局域网体系与拓扑结构

局域网体系架构

局域网标准由IEEE机构定义，一般数据链路层都是由IEEE进行规范，网络层则由RFC机构进行规范(RFC文档)

数据链路层的2个子层

早期将数据链路层划分为两个子层：

子层名称 缩写 主要功能 关联层
逻辑链路控制子层 LLC 建立、维护和释放逻辑链接，对接网络层，提供与上层的接口 网络层
媒体访问控制子层 MAC 负责封装/解封装帧，介质访问控制（如CSMA/CD），比特差错检测，MAC寻址 物理层

此表概括了数据链路层的两个关键子层及其基本职责，展示了LLC子层如何作为网络层与数据链路层之间的桥梁，而MAC子层则更紧密地与物理层交互，处理数据的物理传输细节。

早期局域网标准

最早的局域网有许多标准：

  • 以太网
  • 令牌总线
  • 令牌环网
  • 光纤环
  • 无线局域网
  • ……

时至今日，随着其他技术淘汰，最常用的就是802.3 CSMA/CD（即以太网）以及802.11 无线局域网（即无线局域网）

802.3与802.11标准的简要对比

以下是关于IEEE 802.3与802.11标准的简要对比表格：

标准 缩写 类型 介质访问控制 (MAC) 适用场景
IEEE 802.3 以太网 有线局域网 CSMA/CD 连接物理有线设备，如PC、交换机、路由器等
IEEE 802.11 无线局域网 无线通信 CSMA/CA 提供无线连接，适用于移动设备、笔记本电脑、智能家居等

说明：

  • CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 是IEEE 802.3以太网标准中采用的介质访问控制方法，适用于有线网络环境。该机制允许设备在发送数据前先监听线路是否空闲，并在检测到冲突时停止发送并等待随机时间重发。

  • CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 是IEEE 802.11无线局域网标准中采用的介质访问控制方法，它在无线环境中由于无法可靠检测冲突，因此侧重于冲突的避免而不是检测。这包括发送前的信道监听、发送前的信号通知（RTS/CTS机制）等策略来减少数据包碰撞的可能性。

这两个标准分别定义了有线以太网和无线局域网的工作方式，是现代局域网通信的基础。

CSMA与监听算法

CSMA/CD简介

CSMA/CD：对总线型、星型和树型拓扑访问控制协议是CSMA/CD，中文译作载波监听多点接入冲突检测，CSMA/CD是**共享型网络中解决冲突的技术**

项目 内容
载波监听 (Carrier Sense) 发送数据前，设备检测介质是否空闲，避免在已有传输时发送数据导致冲突。
多点接入 (Multiple Access) 允许多个设备连接到同一物理介质上，并有机会发送数据。
冲突检测 (Collision Detection) 在发送数据过程中，设备同时监听信号，一旦检测到信号冲突，立即停止发送，并执行退避算法等待随机时间后重试。

注意事项：仅适用于半双工通信，不适用于全双工模式，因为后者无需监听载波或检测冲突。

CSMA基本原理：发送数据之前，先监听信道上是否有人在发送。若有，说明信道正忙，否则说明信道是空闲的，然后根据预定的策略决定:

  • (1) 若信道空闲，是否立即发送(不一定立即发送)；
  • (2) 若信道忙，是否继续监听；

如果连续发生16次碰撞后，认为网络繁忙有问题，就不再尝试发送。

CSMA/CD的3种监听算法(常考前两种)

非坚持型监听算法：后退随机时间

非坚持型监听算法：后退随机时间(发现厕所有人，我回去等半个小时再来)

由于随机时延后退，从而减少了冲突的概率。问题是因为后退而使信道闲置一段时间，这使信道的利用率降低，而且增加了发送时延。

1-坚持型监听算法：继续监听，不等待

1-坚持型监听算法：继续监听，不等待(发现厕所有人，就在厕所门口等着即监听厕所状态)

有利于抢占信道，减少信道空闲时间。信道空闲就马上发，但是多个站同时都在监听信道时必然会发生冲突。冲突概率和利用率都高(双高)

P-坚持型监听算法

P-坚持型监听算法：若信道空闲并不马上发，而是以概率P发送，以概率(1-P)延迟一个时间单位，P大小可调整。

3种监听算法对比

以下是三种监听算法（非坚持型、1-坚持型、P-坚持型）的对比表格：

监听算法类型 行为描述 优点 缺点
非坚持型 发现信道忙，后退随机时间再监听 减少冲突概率 - 信道利用率低
- 增加发送时延
1-坚持型 发现信道忙，继续监听直至空闲立即发送 - 减少信道空闲时间
- 快速响应空闲信道		 - 冲突概率高
- 是多个站同时都在监听信道时必然会发生冲突。冲突概率和利用率都高(双高)
- 信道利用率不稳定（可能很高也可能很低）
P-坚持型 信道空闲时以概率P发送，以概率(1-P)等待 - 平衡冲突与利用率
- 灵活性高，通过调整P值优化性能		 - 实现复杂度相对较高
- 需要合理设置P值以达到最佳效果

