局域网的概念

博文目录

一、介质访问控制
- 1.介质访问控制的概念
- 2.介质访问控制方法
二、Ethernet（以太网）基本工作原理
- 1. Ethernet数据发送过程分析和CSMA/CD的工作原理
- 2.Ethernet帧结构
- 3.Ethernet物理地址的唯一性
- 4.Ethernet物理层的标准命名方法
三、交换式局域网
- 1.局域网交换机的工作原理
- 2.端口/MAC映射表的建立和维护
- 3.交换机的带宽计算
四、虚拟局域网（VLAN）
五、Ethernet组网设备和方法
- 1. 10Base-5,10Base2和中继器
- 2. 集线器
- 3. 交换机
六、局域网互连和网桥
- 1. 网桥的基本概念
- 2. 网桥的工作流程
- 3. 生成树协议
七、网桥与中继器、集线器、交换器的比较

一、介质访问控制

1.介质访问控制的概念

介质访问控制（MAC）是所有共享介质类型的局域网的共性问题
共享介质：连接多台计算机的同轴电缆，双绞线与光纤等
多路访问：多个主机需要通过一条共享介质发送和接受数据
冲突：如果两个或多个主机同时在一条共享介质发送数据，造成接受主机无法正确接受发送主机的数据

2.介质访问控制方法

为解决冲突，所以出现了介质访问控制方法，而常见的三种介质访问控制方法，对应着三种不同类型的局域网：
1. 冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）控制方法 —— 总线型Ethernet（以太网）
2. Token Bus（令牌控制）—— 令牌总线型局域网
3. Token Ring （令牌控制） —— 令牌环状局域网

2.1 三种方法的共同之处：

1. 都遵循IEEE802层次结构模型
2. 传输介质主要采用了同轴电缆，双绞线和光纤
3. 采用共享介质的方式都是发送和接受数据帧
4. 介质访问控制都采用了分布式控制访问方法，局域网没有集中控制的主机

2.2 三种局域网的不同之处

（1）CSMA/CD 总线型局域网

CSMA/CD的特点：
1. 所有节点连在同一个总线上，且一个时刻只允许一个节点发送数据
2. 当一个节点以广播方式发送数据，其它节点只能通过收听方式接受数据
3. CSMA/CD是随机性介质访问控制方法，节点获得数据发送权是随机的
4. 两个以上节点发送数据会产生冲突
5. CSMA/CD用得最多，主要在以太网上

（2）Token Bus

Token Bus的特点：
1. 节点持有令牌才能通过总线发送数据
2. 令牌持有时间（THT）规定了节点获取令牌发送数据占用的最大时间
3. 一个节点两次获得令牌的间隔时间为：T = N * （THT + Tr + Tc）。N为节点总数，Tr为令牌在两个相邻节点的传播时间，Tc为节点接受，处理帧与令牌的时间
4. 预先会确定节点获得令牌的顺序

（3）Token Ring

Token Ring的特点：
1. Token Ring的结点通过网卡和点到点线路形成环状结构
2. Token Ring的令牌存在一个MAC控制帧，标志令牌的忙/闲
2. 当节点1获得了令牌后，目的地址为节点3。首先令牌标志位变为忙，然后传输数据，从1 —> 2 —> 3后，节点3接受到数据帧后，在数据帧标记已接受到数据的标志。接着令牌从3 —> 4 —> 5 —> 1回到节点1，节点1重新接受数据帧，发现有节点3确认接受的标志，于是回收掉数据帧，再把令牌改为闲，传给下一个节点。
3. Token Ring适合重负载的应用领域

二、Ethernet（以太网）基本工作原理

以太网采用介质访问控制方法是CSMA/CD：CS（载波侦听），MA（多路访问），CD（冲突检测）

1. Ethernet数据发送过程分析和CSMA/CD的工作原理：

很多人（节点）在同一个黑屋子（局域网）里举行讨论会，参加会议的人只能听到声音。每一个人讲话前必须先倾听（载波侦听），等到安静时才能说话；安静时，每一个人都有同等机会说话（多路访问）；如果同一时刻多个人讲话，大家都无法听清楚发言（冲突）；发言人（发送数据的结点）在发言过程中要及时发现是否有冲突（冲突检测）；如果发言人发现冲突，这时他要停止讲话，然后重复上述过程，直到讲话成功，如果失败次数太多，他会放弃讲话。

总结来说，CSMA/CD的发送过程就是：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。

1.2 载波侦听过程

以太网的物理层规定发送的数据采用曼彻斯特编码方式，因此如果总线上出现了曼彻斯特编码规律，说明总线忙；总线电平不发生跳变，说明总线闲。

1.2 冲突检测方法

有一种极端的情况，节点A向节点B发送数据，在数据信号快到达节点B时，B也发送了数据，此时冲突发生了，如果定义D为总线长度，V为电磁波传播速度，t为传播延迟（指发送到目的节点的时间），那么t = D / V。所以发生冲突时，最大的传播延迟为A到B和B到A的传播延迟即2t。

