局域网概述
定义
局域网是一种将小区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络。
产生的原因
80年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距离），共享资源
基本特征
- 覆盖范围小（房间、建筑物、园区范围，距离≤25km）
- 高传输速率（10Mbps～1000Mbps）
- 低误码率
- 采用基带传输
- 为一个单位所拥有，自行建设，不对外提供服务
拓扑结构
- 总线型局域网
- 星型局域网
- 环型局域网
传输介质
- 双绞线
- 基带同轴电缆
- 光纤
- 无线
IEEE 802局域网络体系结构
IEEE 802与OSI网络体系结构比较
IEEE 802标准间的关系
IEEE 802中的主要标准
IEEE802 数据链路层分层的目的
- 将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，降低实现的复杂度。
- 传统共享式局域网特点：共享信道，需要解决介质访问控制（MAC）问题。分层可以使帧的传输独立于介质和MAC方法。LLC： 与介质、拓扑无关；MAC：与介质、拓扑相关
IEEE802网络体系各层功能
- 物理层功能
- 信号的编码/译码
- 前导码的生成/去除
- 比特的发送/接收
- 数据链路层功能
- MAC子层功能：成帧/拆帧， 实现、维护MAC协议，位差错检测，寻址。
- LLC子层功能：管理数据链路通信，链接寻址，向高层提供SAP， 排序。
逻辑链路控制子层LLC
LLC帧格式
服务访问点SAP
LLC提供的服务类型
- LLC1 不确认无连接的服务
- LLC2 面向连接的服务
- LLC3 带确认无连接的服务
- LLC4 高速传输服务 （1991年专为城域网提出）
广播式信道共享技术
按信道连接方式网络可以分成两类：
- 使用点到点连接的网络 —— 例如：所有广域网和大部分有线局域网。
- 使用广播信道（多路访问信道，随机访问信道）的网络——例如：无线局域网。
关键问题：如何解决对信道争用
解决信道争用的协议称为介质访问控制协议 MAC（Medium Access Control），是数据链路层协议的一部分。
主要有两种解决的思想：信道的静态分配和动态分配
信道的静态分配
基本思想
将带宽等信道资源平均分配给每个要参与通信的用户。
优点
适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况。
缺点
无法灵活适应站点数及其通信量的变化。
举例
- 频分多路复用 FDM（波分复用WDM）：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；
- 时分多路复用 TDM：每个用户拥有固定的信道传送时槽。
信道的动态分配
基本思想
局域网都采用动态分配策略，即根据当前对信道请求的情况动态协调各用户对信道的使用权。
分类
- 无冲突协议
- 冲突协议
令牌协议（无冲突协议）
在网络中流转着一个被称为“令牌Token”的帧，一个节点要发送数据必须首先截获令牌，由于网络中只有一个令牌，从而不会产生冲突。
传递令牌>截获令牌>数据传送>令牌继续传递
冲突协议
ALOHA协议
上世纪70年代，Norman Abramson设计了ALOHA协议
目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统；
分类：纯ALOHA协议和时间片ALOHA协议
纯ALOHA协议：
用户有数据要发送时，可以直接发至信道；然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段随机的时间重发。
时间片ALOHA协议：
把信道时间分成离散的时间片，片长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时间片开始时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同。
载波监听多路访问协议CSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols）
载波监听（Carrier Sense）:站点在为发送帧而访问传输信道之前，首先监听信道有无载波，若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送帧以避免冲突。
多路访问（Multiple Access）:多个用户共用一条信道
分类：
1-坚持式CSMA（1-persistent CSMA）
若站点有数据发送，先监听信道；
若站点发现信道空闲，则发送；
若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送；
若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。
优点：减少了信道空闲时间
缺点：增加了发生冲突的概率
广播延迟对协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差非坚持型CSMA（nonpersistent CSMA）
若站点有数据发送，先监听信道；
若站点发现信道空闲，则发送；
