[嵌入式]计算机网络——第三章 数据链路层(Part Ⅲ)——局域网

局域网

$$局域网\{\begin{array}{l}有线局域网常用介质：双绞线、同轴电缆、光纤\\ 无线局域网常用介质：电磁波\end{array}$$

局域网的基本概念和体系结构

• 局域网(Local Area Network)：简称LAN，是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，使用广播信道

• 特点：
  ①覆盖的地理范围较小，只在一个相对独立的局部范围内联，如一座或集中的建筑群内
  ②使用专门铺设的传输介质(双绞线、同轴电缆)进行联网，数据传输速率高(10Mb/s～10Gb/s)
  ③通信延迟时间短，误码率低，可靠性较高
  ④各站为平等关系，共享传输信道
  ⑤多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播

• 局域网的特性主要由三个要素决定：拓扑结构，传输介质、介质访问控制方式，其中最重要的是介质访问控制方式，它决定着局域网的技术特性
  $$局域网介质访问控制方法?\begin{array}{l}CSMA/CD：常用于总线型局域网，也用于树型网络\\ 令牌总线：常用于总线型局域网，也用于树型网络\\ 令牌环：用于环形局域网，如令牌环网\end{array}$$

• 常见的局域网拓扑结构主要有以下4大类：①星形结构 ②环形结构 ③总线形结构 ④星形和总线形结合的复合型结构
  
  $$局域网的分类?\begin{array}{l}以太网(目前使用范围最广的局域网)：逻辑拓扑是总线形，物理拓扑是星型或拓展星型。使用CSMA/CD。\\ 令牌环网(TokenRing，IEEE802.5)：逻辑拓扑是环形，物理拓扑是星形\\ FDDI网(FiberDistributedDataInterface，FDDI)：逻辑上拓扑是环形，物理拓扑是双环结构.采用IEEE802.8标准\\ ATM网(AsynchronousTransferMode，ATM)：较新型的单元交换技术，使用53字节固定长度的单元进行交换\\ 无线局域网(WirelessLocalAreaNetwork，WLAN)：采用IEEE802.11标准\end{array}$$

• 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OSI参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层(Logical Link Control，LLC)子层和介质访问控制(Media Access Control，MAC)子层。
  

• LLC负责识别网络层协议，然后对它们进行封装。LLC报头告诉数据链路层一旦帧被接收到时，应当对数据包做何处理。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。【与传输媒体无关】

• MAC子层的主要功能包括数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制等。MAC子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性。【与传输媒体有关】

以太网与IEEE 802.3

• 以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带总线局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测)技术。
• 以太网在局域网各种技术中占统治性地位的原因：
  1.造价低廉(以太网网卡不到100块)
  2.以太网是应用最广泛的局域网技术
  3.比令牌环网、ATM网便宜，简单
  4.满足网络速率要求：10Mb/s~10Gb/s.
• 以太网提供无连接、不可靠的服务
  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，差错纠正由高层负责
  以太网只实现无差错接收，不实现可靠传输

以太网的传输介质与网卡

• 以太网常用的传输介质有4种：粗缆、细缆、双绞线和光纤
  各种传输介质的适用情况如下表：

• 10BASE-T是传送基带信号的双绞线以太网，T表示采用双绞线，现10BASE-T采用的是无屏蔽双绞线(UTP)，传输速率是10Mb/s。物理上采用星型拓扑，逻辑上总线型，每段双绞线最长为100m。采用曼彻斯特编码。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的连接是通过在主机内插入一块网络接口板(又称网络适配器或网络接口卡)实现的。
  在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。【实际上是标识符】
  MAC地址：每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家(由IEEE规定)，后24位厂家自己指定。常用6个十六进制数表示，如02-60-8c-e4-b1-21。

以太网的MAC帧

• 以太网MAC帧格式的两个标准:
  1.DIX Ethernet V2标准(最常用)：第一个局域网产品(以太网)规约
  2.IEEE 802.3标准：IEEE 802委员会802.3工作组制定的第一个IEEE的以太网标准
  DIX Ethernet V2标准与IEEE 802.3标准在帧格式上有两个字节的不同
  
• 前导码：使接收端与发送端时钟同步。在帧前面插入的8字节可再分为两字段：第一个字段共7字节，是前同步码，用来迅速实现MAC帧的比特同步；第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧。
  注意：MAC帧并不需要帧结束符，因为以太网在传送帧时，各帧之间必须有一定的间隙。因此，接收端只要找到帧开始定界符，其后面连续到达的比特流就都属于同一个MAC帧，所以上图只有帧开始定界符。但不要误以为以太网MAC帧不需要尾部，在数据链路层上，帧既要加首部，也要加尾部。
• 地址：通常使用6字节(48bit)地址(MAC地址)
• 类型：2字节，指出数据域中携带的数据应交给哪个协议实体处理
• 数据：46~1500字节，包含高层的协议消息。由于CSMA/CD算法的限制，以太网帧必须满足最小长度要求64字节，当数据较少时必须加以填充(0~46字节)
• 填充：0~46字节，当帧长太短时填充帧，使之达到64字节最小长度
• 校验码(FCS)：4字节，校验范围从目的地址变到数据段的末尾，算法采用32位循环冗余码(CRC)，不但需要检验MAC帧的数据部分，还要检验目的地址、源地址和类型字段，但不校验前导码

