熟悉基本通信协议(2)数据链路层和局域网

 二、局域网的基本知识
本阶段要求掌握的知识框架如下：

一、 理解链路层协议。

二、 掌握以太网技术。

三、 无线以太和其他类型的以太。
详细介绍：

一、 面向比特的高级数据链路控制协议HDLC协议。（注意是面向比特的）

HDLC的帧结构如下：

标志｜地址｜控制｜信息｜帧检验序列｜标志

比特： 8 ｜ 8 ｜ 8 ｜可变｜ 16 ｜ 8

缩写： F ｜ A ｜ C｜Info ｜ FCS ｜ F

　　说明：从A到info是FCS检验区间；

　　从A到FCS是透明传输区间。

详细说明：
（一）标志字段 F (Flag) 为 6 个连续 1 加上两边各一个 0 共 8 bit。在接收端只要找到标志字段就可确定一个帧的位置.
（二）零比特填充法

　　（1）HDLC 采用零比特填充法使一帧中两个 F 字段之间不会出现 6 个连续 1

　　（2）在发送端，当一串比特流数据中有 5 个连续 1 时，就立即填入一个 0

　　（3）在接收帧时，先找到 F 字段以确定帧的边界。接着再对比特流进行扫描，每当发现 5 个连续 1 时，就将其后的一个 0 删除，以还原成原来的比特流.（特别强调：在封装帧时，是先封装数据，再放标志位，我之所以说这些是为了解决很多同学都容易迷惑的一个问题“在封装帧时，如果遇到6个连1我怎么才能知道哪个是标志位哪个是数据呢”，有了这个先后顺序，就很容易理解了。）
（三）透明传输

　　（1）采用零比特填充法就可传送任意组合的比特流，或者说，就可实现数据链路层的透明传输

　　（2）当连续传输两个帧时，前一个帧的结束标志字段 F 可以兼作后一帧的起始标志字段

　　（3）当暂时没有信息传送时，可以连续发送标志字段，使收端可以一直和发端保持同步
（四）其他字段

　　（1）地址字段 A 是 8 bit

　　（2）帧检验序列 FCS 字段共 16 bit。所检验的范围是从地址字段的第一个比特起，到信息字段的最末一个比特为止

　　（3）控制字段 C 共 8 bit，是最复杂的字段。HDLC 的许多重要功能都靠控制字段来实现
二、点对点协议PPP（point-to-point-protocol）（注意是面向字符的）
详细介绍

（一）简单介绍

　　这是目前全地球使用的最多的数据链路层协议。是目前广域网上应用最广泛的协议之一，它的优点在于简单、具备用户验证能力、可以解决IP分配等。

PPP（Point-to-Point Protocol点到点协议）是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链路设计的链路层协议。这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包。设计目的主 要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案。PPP协议中提供了一整套方案来解决链路建立、维护、拆除、上层协议协商、认证等问题
（二）1992 年制订了 PPP 协议。经过 1993 年和 1994 年的修订，现在的 PPP 协议已成为因特网的正式标准[RFC 1661]（同志们可以从百度中输入RFC 1661来查看详细的条文）。

　　PPP有三个组成部分（实际上PPP协议的作用就是封装协议）

　　（1）组成帧的方法，明确地规定一帧的结构及下一帧的起始。帧格式也处理差错检测，将IP数据报封装到串行链路

　　（2）链路控制协议（LCP），包括建立线路、测试线路、协商选择项、拆除线路。（简单说：LCP负责创建，维护或终止一次物理连接）

　　（3）网络控制协议（NCP），以独立于所使用的网络层协议的方式提供协商网络层选项的方法。所选择的方法对每一种所支持的网络层有不同的NCP。NCP实际是一族协议，负责解决物理连接上运行什么网络协议，以及解决上层网络协议发生的问题。
（三）PPP的帧格式：

　　（1）PPP 的帧格式和 HDLC 的相似。

　　（2）标志字段 F 仍为 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。

　　（3）地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起什么作用。

　　（4）控制字段 C 通常置为 0x03。

　　（5）PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节（因为它不是面向比特的）。
（四）PPP的帧结构如下：

　　F A C 协议 ｜ 信息部分（IP数据报）｜ FCS F

　　说明：F 、A、 C全是一个字节，协议是2个字节，这是首部。信息部分不超过1500字节。最后两个字段是尾部。即后边的FCS和F。

　　PPP有个2字节的协议字段：（很重要的，有这个协议就显得很灵活）

（1）当协议字段为 0x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据

（2）若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。

（3）若为 0x8021，则表示这是网络控制数据.