CSMA/CD的冲突检测机制(偶尔考察)

载波监听只能减小冲突的概率，不能完全避免冲突。当两个帧发生冲突后，若继续发送，将会浪费网络带宽。为了改进带宽利用率，发送站应采取边发边听的冲突检测方法，即:

==///////==

(1) 发送期间同时接收，并把接收的数据与站中存储的数据进行比较。

(2) 若比较结果一致，说明没有冲突，重复(1)。

(3) 若比较结果不一致，说明发生了冲突，立即停止发送，并发送一个简短的干扰信号(Jamming)，使所有站都停止发送。

(4)发送Jamming 信号后，等待一段随机长的时间，重新监听，再试着发送。

==///////==

以太网帧结构与物理层

以太网的帧结构

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字段 大小（字节） 描述
前导字段 (Preamble) 7 56位，用于接收同步，不计入帧长
帧开始标识 (SOF) 1 8位，帧起始标志，不计入帧长
目的MAC地址 (DMAC) 6 接收方的物理地址
源MAC地址 (SMAC) 6 发送方的物理地址
类型/长度字段 2 - 指示上层协议类型或数据长度
- 作上层协议类型标识时，如0x0800表示IPv4，0x0806表示ARP
数据字段 46-1500 封装的网络层数据包如IP数据包，少于46字节需填充
填充 (如果需要) 可变 确保数据字段至少46字节
帧校验序列 (FCS) 4 CRC-32循环冗余校验，检测错误
最小帧长 64(6+6+2+46+4=64) 包含所有计算在内的最小长度
最大帧长 1518(6+6+2+1500+4=1518) 包含所有计算在内的最大长度

注释：

  • 前导字段和帧开始标识虽然不计入帧长计算，但对帧的正确接收至关重要。
  • 数据字段的长度必须满足最小46字节的要求，通过填充实现。
  • 最大帧长限制了单个帧所能携带的数据量，以避免网络拥塞和效率降低。
  • FCS提供了数据完整性检查，确保数据在传输过程中未受损。

以太网标准

以太网标准的命名规范

物理层介质命名规范： <传输速率Mbps><信号方式><最大传输距离（百米)或介质类型>

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  • 100：表示传输速率为100Mbps
  • BASE：表示信号方式为基带传输，即传输的是数字信号。Broad为宽带传输，传输的是模拟信号
  • T：若为字母表示介质类型，T为双绞线，F为光纤；若为数字表示传输距离，单位是[百米](上面表格中1Bases5是一个特例)。

虚拟局域网

虚拟局域网简介

  • 虚拟局域网(Virtual Local Area Netwok，VLAN)
  • 根据管理功能、组织机构或应用类型对交换局域网进行分段而形成的逻辑网络
  • 虚拟局域网工作站可以不属于同一物理网段，任何交换端口都可以分配给某个VLAN,属于同一VLAN的所有端口构成一个广播域。
  • 不同VLAN通信必须经过三层设备（路由器、三层交换机、防火墙等)

冲突域和广播域

VLAN的划分方式

划分方式 描述
基于端口 最简单直接的方式，根据交换机的物理端口来划分VLAN成员。同一VLAN内的端口共享一个广播域。
基于MAC地址 根据连接设备的MAC地址来划分VLAN，允许设备在物理位置变化时保持VLAN成员身份。
基于策略 依据网络策略或规则来划分VLAN，如安全策略、访问控制需求等，提供灵活的网络管理。
基于协议 按照网络层协议类型来组织VLAN，适用于希望根据特定应用或服务分离流量的网络环境。

此外，还有其他提及的划分方式，为了完整性，可以补充如下：

划分方式 描述
基于IP子网 利用设备的IP地址及其子网掩码来划分VLAN，适合IP地址规划与VLAN结构紧密结合的场景。
基于组播 依据IP组播组来定义VLAN成员，适用于需要支持多播服务且成员分布广泛的网络。

这些划分方式各有优势，选择合适的划分方式需根据实际的网络需求、管理便捷性以及安全考虑来决定。

VLAN的作用

VLAN优势 描述
控制网络流量 - 限制VLAN内广播通信跨VLAN传播，有效控制广播风暴。
- 减少冲突域，提升网络带宽的有效利用。
提高网络安全性 - 通过VLAN间路由配置实施广播过滤，增强安全防护。
- 限制不同VLAN间的直接通信，为网络增加额外安全层。
- 便于实施流量控制策略，维护网络安全稳定。
灵活的网络管理 - 允许根据管理需求灵活划分工作组，不局限于物理位置。
- MAC地址为基础的VLAN划分支持用户在任何接入点保持原有VLAN成员身份，促进移动办公。
- 简化网络结构调整，提升管理效率和响应速度。