冲突窗口：如果超过两倍的传播延迟2t内都没有检测到冲突，就肯定该节点发送数据成功，因此2t = 2（D/V）称为冲突窗口。

最小帧长度Lmin，发送速率S和冲突窗口的关系：
Lmin / S >= 2D/V
也就是要求发送的数据帧的时间要大于等于冲突窗口，才能保证发送成功。

2.Ethernet帧结构

Ethernet帧结构分为两种标准：Ethernet V2.0（DIX帧结构）和Ethernet V3.0

1. Ethernet V2.0（DIX帧结构）和Ethernet V3.0的差异主要体现在前导码，类型和长度。
2. 类型指的是高层网络层使用的协议类型，0x0800表示IPv4，0x8106表示IPv6
3. 帧校检字段是用的是32位的CRC校检

3.Ethernet物理地址的唯一性

Ethernet物理地址是一个48为地址，前三个字节是生产Ethernet网卡的公司标识，最后三个字节由网卡的公司自行分配，这保证了全球任何一个Ethernet物理地址都是唯一的。
Ethernet物理地址的表示由前三个字节和后三个字节表示：
02-01-00-2A-10-C3

4.Ethernet物理层的标准命名方法

IEEE 802.3 标准定义Ethernet介质访问控制子层与物理层的协议标准
命名格式：IEEE 802.3 X Type- Y Name
X表示数据传输速率，单位为Mbps
Y表示网段的最大长度，单位为100m
Type表示传输方式是基带还是频带（Base表示基带）
Name表示局域网的名称

例如：
（1）IEEE 802.3 10 Base-5 表示传输速率为10Mbps，基带传输，使用粗同轴电缆，最大长度为500m
（2）IEEE 802.3 10 Base-2 表示传输速率为10Mbps，基带传输，使用细同轴电缆，最大长度为200m
（1）IEEE 802.3 10 Base-T 表示传输速率为10Mbps，基带传输，使用双绞线

三、交换式局域网

前面讲的是传统的共享型局域网，所有节点共享一个传输介质，会导致冲突。随着节点不断增多，网络效率就会急剧下降，因此出现了交换式局域网。
交换式局域网是通过集成电路交换芯片在多个端口之间形成虚连接，实现多个端口之间的帧的并发传输

交换机具有以下四个功能：
1. 建立和维护一个表示MAC地址和交换机端口号的对应关系的映射表
2. 在发送主机和接受端口之间建立虚连接
3. 完成帧的过滤和转发
4. 执行生成树协议，放置出现环路

1.局域网交换机的工作原理

端口号/MAC地址映射表记录着主机地址和交换机端口的对应关系，节点A的地址为0201002A10C3，发送帧的目的地址为0E1002000013，交换机查询到目的地址在映射表中对应的端口号，然后发往该端口主机。

2.端口/MAC映射表的建立和维护

交换机通过地址学习检查帧的源地址与端口号之间的对应关系，来不断完成端口号转发表的方法。
例如：
节点A通过端口1发送帧，这个帧的源地址是0201002A10C3，然后交换机建立起“端口号1——源地址0201002A10C3”的对应关系，随后交换机查询映射表是否已存在该对应关系，如果不存在，则加入该映射关系到映射表中；如果已存在，则更新该映射关系。

3.交换机的带宽计算

交换机带宽 = 端口数 * 相应端口速率（全双工模式再*2）
当然这是一种理想状况下的带宽，实际上还会有丢帧的情况

假如一台交换机有24个100Mbps的全双工端口和两个1000Mbps全双工端口，那么交换机的带宽为：
S = 24 * 100 * 2 + 2 * 2 * 1000 = 8800Mbps = 8.8Gbps

四、虚拟局域网（VLAN）

VLAN可以根据交换机的端口，MAC地址，IP地址与网络层协议等方式划分，划分后交换机中会都会有相对应的映射表，例如根据端口号来划分的就是VLAN与端口的映射表
VLAN的工作原理是：通过交换机，根据端口、MAC地址或IP地址从逻辑上划分不同的局域网

VLAN中传输的帧不再是Ethernet的标准帧机构，而是使用扩展了Ethernet帧结构的IEEE 802.1Q协议，IEEE 802.1Q在Ethernet的帧结构中增加了VLAN标记。