（4）0xC023——信息字段是安全性认证PAP

（5）0xC025——信息字段是LQR

（6）0xC223——信息字段是安全性认证CHAP
（五）透明传输的问题

　　（1）当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和 HDLC 的做法一样，注意：虽然是面向字符的但是在同步传输的时候也支持比特填充，有些网上的资料是说不能那是错的）。

　　（2）当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。
（六）什么是字符填充法

　　（1）将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5E)。

　　（2）若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5D)。

　　（3）若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。
（七）PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：

　　（1）在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理。

　　（2）在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。

　　（3）帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。
（八）PPP协议的工作流程

　　（1）当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。

　　（2）PC机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。

　　（3）这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。

　　（4）通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。
（九）路由器PPP配置步骤

　　（1）进入接口模式

　　（2）配置接口地址

　　（3）配置封装协议为ＰＰＰ

　　（4）设置拨号超时时限

　　（5）配置拨号表

　　（6）配置接口认证
三、局域网概述

　　局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

　　局域网具有如下的一些主要优点：

　　（1）能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。从一个站点可访问全网。

　　（2）便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。

　　（3）提高了系统的可靠性、可用性和残存性。
四、传统以太网（非常重要）
（一）两个标准

（1）DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约

（2）IEEE 的 802.3 标准

（3）DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”

（4）严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网

　　（备注：两个标准实际上以太网是事实上的标准，而802.3是法律上的标准，这也是我在前面论述协议概念的时候提到过的，协议有法律上的和事实上的）
（二）数据链路层的两个子层

　　（1）为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：

逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层（上）

媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层（下）

　　（2）与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的，它看不见下边的局域网 .（由于TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。很多厂商生产的网卡上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。MAC子层它是兼容MAC地址的，即硬件地址。）
（三）网卡的作用

　　网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。

　　网卡的重要功能

（1）网卡实现局域网数据链路层的一部分功能，包括网络存取控制，信息帧的发送与接收，差错校验，串并代码转换等以及数据封装和解封（加mac地址）

（2）对数据进行缓存

（3）在计算机的操作系统安装设备驱动程序

（4）实现以太网协议以及实现某些接口功能

（5）网卡实现工作站与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，接收和执行工作站与服务器送来的各种控制命令，完成物理层的功能

（6）网卡实现无盘工作站的复位及引导

（7）数据的封装与解封。发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层

（8）链路管理.主要是 CSMA/CD 协议的实现

（9）编码与译码。即曼彻斯特编码与译码
（五）为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施

　　（1）采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据.

　　（2）以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。（这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。）
（六）以太网提供的服务

　　以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付.当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定.如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。
（七）载波监听多点接入/碰撞检测＝CSMA/CD

　　CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号.
（八）碰撞检测。

　　“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

　　检测到碰撞以后：

　　在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

　　电磁波在总线上的有限传播速率的影响 ：

　　当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。

　　重要特性

　　使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率

　　争用期

　　最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2t （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延 2t 称为争用期，或碰撞窗口。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

　　二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type)

　　发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。确定基本退避时间，一般是取为争用期 2t。定义重传次数 k ，k £ 10，即k = Min[重传次数, 10] 从整数集合[0,1,…, (2k -1)]中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

　　争用期的长度

　　以太网取 51.2 ms 为争用期的长度。对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

　　最短有效帧长

　　如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

　　强化碰撞

　　当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。
（九）传统以太网的连接方法

　　传统以太网可使用的传输媒体有四种：铜缆（粗缆和细缆）、铜线（双绞线）、光缆。这样，以太网就有四种不同的物理层：

10base5（粗缆），10base2（细缆），10base-t（双绞线），10base-f（光缆）

　　（1）细缆以太网 10BASE2

用更便宜的直径为 5 mm 的细同轴电缆(特性阻抗仍为 50 W)，可代替粗同轴电缆。 将媒体连接单元 MAU 和媒体相关接口 MDI都安装在网卡上，取消了外部的 AUI电缆。 细缆直接用标准 BNC T 型接头连接到网卡上的 BNC 连接器的插口.

