数据链路层（6）局域网无线局域网广域网

一、局域网

　　局域网（Local Area Network）：简称为LAN，是指在某一区域内由多台计算机互联组成的计算机网络，使用广播信道。

　　局域网的特点：

　　（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网，如一幢大楼内。

　　（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）各站点平等通信，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。

　　局域网的主要要素有：网络拓扑、传输质质和介质访问控制方法。

二、局域网的拓扑结构

　　局域网的拓扑结构分为星型拓扑、总线型拓扑、环形拓扑、树型拓扑。

　　星型拓扑：中心节点是控制中心，任意两个节点的通信最多只需两步，传输速度快，并且网络结构简单、建网容易、便于控制和管理，但这种网络可靠性低，网络共享能力差，有单点故障问题。

　　总线型拓扑：网络可靠性高、网络节点间响应速度快、共享资源能力强、设备投入量少、成本低、安装使用方便，当某个工作站节点出现故障时，对整个网络影响小。（目前局域网其实就是总线型网络的一种应用）

　　环形拓扑：通信过程中有单点故障问题，由于环路是封闭的，所以不便于扩充，系统响应延时长，且信息传输效率相对较低。

　　树型拓扑：易于拓展，易于隔离故障，也容易有单点故障。

三、局域网传输介质

　　局域网按传输介质分可以分为有线局域网和无线局域网。

　　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。

四、局域网介质访问控制方法

　　（1）CSMA/CD协议，常用于总线型局域网，也用于树型网络。

　　（2）令牌总线：常用于总线型局域网，也用于树型网络，它是把总线型或树型网络中的各个工作站按一定顺序如按接口地址大小排列形成一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。

　　（3）令牌环：常用于环形局域网，如令牌环网。

五、局域网的分类

　　（1）以太网

　　以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网（10Mbps）、快速以太网（100Mbps）、千兆以太网（1000Mbps）、10G以太网，它们都符号IEEE802.3系列标准规范。逻辑拓扑总线型，物理拓扑是星型或拓展星型，使用CSMA/CD协议。

　　（2）令牌环网

　　物理上采用了星形拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。

　　（3）FDDI网

　　物理上采用了双环光纤拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。

　　（4）ATM网

　　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。

　　（5）无线局域网WLAN

　　采用IEEE802.11标准。

六、IEEE802标准

　　IEEE802系列标准是IEEE802 LAN/MAN标准委员会制定的局域网、城域网技术标准（1980年2月成立）。其中最广泛使用的有以太网、令牌环、无线局域网等。这一系列标准中的每一个子标准都由委员会中的一个专门工作组负责。

　　IEEE802.3：以太网介质访问控制协议CSMA/CD 及物理层技术规范。

　　IEEE802.5：令牌环网的介质访问控制协议入物理层技术规范。

　　IEEE802.8：提供有关光纤网的技术规范。

　　IEEE802.11：无线局域网WLAN的介质访问控制协议及物理层技术规范。

七、MAC子层和LLC子层

　　IEEE802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和物理局，它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层。

　　LLC子层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：无确认连接、面向连接、带确认无连接。

　　MAC子层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，MAC子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性。

八、以太网

　　以太网（Ethernet）指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel、Dec公司联合开发的基带总线局域网规范，是当令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协议（载波监听多路访问及冲突检测）技术。

　　以太网的两个标准

　　DIX Ethernet V2：第一个局域网产品（以太网）规约。

　　IEEE 802.3：IEEE 802.3委员会802.3工作组制定的第一个IEEE以太网标准。

　　注：他们的帧格式有一点小小的区别。

　　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。

　　注：以太网只实现无差错接收，不实现可靠传输。

　　以太网传输介质与拓扑结构的发展

　　（1）传输介质：由电缆过渡到双绞线。

　　（2）拓扑结构：由总线型过渡到星型结构。

　　注：集线器的使用使以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用还是CSMA/CD协议。

　　　　以太网拓扑：逻辑上是总线型，物理上是星型。

　　10BASE-T以太网

　　（1）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。

　　（2）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。

　　（3）采用CSMA/CD介质访问控制。

　　适配器与MAC地址

　　适配器：计算机与外界局域网的连接需要通过通信适配器进行链接，也叫网络接口卡NIC（Network Interface Card），适配器上有处理器和存储器（包括随机存储器RAM和只读存储器ROM），ROM上存储有计算机的网络硬件地址MAC。

　　MAC地址：是计算机在数据链路层上标识网络设备的标识符。每个适配器都有的一个全球唯一的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：00-50-56-C0-00-88。

