局域网原理与技术

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局域网原理与技术

  1. 局域网是指将分散在一个局部地理范围的多台计算机通过传输媒体连接起来的通信网络。局域网具有网络覆盖区域相对较小、传输速率高、误码率低、大多采用广播方式传输数据等特点。
  2. 局域网的四个技术特性是指传输媒体、传输技术、网络拓扑,以及媒体访问控制方法
  3. 局域网中基于轮询的媒体访问控制通常采用令牌传递的方法,包括令牌总线和令牌环两种。以太网中使用的是基于随机访问的媒体访问控制方法。
  4. 以太网采用的地址为扩展的唯一标识符MAC地址,占48位(6个字节)
  5. CSMA/CD的具体含义解释包括多点接入、载波监听和冲突检测。
  6. 争用期(冲突窗口)指的是总线式局域网的端到端往返时延,其物理意义在于提供了设计总线式局域网中最小有效帧长的计算依据。
  7. 局域网扩展使用的网络设备中,集线器工作在OSI体系结构的物理层,网桥/交换机工作在数据链路层。
  8. 以太网交换机的工作有三种,直通交换方式,存储转发方式,和无碎片交换方式。
  9. 高速以太网是指速率达到或超过100Mb/s的以太网,如100BASE-T、千兆以太网和万兆以太网等。
  10. .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,是在现有局域网上提供的划分逻辑组的一种服务。
  11. 无线局域网采用的是CSMA/CA协议,在CSMA基础上增加了冲突避免机制和确认机制。

局域网概述

  • 局域网是将分散在一个局部地理范围的多台计算机通过传输媒体连接起来的通信网络.
  • 网络覆盖的区域相对较小
  • 传输速率高, 误码率低
  • 传输质量高
  • 局域网具有专用性质
  • 大多采用广播方式传输数据, 不需要考虑路由选择
  • 在 IEEE 802 条款 OSI 数据链路层分为两个子层: 逻辑链接控制 (LLC) 和媒体访问控制 (MAC)。
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局域网的技术特性

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媒体访问控制技术

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以太网技术

以太网概述

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MAC地址与帧格式

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"发往本站的帧"包括以下三种帧:

  • 单播帧(一对一)
  • 广播帧(一对全体)
  • 多播帧(一对多)
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网卡校验以太网帧后, 没有将FCS字段(4字节)传递给tcp/ip协议栈, 所以使用wireshark捕获到的帧长度会少4个字节


以太网工作原理

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二进制指数退避算法

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CSMA/CD发送,接收流程

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小结

关于以太网的帧长范围

我们知道,在以太网中,对数据帧的长度是有限制的,也就是说至少是64字节,最大是1518字节。你能说一下这两个数字是怎么得到的吗?请大家发表一下自己的看法哦!特别是为什么对帧长会有最短和最长的限制呢?

以太网中数据长度范围是46~1500,根据数据帧的构成可知,数据帧是在数据长度的基础上加上目的地址源地址类型字符FCS,这些加起来一共18个字节,所以数据帧长度范围为64~1518,而最短帧长取决定于争用期,最长帧长则是由最大传送单元(MTU)限制的

最短帧长=6(目的地址)+6(源地址)+2(类型)+46(数据)+4(FSC)=64字节
最长帧长=6(目的地址)+6(源地址)+2(类型)+1500(数据)+4(FSC)=1518字节

传统的以太网是共享性局域网,采用载波侦听多路访问/冲突检测CSMA/CD协议.最小帧长必须大于整个网络的最大时延位(最大时延时间内可以传输的数据位).
如果帧长度太小,就可能出现网络上同时有两个帧在传播,就会产生冲突(碰撞)而造成网络无法发送数据.
如果数据帧太长就会出现有的工作长时间不能发送数据,而且可能超出接受端的缓冲区大小,造成缓冲益出.
由于多方面的限制,每个以太网帧都有最小的大小64bytes最大不能超过1518bytes,对于小于或者大于这个限制的以太网帧我们都可以视之为错误的数据帧,一般的以太网转发设备会丢弃这些数据帧.
(注:小于64Bytes的数据帧一般是由于以太网冲突产生的“碎片”或者线路干扰或者坏的以太网接口产生的,对于大于1518Bytes的数据帧我们一般把它叫做Giant帧,这种一般是由于线路干扰或者坏的以太网口产生)

传统以太网,传输速率是10Mbps,一个以太网链路最大来回传播延时是51.2us,也就是说,帧的大小/10Mbps必须大于等于51.2us,否则,如果帧太短了,可能数据已经发完了,即时和别的信号冲突了,也不能监测到冲突信号了,这样的话,CSMA/CD协议也就不可靠了。所以帧最小长度为512bit,即64个字节。由于上层数据最大是1500字节,加上源地址6个字节,目的地址6个字节,2个字节的类型信息,再加上4个字节的检验。所以,最大帧长为1518字节

关于最大传输单元MTU

我们都知道,以太网中规定自己的MTU值是1500字节,大家可以讨论一下,MTU一般是依据什么来划分的?