　　（2）星形网 10BASE-T

不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub).集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。

　　（3）以太网在局域网中的统治地位

　　10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。

　　(4)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。在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。特点是：可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。帧间时间间隔从原来的 9.6 ms 改为现在的 0.96 ms。三种不同的物理层标准：100BASE-TX使用
2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。 100BASE-FX ：使用 2 对光纤。 100BASE-T4：使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。

　　（5）吉比特以太网

　　允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。使用 802.3 协议规定的帧格式。在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。它的物理层：1000BASE-X 基于光纤通道的物理层：1000BASE-SX SX表示短波长；1000BASE-LX LX表示长波长；1000BASE-CX CX表示铜线；1000BASE-T 它使用 4对 5 类线 UTP。（载波延伸carrier extension：吉比特以太网在工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度，才能使参数
a 保持为较小的数值。吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100 m，但采用了“载波延伸”的办法，使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼容性），同时将争用时间增大为 512 字节。）（在短 MAC 帧后面加上载波延伸：凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC 帧的发送长度增大到 512 字节，但这对有效载荷并无影响。接收端在收到以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。）（分组突发：当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充。
随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。）（当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。）

　　（6）10吉比特以太网

　　10吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。吉比特以太网的物理层 ：局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数据率是 10.000 Gb/s。可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“Gb/s”的
SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相连接。为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/s。端到端的以太网传输 ：10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。这种工作方式的好处是：成熟的技术；互操作性很好；在广域网中使用以太网时价格便宜。统一的帧格式简化了操作和管理。以太网从 10 Mb/s 到10 Gb/s 的演进
：以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是：可扩展的（从 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。易于安装。稳健性好。

　　其他种类的高速局域网：100VG-AnyLAN 局域网，使用集线器的 100 Mb/s 高速局域网 ；光纤分布式数据接口 FDDI (Fiber Distributed Data Interface) 使用光纤作为传输媒体的令牌环形网 ；高性能并行接口 HIPPI (HIgh-Performance Parallel Interface) 主要用于超级计算机与一些外围设备（如海量存储器、图形工作站等）的高速接口；光纤通道(Fibre Channel)
（十）集线器的特点：

　　集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。集线器很像一个多端口的转发器（单独的转发器是两个端口的），工作在物理层。（集线器是信号的通道，延长一定的通信距离，数据转发功能，不处理帧。）
（十一）以太网的 MAC 层（MAC 层的硬件地址）

　　在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。802标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 bit 的“名字”称为“地址”，所以这里也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。路由器由于同时连接到两个网络上，因此它有两块网卡和两个硬件地址。

　　MAC地址的表现形式为：如08:00:20:0A:8C:6D

其中前3位16进制数08:00:20代表网络硬件制造商的编号（机构唯一标志符），它由IEEE （Istitute of Electrical and Electronics Engineers，电气与电子工程师协会）分配，而后3位16进制数0A:8C:6D代表该制造商所制造的某个网络产品（如网卡）的系列号（扩展标志符号）。

　　以太网和802.3的mac帧地址区别：

　　以太网是低位在后高位在前，先发送高位最后发送低位。8023.则相反。

　　以太网和802.3的mac帧格式区别

　　Ethernet II帧格式：

| 前序 | 目的地址 | 源地址 | 类型 | 数据 | FCS |

| 8 byte | 6 byte | 6 byte | 2 byte | 46~1500 byte | 4 byte｜

　　IEEE802.3一般帧格式

| 前序 | 帧起始定界符|目的地址 | 源地址| 长度 | 数据 | FCS |

| 7 byte | 1 byte | 2/6 byte |2/6 byte| 2 byte | 46~1500 byte | 4 byte|

　　Ethernet II和IEEE802.3的帧格式比较类似，主要的不同点在于前者定义的2字节的类型主要就是协议，而后者定义的是2字节的长度；所幸的是，后者定义的有效长度值与前者定义的有效类型值无一相同，这样就容易区分两种帧格式了。以太网的类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。

　　数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段

　　最小长度 64 字节 - 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 . 当传输媒体的误码率为 1´10-8 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 1´10-14。当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节，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。为了达到比特同步,在传输媒体上实际传送的要比 MAC
帧还多 8 个字节。
（十二）网卡检查 MAC 地址

　　网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。“发往本站的帧”包括以下三种帧：单播(unicast)帧（一对一）、广播(broadcast)帧（一对全体）、多播(multicast)帧（一对多）。
（十三）两种不同的帧格式：

　　常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ：

　　DIXEthernet V2 标准和IEEE 的 802.3 标准

　　最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。
（十四）无效的MAC帧

（1）数据字段的长度与长度字段的值不一致；

（2）帧的长度不是整数个字节；

（3）用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；

（4）数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。

（5）有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。

（6）对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。
（十五）帧间最小间隔

　　帧间最小间隔为 9.6 ms，相当于 96 bit 的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 ms 才能再次发送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。
（十六）用集线器扩展局域网（在物理层）

　　（1）优点：使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。扩大了局域网覆盖的地理范围。

　　（2）缺点：碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。
（十七）在数据链路层扩展局域网。（使用网桥）

