3.4 局域网、广域网与链路层设备

以太网与 MAC 帧格式、高速以太网，VLAN 与 802.1Q，IEEE 802.11 无线局域网及其帧地址，PPP 协议，网桥与以太网交换机的自学习与转发方式，冲突域与广播域。

局域网的基本概念

局域网（LAN）是指在一个较小的地理范围内，将各种计算机、外部设备和数据库系统等通过双绞线、同轴电缆等连接介质互相连接起来，组成资源和信息共享的计算机互连网络。主要特点：为一个单位所拥有，地理范围和站点数目均有限；所有站点共享较高的总带宽（即较高的数据传输速率）；较低的时延和较低的误码率；各站为平等关系而非主从关系；能进行广播和组播。

决定局域网特性的主要技术有三个：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。IEEE 802 标准把数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制（LLC）子层（与介质无关）和介质访问控制（MAC）子层（与介质有关）。由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而非 802.3，因此现在 802 委员会制定的 LLC 子层作用已经不大，很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。

以太网

以太网采用两项措施以简化通信：① 采用无连接的工作方式，不对发送的数据帧编号，也不要求接收方发送确认，即以太网尽最大努力交付数据，提供的是不可靠服务，对差错的纠正则由高层完成；② 发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号。

10BASE-T：10 表示 10 Mb/s，BASE 表示基带，T 表示双绞线。采用星形拓扑（物理上星形，逻辑上总线形），使用 CSMA/CD，每段双绞线的最长有效长度为 100 m。

MAC 地址：也称物理地址，长 48 位（6 字节），用 12 个十六进制数表示（如 02-60-8C-E4-B1-21），高 24 位为厂商代码，低 24 位为厂商自行分配的适配器序列号。MAC 地址固化在适配器的 ROM 中。当适配器从网络上收到一个 MAC 帧时，先检查其目的地址：是发往本站的帧（单播、广播或本站所在组的组播）则收下，否则丢弃。

以太网 MAC 帧（DIX Ethernet V2）

• 类型：指出数据字段中的数据应交给哪个协议实体处理（如 0x0800 为 IP）；
• 数据：46 ~ 1500 字节（最小帧长 64 B 减去 18 B 首尾）。46 B 是由 CSMA/CD 算法的最短帧长决定的；1500 B 是以太网的 MTU；
• FCS：CRC 校验码，校验范围为目的地址到数据字段（不含前导码）。

高速以太网

速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网：

• 100BASE-T：在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星形拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 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发生。保持最短帧长不变，把一个网段的最大电缆长度减小到 100 m；
• 吉比特以太网、10 吉比特以太网：允许在 1 Gb/s、10 Gb/s 下以全双工和半双工方式工作（10 Gb/s 只工作在全双工方式，不存在争用问题，也不使用 CSMA/CD）。

虚拟局域网（VLAN）

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，往往会导致以太网中出现大量的广播帧，特别是经常使用的 ARP 和 DHCP 协议。VLAN 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 VLAN 是一个较小的广播域。

802.1Q 帧对以太网的 MAC 帧格式进行了扩展，在源地址字段和类型字段之间插入 4 字节的 VLAN 标签，其中 12 位为 VID（VLAN 标识符），唯一标志了该帧属于哪个 VLAN。插入标签后，以太网的最大帧长从 1518 B 变为 1522 B。

无线局域网（IEEE 802.11）

• 有固定基础设施：802.11 标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集 BSS，一个基本服务集包括一个基站（接入点 AP）和若干移动站。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。一个 BSS 可以通过 AP 连接到一个分配系统 DS，然后再接入另一个 BSS，构成扩展服务集 ESS；
• 无固定基础设施（自组织网络、Ad hoc 网络）：没有 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。

802.11 帧共有三种类型：控制帧、数据帧和管理帧。数据帧有 4 个地址字段，其含义取决于帧控制字段中”去往 AP（To DS）“和”来自 AP（From DS）“两个比特：

广域网与 PPP 协议

广域网通常是指覆盖范围很广（远超一个城市的范围）的长距离网络，由一些结点交换机以及连接这些交换机的链路组成。广域网和局域网的区别：广域网覆盖范围广，强调资源共享，使用点对点链路，协议主要在网络层；局域网强调数据传输，使用广播信道，协议主要在数据链路层。

PPP 协议（Point-to-Point Protocol）是使用串行线路通信的面向字节的协议，是目前使用最广泛的数据链路层协议，用户使用拨号电话线接入因特网时一般都使用 PPP 协议。PPP 协议有三个组成部分：

1. 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法（帧格式：标志 0x7E、地址 0xFF、控制 0x03、协议 2 B、信息 ≤ 1500 B、FCS 2 B、标志 0x7E）；
2. 链路控制协议 LCP：一种扩展链路控制协议，用于建立、配置、测试和管理数据链路；
3. 网络控制协议 NCP：PPP 允许同时采用多种网络层协议，每个不同的网络层协议要用一个相应的 NCP 来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。

PPP 的特点：只检错不纠错；不使用序号和确认机制，提供不可靠服务；只支持点对点链路（不支持多点线路）和全双工通信；两端可以运行不同的网络层协议；透明传输时，异步线路用字节填充，同步线路用零比特填充。

数据链路层设备

网桥与以太网交换机

网桥根据 MAC 帧的目的地址对帧进行转发和过滤：当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪个接口，或者是把它丢弃（即过滤）。以太网交换机实质上是一个多接口的网桥，通常有十几个或更多的接口，每个接口都直接与一台单台主机或另一个交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。

以太网交换机的特点：

• 每个端口都直接与单台主机相连（普通网桥的端口往往连接到以太网的一个网段），且一般工作在全双工方式；
• 能同时连通多对端口，使每对相互通信的主机都能像独占通信介质那样，无碰撞地传输数据。对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 $N$ 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽的 $1/N$；而使用交换机时，每个端口到主机的带宽都是 10 Mb/s，拥有 $N$ 个端口的交换机的总容量为 $N \times 10$ Mb/s；
• 是一种即插即用设备，其内部的帧转发表是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。

交换机的两种交换方式：

• 直通式：只检查帧的目的地址（6 B），这使得帧在接收后几乎能马上被传出去。速度快，但缺乏智能性和安全性，也无法支持具有不同速率的端口的交换；
• 存储转发式：先将接收到的帧缓存到高速缓存器中，并检查数据是否正确，确认无误后通过查找表转换为输出端口，将该帧发送出去；如果发现帧有错，那么就将其丢弃。可靠性高，并能支持不同速率端口间的转换，但延迟较大。

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