若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程；
若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。
性能
优点：减少了冲突的概率；
缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；
信道效率比 1-坚持CSMA高，传输延迟比 1-坚持CSMA大。p-坚持型CSMA（p-persistent CSMA）
适用于分槽信道
若站点有数据发送，先监听信道；
若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据，以概率q =1- p 延迟至下一个时槽发送；
若下一个时槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时槽被其他站点所占用；
若信道忙，则等待下一个时槽，重新开始发送；
若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送。带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD
当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送毫无意义，而且信道无法被其他站点使用，对于有限的信道来讲，这是很大的浪费。如果站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送，可以提高信道的利用率，因此产生了CSMA/CD。
站点使用CSMA协议进行数据发送；
在发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，并发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突；
在发出干扰信号后，等待一段随机时间（称为退避） ，再重复上述过程。
以太网
传统以太网
介质控制访问方法
图片
二进制指数后退算法
- 将冲突发生后的时间划分为长度为51.2微秒的时槽
- 发生第一次冲突后，各个站点等待 0 或 1 个时槽再开始重传；
- 发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0, 1, 2或3个时槽再开始重传；
- 第 i 次冲突后，在 0 至 2i-1 间随机地选择一个等待的时槽数，再开始重传；
- 10次冲突后，选择等待的时槽数固定在0至210—1之间；
- 16次冲突后，发送失败，报告上层。
最短帧长
避免帧的第一个比特到达电缆的远端前帧已经发完，帧发送时间应该大于 2。10Mbps LAN，最大冲突检测时间为51.2微秒，最短帧长为64字节；
网络速度提高，最短帧长也应该增大或者站点间的距离要减小。
帧格式
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PA： 前同步码 - 10101010序列，用于使接收方与发送方同步
SFD： 帧首定界 — 10101011
DA： 目的MAC地址； SA： 源MAC地址
LEN：数据长度（数据部分的字节数）（0-1500B）
Type： 类型。高层协议标识
LLC PDU+pad — 最少46字节, 最多1500字节
Pad：填充字段，保证帧长不少于64字节(若Data域≥46字节，则无Pad)
FCS： 帧校验序列（CRC-32）
前导码：7个字节的10101010，产生固定频率的方波信号（如1000MHZ)，持续5到6微秒，收发双方的时钟同步。
帧首定界符：1个字节的10101011，标志着帧的开始。
目的地址和源地址：共6个字节，前三个字节由IEEE802分配给厂商，后三个字节由厂商唯一地分配给所生产的网卡。对目的地址，以太网只有最高位有定义，为“0”表示单播，为“1”表示多播或广播。若广播要求目的地址全“1”。而IEEE802.3对最高位和次高位都有定义，最高位与以太网相同。次高位为“0”表示全局管理地址，为“1”局部管理地址，一般情况下总为全局管理地址（由IEEE802分配）。
长度字段（IEEE802.3）：表示LLC-PDU的字节数，范围46~1500。当长度小于46字节时，需要在帧填充字段中填“0”。
类型字段（以太网）：说明高层使用的协议，如IP,IPX等。
为保证以上两种帧可以兼容，类型字段的类型码需大于1536D(0600H)，如0800H表示IP,8137H为IPX等。若此字段的值小于(0600H)表示为IEEE802.3类型的帧。
数据：此字段的值即LLC-PDU的帧，长度为46到1500字节。
帧校验序列：采用32位的循环冗余校验法。校验内容包括除PA,SFD和FCS以外的其它字段。
编码：数据传输使用曼彻斯特编码。
高速以太网
- 快速以太网
- 千兆以太网
- 10吉比特以太网
- 10/100G以太网
交换式以太网(网桥)
网桥定义
网桥（bridge）是工作在数据链路层的一种网络互连设备，它在互连的LAN之间实现帧的存储和转发。
网桥特征
- 网桥在数据链路层上实现局域网互连；
- 网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率的网络；