　　在数据链路层扩展局域网是使用网桥。网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，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一个端口。

　　（1）优点：过滤通信量。 扩大了物理范围。提高了可靠性。可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。

　　（2）缺点：存储转发增加了时延。 在MAC 子层并没有流量控制功能（说明：就是指网桥的MAC子层没有流量控制，而不是说MAC子层本身没有流量控制）。具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。
（十八）网桥和集线器（或转发器）不同

　　集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。在这一点上网桥的接口很像一个网卡。但网桥却没有网卡。由于网桥没有网卡，因此网桥并不改变它转发的帧的源地址。 （透明网桥：目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)，“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。 透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D
（十九）网桥的工作流程或者工作状态是什么？

　　网桥应当按照以下算法处理收到的帧和建立转发表

(1) 从端口 x 收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找目的站 MAC 地址。

(2) 如有，则查找出到此 MAC 地址应当走的端口 d，然后进行(3)，否则转到(5)。

(3) 如到这个 MAC 地址去的端口 d = x，则丢弃此帧（因为这表示不需要经过网桥进行转发）。否则从端口 d 转发此帧。

(4) 转到(6)。

(5) 向网桥除 x 以外的所有端口转发此帧（这样做可保证找到目的站）。

(6) 如源站不在转发表中，则将源站 MAC 地址加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口号，设置计时器。然后转到(8)。如源站在转发表中，则执行(7)。

(7) 更新计时器。

(8) 等待新的数据帧。转到(1)。
（二十）网桥在转发表中登记以下三个信息。（转发表的组成）

　　站地址：登记收到的帧的源 MAC 地址。端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号。时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。（转发表中的 MAC 地址是根据源 MAC 地址写入的，但在进行转发时是将此 MAC 地址当作目的地址。如果网桥现在能够从端口 x 收到从源地址 A 发来的帧，那么以后就可以从端口 x 将帧转发到目的地址 A。）
（二十一）透明网桥使用了支撑树算法

　　这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。

　　支撑树的得出：

　　每隔几秒钟每一个网桥要广播其标识号(由生产网桥的厂家设定的一个惟一的序号)和它所知道的其他所有在网上的网桥。 支撑树算法选择一个网桥作为支撑树的根(例如，选择一个最小序号的网桥)，然后以最短路径为依据，找到树上的每一个结点。 当互连局域网的数目非常大时，支撑树的算法很花费时间。这时可将大的互连网划分为多个较小的互连网，然后得出多个支撑树。
（二十二）源路由网桥

　　透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由。发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。
（二十三）多端口网桥（就是以太网交换机）

　　1990 年问世的交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。以太网交换机通常都有十几个端口。因此，以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。

　　交换机和网桥（都工作在数据链路层）都能完成的功能是：

　　自学习、数据转发（也叫过滤）、阻止二层环路的出现。

　　网桥和交换机的区别是什么？

　　第一是网桥是少端口的而交换机是多端口的。第二是网桥的转发功能是通过软件来实现的，而交换机是通过硬件来实现转发功能的速度较快。
（二十四）以太网交换机的特点：

　　以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高（其实意思就是说它的转发功能是又硬件来完成的所以很快）。

（1）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(10 Mb/s)的 N 分之一。

（2）使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 对端口的交换机的总容量为 N´10 Mb/s。这正是交换机的最大优点.
（二十五）虚拟局域网的概念

　　虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。（虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。）目的是打破地域的界限。有效的将冲突域和广播域分离。
（二十六）虚拟局域网使用的以太网的帧格式：

　　虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式的源地址后边插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。
（二十七）VLAN在交换机上的配置（分三步）

　　配置ＶＬＡＮ号和名称；将交换机端口加入ＶＬＡＮ；配置中继端口
四、无线局域网。
（一）有固定基础设施的无线局域网。

　　一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信，但在和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站。基本服务集中的基站叫做接入点 AP ，(Access Point)其作用和网桥相似。一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点 AP连接到一个主干分配系统 DS (Distribution System)，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS (Extended Service Set)。ESS 还可通过叫做门桥(portal)为无线用户提供到非
802.11 无线局域网（例如，到有线连接的因特网）的接入。门桥的作用就相当于一个网桥。 移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集，而仍然可保持与另一个移动站 B 进行通信。