以太网V2的MAC帧格式与与IEEE 802.3帧格式的区别：
1.第三个字段是长度/类型
2.当长度/类型字段值小于0x0600时，数据字段必须装入LLC子层

高速以太网

• 速率≥100Mb/s的以太网称为高速以太网。

1. 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(因此，在全双工方式下不适用CSMA/CD协议)
2. 吉比特以太网(又称千兆以太网)
   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(因此，在全双工方式下不适用CSMA/CD协议)
3. 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，也不使用CSMA/CD协议

IEEE 802.11无线局域网

无线局域网的组成

• 无线局域网可分为两大类：有固定基础设施的无线局域网和无固定基础设施的移动自组织网络

1. 有固定基础设施无线局域网

• 对于有固定基础设施的无线局域网，IEEE制定了无线局域网的802.11系列协议标准，包括802.11a/b/g/n等。802.11使用星形拓扑，其中心称为接入点(Access Point，AP)，在MAC层使用CSMA/CA协议。使用802.11系列协议的局域网又称Wi-Fi。

• 无线局域网不能简单地使用CSMA/CD协议，特别是碰撞检测部分，原因如下：
  ①在无线局域网的适配器上，接收信号的强度往往小于发送信号的强度，因此若要实现碰撞检测，那么硬件上的花费就会过大
  ②在无线局域网中，并非所有站点都能听见对方，由此引发了隐蔽站和暴露站问题，而"所有站点都能够听见对方"正是实现CSMA/CD协议必备的基础

• 802.11标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集BSS(Basic Service Set，BSS)，一个基本的服务集BSS其包括一个接入点和若干个移动站。各站在本BSS内之间的通信，或与本BSS外部站的通信，都必须通过本BSS的AP。上面提到的AP就是基本服务集中的基站(basic station)。安装AP时，必须为该AP分配一个不超过32字节的服务集标识符SSID(Service Set IDentifier，SSID)和一个信道。SSID是指使用该AP的无线局域网的名字。一个基本服务集覆盖的地理范围称为一个基本服务区(Basic Service Area，BSA)，无线局域网的基本服务区的范围直径一般不超过100m。
  
• 一个基本服务集可以是孤立的，也可通过AP连接到一个分配系统(Distribution System，DS)，然后再连接到另一个基本服务集，就构成了一个扩展的服务集ESS(Extended Service Set，ESS)。分配系统的作用就是使扩展的服务集对上层的表现就像一个基本服务集一样。

2. 无固定基础设施移动自组织网络
   

• 另一种无线局域网是无固定基础设施的无线局域网，又称自组网络(ad hoc network)。自组网络没有上述基本服务集中的AP，而是由一些平等状态的移动站相互通信组成的临时网络。各结点之间地位平等，中间结点都为转发结点，因此都具有路由器的功能。
• 自组网络是这样构成的：一些可移动设备发现在它们附近还有其他的可移动设备，并且要求和其他移动设备进行通信。自组网络中的每个移动站都要参与网络中其他移动站的路由的发现和维护，同时由移动站构成的网络拓扑可能随时间变化得很快，因此在固定网络中行之有效的一些路由选择协议对移动自组网络已不再适用。
• 自组网络和移动IP并不相同。移动IP技术使漫游的主机可以用多种方法连接到因特网，其核心网络功能仍然是基于固定网络中一直使用的各种路由选择协议。而自组网络是把移动性扩展到无线领域中的自治系统，具体自己特定的路由选择协议，并且可以不和因特网相连。

802.11局域网的MAC帧

• 802.11帧共有三种类型，即数据帧、控制帧和管理帧
• 802.11数据帧由以下三大部分组成：①MAC首部 ②帧主体，即帧的数据部分 ③帧检验序列FCS
  

VLAN基本概念与基本原理

• 一个以太网是一个广播域，当一个以太网包含的计算机太多时，往往会导致：

1. 以太网中出现大量的光波帧，特别是经常使用的ARP和DHCP协议
2. 一个单位的不同部门共享一个局域网，对信息保密和安全不利

• 通过虚拟局域网(Virtual LAN)，可以把一个较大的局域网分割成一些较小的与地理位置无关的逻辑上的VLAN，而每个VALN是一个较小的广播域。
• 802.3ac标准定义了支持VLAN的以太网帧格式的扩展。它在以太网帧中插入一个4字节的标识符(插入在源地址字段和类型字段之间)，称为VLAN标签，用来指明发送帧的计算机属于哪个虚拟局域网。插入VLAN标签的帧称为802.1Q帧，由于VLAN帧的首部增加了4个字节，因此以太网的最大帧长从原来的1815字节变为1522字节。
  
• VLAN标签的前两个字节置为0x8100，表示这是一个802.1Q帧。在VLAN标签的后两个字节中，前4位没有用，后12位是该VLAN的标识符VID，它唯一标识了该802.1Q帧属于哪个VLAN。12位的VID可标识4096个不同的VLAN。插入VID后，802.1Q帧的FCS必须重新计算。
• 虚拟局域网的优点：①有效共享网络资源 ②简化网络管理 ③提高网络安全性
  $$VLAN划分的方法?\begin{array}{l}基于端口，将交换机的若干端口划分为一个逻辑组\\ 基于MAC地址，按MAC地址将一些主机划分为一个逻辑子网\\ 基于IP地址，根据网络层地址或协议划分VLAN\end{array}$$