- 网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连的网络之间的通信；
- 网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议；
- 网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量，有利于改善互连网络的性能与安全性。
工作原理
网桥工作在混杂（promiscuous）方式，接收所有的帧；
网桥接收到一帧后，通过查询地址/端口对应表来确定是丢弃还是转发；
网桥刚启动时，地址/端口对应表为空，采用洪泛（flooding）方法转发帧；
在转发过程中采用逆向学习（backward learning）算法收集MAC地址。网桥通过分析帧的源MAC地址得到MAC地址与端口的对应关系，并写入地址/端口对应表；
网桥软件对地址/端口对应表进行不断的更新，并定时检查，删除在一段时间内没有更新的地址/端口项；
帧的路由过程
- 目的LAN与源LAN相同，则丢弃帧；
- 目的LAN与源LAN不同，则转发帧；
- 目的LAN未知，则洪泛帧;并逆向学习。
解决多个网桥产生回路的问题
让网桥之间互相通信，用一棵连接每个LAN的生成树（Spanning Tree）覆盖实际的拓扑结构。
构造生成树
- 每个桥广播自己的桥编号，号最小的桥称为生成树的根；
- 每个网桥计算自己到根的最短路径，构造出生成树，使得每个LAN和桥到根的路径最短；
- 当某个LAN或网桥发生故障时，要重新计算生成树；
- 生成树构造完后，算法继续执行以便自动发现拓扑结构变化，更新生成树。
交换式集线器的交换方式主要有以下三种
- 存储转发式交换
- 直通式交换
- 碎片交换方式
全双工以太网
区别
全双工以太网与传统以太网的最大区别是：在全双工以太网中，以太网中的介质访问控制方法CSMA/CD不再有效。
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全双工需满足条件
- 发送和接收信道必须使用分离的网络介质
- 任两个节点间须配备专门的链路
- 网卡和网络交换机必须支持全双工方式
应用场合
- 交换机到交换机的连接，它们之间通常有较远的距离；
- 交换机到服务器的连接，以提高通往服务器链路的带宽；
- 长距离节点间的连接。
虚拟局域网
主要应用
- 局域网内部的局域网
- 共享访问
- 交叠虚拟局域网
优点
- 网络设备的移动、添加和修改的管理开销减少
- 可以控制广播风暴
- 可以提高网络的安全性
划分
- 基于端口的划分
- 单交换机端口定义VLAN
- 多交换机端口定义VLAN
- 基于MAC地址的划分
- 基于网络层的划分
- 基于IP组播的划分
无线局域网
优点
- 灵活性和移动性
- 安装便捷
- 易于进行网络规划和调整
- 故障定位容易
- 易于扩展
拓扑结构
- 有中心拓扑
- 无中心拓扑
IEEE 802.11无线局域
IEEE 802.11定义了两种运作模式：特殊（Ad hoc）模式和基础设施（Infrastructure）模式。
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IEEE 802.16 宽带无线网络
与IEEE 802.11相比IEEE 802.16有如下特点：
- IEEE 802.16往往会覆盖一个城市的一个部分，网络跨度较大。因此，也被称为无线MAN。在这种情况下，对于基站的功率，网络的安全性都有较高的要求。
- 每个单元中，用户的数量比IEEE 802.11多得多，从而需要更高的带宽。因此，IEEE 802.16也被称为宽带无线网络标准
- IEEE 802.11的无线网络环境一般都在室内，而IEEE 802.16通常在室外，因此更容易受到天气等因素的干扰。
- 虽然IEEE 802.11针对实时数据流提供了一定程度的支持，但它并不是真正为多媒体所设计。而IEEE 802.16的设计目标就是要完全支持这些应用的服务质量要求。
IEEE 802.16 体系结构
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移动网络
移动网络（mobile network）又被称为蜂窝网络（cellular network）是一种移动通信硬件架构，由于构成网络的各通信基站的信号覆盖呈六边形，使整个网络像一个蜂窝而得名
蓝牙
蓝牙（Bluetooth）无线接入技术于1998年发布，最初是以消除各种电器设备之间的有线连接为目标的；随着研究的深入及应用需求，蓝牙技术已经能把各种话音及数据设备，如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、移动电话、数码相机、高品质耳机等，通过无线方式将它们连成一个微微网（Piconet），使各种设备之间实现无缝隙资源共享。
蓝牙工作于全球可用的2.4GHz ISM频段，采用了跳频技术来克服干扰和衰落，跳频带宽79MHz，共79个射频信道，其符号传输率为1Mb/s。采用时分双工（TDD）方案进行全双工通信。在信道上以分组的形式交换信息，每个分组在不同的跳频频率上传输，占用1 至 5个时隙，每个时隙长625μ s。
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