　　移动站分类：（就是一些带天线的手持设备）

　　我们把无线局域网中的站分为全移动站与半移动站两类。全移动站指在网络覆盖范围内该站可在移动状态下保持与网络的通信。例如蜂窝电话网的移动站（收机）即 是一种全移动站。半移动站指在网络覆盖范围内网中的站可自由移动，但仅在静止状态下才能与网络通信。支持全移动站的网络称为全移动网络，而支持半移动站的 网络称为半移动网络。按以上分类，目前的无线局域网大都属于覆盖范围极小的（几米到几百米）的全移动网络。为了扩大覆盖范围和提高频带利用率，必然导致引 入蜂窝或微蜂窝网络结构。
（二）无固定基础设施的无线局域网。自组网络(ad hoc network)

　　自组网络没有上述基本服务集中的接入点 AP 而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。

　　移动自组网络的应用前景

在军事领域中，携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中的机群。 当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的 。

　　移动自组网络和移动 IP 并不相同 ：

移动 IP 技术使漫游的主机可以用多种方式连接到因特网。移动 IP 的核心网络功能仍然是基于在固定互联网中一直在使用的各种路由选择协议。移动自组网络是将移动性扩展到无线领域中的自治系统，它具有自己特定的路由选择协议，并且可以不和因特网相连。
（三）802.11 标准中的物理层

　　1997 年IEEE 制订出无线局域网的协议标准的第一部分，802.11。在1999年又制订了剩下的两部分，802.11a 和 802.11b。802.11 的物理层有以下三种实现方法：跳频扩频 FHSS、直接序列扩频 DSSS、红外线 IR。802.11a 的物理层工作在 5 GHz频带，采用正交频分复用 OFDM，它也叫做多载波调制技术（载波数可多达 52 个）。可以使用的数据率为 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 和 56 Mb/s。 802.11b 的物理层使用工作在 2.4 GHz
的直接序列扩频技术，数据率为 5.5 或 11 Mb/s。
（四）802.11 标准中的 MAC 层CSMA/CA 协议

　　无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主要有两个原因。CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem) 。相对应的是暴露站(exposed station problem)问题，即能够检测到媒体上有信号sign，但是它要想通信的那个站点B和这个信号sign没有关系，但是它仍然放弃这次通信。

　　CSMA/CA 协议

　　无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改进的 CSMA 协议。这也正是它和以太网有线接入的区别。改进的办法是将 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能，802.11 就使用 CSMA/CA 协议。而在使用 CSMA/CA 的同时还增加使用确认机制。下面先介绍 802.11 的 MAC 层。MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。802.11 的
MAC 层在物理层之上包括两个子层 ：一个是DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务。 另一个是PCF 子层使用集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生 。
（五）帧间间隔 IFS

　　所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS (InterFrame Space)。帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间。若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。SIFS，即短(Short)帧间间隔，长度为 28 ms，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。使用
SIFS 的帧类型有：ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧，以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF 方式中接入点 AP 发送出的任何帧。PIFS，即点协调功能帧间间隔（比 SIFS 长），是为了在开始使用 PCF 方式时（在 PCF 方式下使用，没有争用）优先获得接入到媒体中。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度（其长度为 50 ms），即78 ms。时隙的长度是这样确定的：在一个基本服务集 BSS 内当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时，那么在下一个时隙开始时，其他站就都能检测出信道已转变为忙态。DIFS，即分布协调功能帧间间隔（最长的
IFS），在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS 的长度比 PIFS 再增加一个时隙长度，因此 DIFS 的长度为 128 ms。
（六） CSMA/CA 协议的原理

　　欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间 DIFS 后就可发送。为什么信道空闲还要再等待呢？这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。如有，就要让高优先级帧先发送。

　　假定没有高优先级帧要发送

　　源站发送了自己的数据帧。目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔 SIFS 后，向源站发送确认帧 ACK。若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK（由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。

　　虚拟载波监听

　　虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。这样就大大减少了碰撞的机会。 “虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。这种效果好像是其他站都监听了信道。所谓“源站的通知”就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间。

　　网络分配向量

　　当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。NAV 指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。

　　争用窗口

　　信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。在信道从忙态转为空闲时，各站就要执行退避算法。这样做就减少了发生碰撞的概率。802.11 使用二进制指数退避算法.

　　二进制指数退避算法

　　第 i次退避就在 22 + i 个时隙中随机地选择一个。第 1 次退避是在 8 个时隙（而不是 2 个）中随机选择一个。第 2 次退避是在 16 个时隙（而不是 4 个）中随机选择一个.

　　使用退避算法

　　仅在下面的情况下才不使用退避算法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。即：在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。在每一次的重传后。在每一次的成功发送后。

　　802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。

　　源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS (Request To Send)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧，叫做允许发送 CTS (Clear To Send)，它包括这次通信所需的持续时间（从 RTS 帧中将此持续时间复制到 CTS 帧中)