交换机VLAN的划分

VLAN划分方式 类型 描述
基于交换机端口 静态划分 最常用的VLAN划分方法，根据交换机物理端口分配VLAN，实现固定端口到VLAN的映射。适用于已知固定设备布局的网络环境。
(日常使用最多，比如将交换机的一些端口划分为一个VLAN)
基于MAC地址 动态划分 根据设备的MAC地址自动将其加入相应的VLAN，支持用户在物理位置变动时保持VLAN成员身份不变，适合移动办公环境。
(提前录制好MAC地址，将张三、李四的MAC地址分别划分在不同VLAN)
基于策略 动态划分 依据预设的网络策略（如安全策略、访问控制列表ACL）动态分配VLAN，适用于需要灵活策略控制的复杂网络，如校园网按用户角色划分VLAN。
(校园网常用如学生在一个VLAN，老师在一个VLAN)
基于网络层协议 动态划分 按照设备使用的网络层协议（如IPv4、IPv6）来划分VLAN，适用于需要隔离不同协议流量的网络架构。
基于网络层地址（IP地址） 动态划分 根据设备的IP地址及其子网划分VLAN，适合于IP地址规划与VLAN划分紧密结合的场景，提供更细致的网络分段。

交换机的端口类型

接口类型 描述 应用场景
Access接口 仅允许单个VLAN的数据通过。
通常连接终端设备如PC、打印机、摄像头等。		 终端设备接入层，确保设备只属于并能通信于单一VLAN。
Trunk接口 允许多个VLAN的数据通过，携带所有VLAN信息或指定VLAN集。
主要应用于交换机间的连接，实现VLAN间通信。		 交换机互联，构建多VLAN网络的主干链路。
Hybrid接口 结合Access和Trunk特性，可灵活设置对特定VLAN的透传或 Untag处理。
提供比Access更灵活的VLAN策略控制。		 需要更细致VLAN控制的网络环境，如同时连接终端与其它交换机。

注意：添加和删除VLAN标记VID的过程是由交换机中的专用硬件自动实现的，处理速度很快，不会引入太大的延迟。(如一个PC的流量进到交换机口要为该数据打上VLAN标签)

802.1Q VLAN标签的标准(重点，经常考)

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若交换机的一个接口被划入VLAN 10，那么该接口流量进入交换机时，接口为数据打上一个Tag标签，这个Tag称之为802.1Q，该标签有**4个字节(32位)**长度，具体内容如下表所示：

Tag字段 长度（bits） 描述
TPID (Tag Protocol Identifier) 16 协议标识符，固定值8100（十六进制），表示这是一个802.1Q标签帧。
Priority 3 优先级字段，用于QoS服务质量，共8个优先级等级（0-7），决定数据帧在网络中的传输优先权。
CFI (Canonical Format Indicator) 1 格式指示位，用于区分MAC地址的格式，0表示规范格式，1通常用于令牌环网络。
VID (VLAN Identifier) 12 VLAN标识符字段，范围从1到4094，用于区分不同的VLAN，用户不可用VID为0和4095。

备注：

  • VLAN ID的有效范围理论上为0-4095，但VLAN 0和VLAN 4095被保留，实际可用VLAN数量为4094个。
  • VLAN 0通常保留用于默认VLAN或Native VLAN，VLAN 4095可能用于特殊协议或预留。

生成树协议

城域网基础

城域网技术是运营商搭建网络使用，考察较少

802.1ad QinQ技术

  • E-LAN基本技术是802.1Q的VLAN帧标记，双层标记，打了两层VLAN标签，这种技术被定义为IEEE 802.1ad，也称为QinQ技术
  • QinQ实际是把用户VLAN嵌套在城域以太网的VLAN中传送

如图所示

  • C-VID即Customer-VID，客户端VLAN的ID
  • S-VID即运营商VLAN的ID
  • 图中两个用户相当于在同一个VLAN之下

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802.1ah MAC-IN-MAC技术

  • 另一种城域网技术IEEE802.1ah，也成为PBB，也叫MAC-IN-MAC技术，实际上是在用户的MAC地址之前，再封装一层MAC地址

章节总结

  • 802标准：802.3以太网 802.11无线局域网WLAN
  • CSMA/CD：以太网介质访问控制协议，原理:先听后发，边听边发，若有冲突，立即停止
  • 监听算法：非坚持型，1-坚持型(双高)，P-坚持型
  • 最小帧长：$L_{min}=2R * \frac{d}{v}$
  • MAC帧结构，以太网传输介质，VLAN技术，STP计算过程
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