台主机发送数据，如果有两台主机同时发送就会产生冲突，所以一个集线器都是一个冲突域。 当一个主机发出一个广播帧（目的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF）时，这个帧所能达到的区域就是一个广播域。 冲突域和广播域 对于集线器，广播域和冲突域是重合的。 对于交换机而言，如果收到一个广播帧，交换机会将这个帧转发给其他所有的主机，所以一个交换机是一个广播域。 交换机有多个冲突域，每个端口是一个冲突域。 VLAN 随着局域网的范围在不断扩大，广播域也在不断地扩大，随之带来了“广播风暴” 问题。 虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）为解决以太网的广播风暴问题和安全性而提出的一种技术。 VLAN 通过在交换机上做特定的设置，将属于一个局域网的主机分成若干个小组，每个小组就是一个VLAN，有一个VLAN标识。 一个VLAN是一个逻辑广播域，一个广播帧只在某个VLAN范围内传递，不会传递到其他的VLAN上。利用VLAN可以有效地在交换机上分割广播域。 VLAN VLAN的优点 控制广播风暴 提高网络整体安全性 网络管理简单、直观 划分VLAN 基于端口 基于MAC地址 基于网络层 根据IP组播划分VLAN VLAN标准 1996 年3 月, IEEE 802委员会完成了VLAN 初期标准的制定, 提出了802. 1Q。 虚拟局域网的帧格式 三层交换 不同VLAN之间主机不能直接通信，需要路由器转发，这会大大增加路由器的负担，会使路由器成为网络传输的瓶颈。 第三层交换技术，它是将路由技术与交换技术合二为一的技术。三层交换机集路由与交换于一身，在交换机内部实现了路由 ，消除了进行路由选择而造成网络的延迟，提高了数据包转发的效率，提升了网络的整体性能。 高速以太网 百兆以太网：802.3u ，100BASE-T ，支持100Mb/s的数据传输速率，并且支持共享式与交换式两种使用环境，在交换式以太网环境中可以实现全双工通信。 高速以太网 千兆以太网 ：802.3z,与10Base-T和100Base-T保持兼容 ,支持半双工和全双工两种工作方式，在半双工下采用CSMA/CD协议。千兆以太网可与10M或100M的以太网很好地配合工作 。 高速以太网 万兆以太网：802.3ae ，万兆以太网的帧格式与10Mbps，100Mbps和1Gbps以太网的帧格式完全相同。 万兆以太网不能使用铜线而只能使用光纤作为传输媒质。 万兆以太网不再支持半双工数据传输，所有数据传输都以全双工方式进行，因此不存在争用问题，也不使用CSMA/CD协议。 无线局域网 无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)是20世纪90年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物。 它利用射频（RF）技术，使用无线信道来接入网络。 无线局域网安装简便，经济节约，并且易于扩展。 无线n 无线局域网设备 无线网卡 无线访问接入点（Access Point，AP） 无线路由器 无线局域网结构 无中心网络 无线局域网结构 结构化网络 MACD 4 MACC 3 MACB 2 MACA 1 站地址 端口

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