VLAN数据帧交换过程

在VLAN组网过程中，将交换机的一个端口设置为中继端口，中继端口用于不同交换机数据帧传输的接口

上图中，主机A，C，E，G属于VLAN1，B，D，F，H属于VLAN2。
节点A发送数据帧给主机G数据交换流程：
1. 主机A发送的是普通的Ethernet帧到交换机A
2. 交换机把主机A的帧通过802.1Q协议扩展，在VLAN标记中标记VLAN1，表示此帧来自VLAN1
3. 交换机A通过 VLAN成员/端口映射表 和 本地端口/MAC地址映射表查找目的主机的位置
4. 交换机A通过中继端口16发送数据帧到交换机B的中继端口1上
5. 交换机B接收到数据帧，通过VLAN标识识别到是VLAN1，然后通过VLAN成员/端口映射表 和 本地端口/MAC地址映射表查询到目的地址相对应的端口11，接着把数据发往主机G

五、Ethernet组网设备和方法

Ethernet的组网可以通过中继器，集线器和交换机

1. 10Base-5,10Base2和中继器

物理层10Base-5,协议规定：同轴电缆的最大长度为500m，实际接入的节点数量不超过100个。当我们需要增长长度或者增加节点数时，可以使用中继器来连接两个电缆，中继器能够连接的传输介质为：粗同轴电缆-粗同轴电缆，粗同轴电缆-细同轴电缆，粗同轴电缆-光缆等。

中继器额工作原理：
由于信号经过500m的同轴电缆传输后，已经发生了严重的信号衰退和波形畸变，所以为了在超出500m的缆段传输，使用中继器可以将衰退和变形的信号，经过接受，放大和整形，使得可以发送到它连接的另一个缆段

中继器的特点：
1. 中继器工作在物理层，只能对信号进行处理，不属于网络互连设备
2. 中继器的工作不涉及帧的结构，只能做到增强的效果
3. 中继器连接的几个缆段仍然属于同一个局域网
4. 在一个局域网使用中继器的数量是有限制的

2. 集线器

早期的Ethernet网主要使用同轴电缆，因此使用中继器比较多。随着10Base-T出现，使用双绞线更好，使用10Base-T时，离不开集线器。

例如图中节点A发送了一个数据帧，那么连接在集线器的所有节点都可以接受到该帧。如果有多个节点同时发送数据帧，会发生冲突

3. 交换机

六、局域网互连和网桥

1. 网桥的基本概念

网桥是实现多个局域网互联的网络设备，是MAC层的互连设备，它不仅可以实现多个相同类型的（如Ethernet与Ethernet）的同构局域网的互联，也可以实现多个不同类型的（如Ethernet与Token Ring）的异构局域网的互联

网桥的主要功能：
1. 端口号/MAC地址转发表的生成和维护（这里的端口指的是网桥中连接的局域网，前面的端口对应的是主机）
2. 帧的接受过滤和转发

网桥可分为源路由网桥和透明网桥，其中使用透明网桥互联局域网时，转发表是通过自学算法生成的，透明网桥也是比较常用的。

2. 网桥的工作流程

1. 首先判断帧的目的MAC地址是单播地址，多播地址还是广播地址
2. 如果是单播地址，则在转发表中查找该MAC地址对应的端口，如果找不到，则将该帧从其它端口发送出去
3. 如果网桥有4个连接端口，帧是从端口1进入网桥的。同时帧的目的MAC地址是多播地址或广播地址，那么网桥就会把帧从除了端口1的其他所有端口发送出去。
4. 如果发送的帧的目的MAC地址的端口跟源地址的端口相同，说明两个主机属于同一个局域网，网桥不需要转发，丢弃该帧

3. 生成树协议

当Ethernet交换机组网出现环路的时候，环路使得网桥重复转发同一个帧，增加不必要的网络负荷。为了防止这种情况出现，透明网桥和交换机使用了生成树协议。

生成树协议：一种链路管理协议，能够自动控制局域网系统的拓扑，形成一个无环路的逻辑结构，使得任意两个网桥或交换机之间，任意两个局域网之间只有一条有效的帧传输协议

由上图可见，每一个网桥都有以下概念：
优先级，成本，端口，MAC地址（一般选用端口号较小的MAC地址，例如端口0和端口1，就选用端口0的MAC地址）

下面来对这个环路网桥分析最佳路径：
1. 首先选择一个根网桥，根网桥一般选择优先级较小的网桥，如果优先级相同，则选择MAC地址较小的网桥，B1的优先级为0，所以选择B1为根网桥
2. B2和B3都连接了LAN4，这形成了一个回路，B1—B2的成本为4，B1-B3的成本为4，路径成本相同，于是比较优先级，B3的优先级低于B2，于是选择B3，因此B2连接LAN4的链路可以去掉
3. B1到B4的最佳路径是：LAN1—LAN3，成本为23
4. B1到B5的最佳路径是：LAN2—LAN4，成本为104
5. B1到LAN5有两条路径，B1—B2—B4，成本为23，B1—B5，成本呢为104，所以选择第一条路径，所以B5网桥没有使用的必要，可以去掉
6. B4连接LAN5有两个端口，端口1优先级小于和端口2，所以选择端口1，去掉端口2

最终的结构如下：

七、网桥与中继器、集线器、交换器的比较