　　以太网MAC帧

　　最常用的MAC帧是以太网v2的格式。如图：

　　以太网的MAC帧：

　　目的地址6B：接收方地址，这个地址有三种值，第一种是一个单播地址，就是发送给某一个固定的主机；第二种广播地址，发送给同一子网下的相同主机；第三种多播地址。

　　源地址6B：发送方地址。

　　类型2B：指明上层网络层使用的协议，以便把相关数据转交给网络层的上层协议。

　　数据（46-1500B）：最小数据帧长为46B，最小的IP数据包长为64B，6+6+2+46+4 = 64。

　　FCS 4B：帧检验序列。

　　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

　　在双绞线上传递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，可在双工方式下工作而冲突。

　　2、1GBASE以太网

　　在光线或双绞线上传送1Gb/s信号，支持全双工和半双工，可在双工方式下工作而冲突。

　　3、10GBASE以太网

　　10GBASE以太网在光纤上传输10Gb/s信号，只支持全双工，无争用问题。

　　　　快速以太网

　　　　千兆以太网

　　　　　　两个标准802.3z和802.3ab（1000BASE-T），千兆需要4对双绞线，达到100米传输。

　　　　　　1000BASE-LX标准可以使用单模和多模光纤传输。

　　　　　　千兆以太网编码方法：4B/5B或8B/9B。

　　　　万兆以太网

　　　　　　万兆以太网标准：IEEE802.3ae，支持10G速率，可用光纤或者双绞线传输。

　　　　　　万兆以太网基本应用于点到点线路，不再共享带宽，没有冲突检测，载波监听和多路访问技术也不再重要。千兆以太网和万兆以太网采用与传统以太网同样的帧结构。

九、无线局域网WLAN和IEEE802.11

　　IEEE802.11无线局域网标准

　　IEEE802.11是无线局域网的通用标准，它是由IEEE定义的无线网络通信的标准。

　　802.11的MAC帧头格式

　　假如手机用户A要与手机用户B进行通信，手机用户A注册在机站AP1，手机用户B注册在机站AP2，那么上面的802.11的MAC帧头格式为：地址1 RA接收端为AP2的MAC地址，地址2 TA发送端为AP1的MAC地址，地址3 DA目的地址为手机用户B的MAC地址，地址4 SA源地址为手机用户A的MAC地址。

　　几种802.11的MAC帧类型

　　802.11 MAC层

　　无线局域网的访问控制方式用于控制各移动主机与AP之间或主机与主机之间的通信。

　　主要有两种方式：点协议功能PCF和分布式协调功能DCF。

　　PCF点协调技术：由AP集中轮询所有终端，将发送权限轮流交给各终端，类拟令牌（无争用服务），DCF分布式协调技术（CSMA/CA）大家争用访问（争用服务）。

　　CSMA/CA技术：

　　（1）发送站点先监听，若没有信号在传送（空闲），则等待一个帧间隔时间IFS,若仍然空闲，则立即发送。

　　（2）若有信号在传送（忙），则继续监听，直到介质上的传输结束。

　　（3）一旦介质上的传输结束，再延时一个IFS时间，若空闲，立即发送，否则调用二进制指数后退算法随机延迟一段时间后传（1）。

　　该方式被称为CSMA/CA控制试。

　　802.11 三种帧间间隔

　　IFS（分布式协调IFS）：最长的IFS，优先级最低，用于异步竞争访问的时延。

　　PIFS（点协调IFS）：中等长度的IFS，优先级居中，在PCF中使用。

　　SIFS（短IFS）：最短的IFS，优先级最高，用于需要立即响应的。

　　无线局域网的分类WLAN

　　　　（1）基础设施无线局域网，通过无线接入点AP接入。

　　　　无线局域网除了让在一个基本服务集ESS下的用户可以相互通信外，如果需要与别的服务集用户通信，可以借助与无线设备相连的有线网络传输信息，一般通过分配系统DS实现。

　　　　注：服务集标识符就是WIFI的SSID。

　　　　（2）Ad Hoc 无线局域网

　　　　Ad Hoc无线局域网指的是没有任何的集线器、路由器、机站等，只有主机他们自已组成网络，其中的主机他们自己充当路由器功能，他们之间的地位是相互平等的，每个节点都可以任意的移动。

　　　　（3）分布式系统，分布式的网络。

　　ISM频段

　　ISM频段，主要是开放给工业、科学、医学三个主要机构使用，频段依据美国联邦通讯委员会（FCC）定义出来，并没有所谓使用授权的限制。

　　　　工业频段（902-928MHz）

　　　　科学频段（2.4-2.4835GHz）

　　　　医学频段（5.725-5.875GHz）

十、广域网

　　广域网（WAN，Wide Area Network），通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个州提供远距离通信，形成国际性的远程网络。

　　广域网的通信子网主要使用分组交换技术，广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的局域网计算机互连起来，达到资源共享的目的，如因特网Internet是世界范围内最大的广域网。

　　可以看到上图是一个广域网的图例，左右两方分别是两个局域网，每个局域网通过结点交换机连接至广域网，结点交换机与路由器很像都是用于转发分组的，结点交换机只能在单个的网络中转发分组，而路由器可以在多个网络中转发分组的，广域网的覆盖范围有物理层、链路层、网络层，而局域网覆盖范围有物理层、链路层，局域网普遍采用多点接入技术（总线技术），广域网一般采用点对点技术，广域网强调的是资源的共享，局域网强调的是数据传输。

　　PPP协议

　　点对点协议PPP（Point to Point Protocol）是目前使用最广泛的数据链路层协议，用户使用拨号电话接入因特网时一般都使用PPP协议，PPP协议只支持全双工模式。

　　PPP协议详解

　　HDLC协议

　　高级数据链路控制HDLC（High-Level Data Link Control），是一个在同步网上传输数据，面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织ISO根据IBM公司的SDLC（SynchronousData Link Control）协议扩展开发而成的。

　　HDLC协议详解

　　PPP协议与HDLC协议的区别

　　（1）HDLC、PPP只支持全双工链路。

　　（2）都可以实现透明传输。

　　（3）都可以实现差错检测，但不纠正差错。