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关于二进制指数退避算法

退避算法是怎么确定用二进制指数来算的呢?有什么优点吗?为什么退避算法随机取的最大值到了2^10-1以后就不再增加了?请就你感兴趣的话题发表一下自己的看法。

退避算法优点是牺牲时间效率,换取冲突概率减小,指数大于10,牺牲时间太长,发送端自动判定发送失败,并报告上层!

局域网的扩展

设备 工作层次 作用 隔离冲突域 隔离广播域
集线器 物理层 将多条以太网双绞线或光纤集合连接在同一段物理介质下的设备, 对收到的信号进行放大, 转发 × ×
交换机 数据链路层 用于电(光)信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路,把传输的信息送到符合要求的相应路由上 ×
路由器 网络层 连接因特网中各局域网、广域网的设备。在路由器中记录着路由表,它会根据信道的情况自动选择和设定路由,以最佳路径,按前后顺序发送信号

在OSI模型中,冲突域被看作是第一层的概念,第二层设备(网桥,交换机)第三层设备(路由器)都可以划分冲突域的, 广播域被认为是OSI中的第二层概念, 所以像集线器,交换机等第一,第二层设备连接的节点被认为都是在同一个广播域。而路由器,第三层交换机则可以划分广播域,即可以连接不同的广播域。

  • | 路由器 | 交换机
    :--:|:-----:|:----:
    工作层次 | 网络层 | 数据链路层
    转发依据 | IP地址 | Mac地址
    功能 | 连接不同的网络 | 连接局域网中的电脑
    宽带影响 | 共享宽带 | 独享宽带

  • | 交换机 | 集线器
    :-:|:-----:|:----:
    工作层次 | 数据链路层 | 物理层
    宽带影响 | 独享 | 共享
    数据传输 | 有目的发送 | 广播发送
    传输模式 | 全双工或半双工 | 半双工

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以太交换机转发方式

直通交换方式

在收到数据帧后,不进行缓存和校验,而是直接转发到目的端口。


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存储转发方式

在缓冲区存储接收到的整个数据帧,然后进行CRC校验,检查数据帧是否正确,如果正确,再进行转发。如果不正确,则丢弃。


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无碎片交换方式

接收数据帧时,会先缓存数据帧的前64个字节,确保数据帧大于64个字节,再进行转发


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若该10台计算机接到了10Mb/s的以太网交换机上,则每台计算机的平均带宽为( 10 )Mbps

若该10台计算机接到了10Mb/s的集线器上,则每台计算机的平均带宽为( 1 )Mbps


高速以太网

100BASE-T以太网

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以太网信道利用率讨论
以太网从10Mb/s到100Mb/s、1000Mb/s,甚至到10Gb/s,为了向下兼容,需要保持最短帧长不变,有什么办法来保证以太网的信道利用率呢?
提示,可以从交换/共享技术,全双工方式/半双工方式,网段的最大电缆长度,以及其他特定网络技术等方面考虑。

采用的办法有如下几点:
1、距离减小为原来的1/10,
2、帧间时间间隙从9.6微秒减小到0.96微秒;
3、采用“载波延伸”技术,保持网段最大距离为100m,最小帧长为64Byte;同时将争用期增大为512Byte并使用“分组突发”减小开销。
4、使用光纤做为传输媒介。
5、采用全双工模式


虚拟局域网

虚拟局域网的划分方法

  • 基于端口划分VLAN
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  • 基于MAC地址划分VLAN
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  • 基于网络层协议划分VLAN
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  • 基于IP组播划分VLAN
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虚拟局域网的格式

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无线局域网

无线局域网分类

  • 有固定基础设施的无线局域网
  • 无固定基础设施的无线局域网

CSMA/CA协议

协议标准 工作频段 最高速率
IEEE 802.11 2.4GHz 2Mbit/s
IEEE 802.11b 2.4GHz 11Mbit/s
IEEE 802.11a 5GHz 54Mbit/s
IEEE 802.11g 2.4GHz 54Mbit/s
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帧间间隔

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小结

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分析CSMA/CA与CSMA/CD的区别
我们学习过了两个CSMA协议,根据你的理解,请分析CSMA/CA与CSMA/CD的区别。

1)载波检测方式:因传输介质不同,CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测,当数据发生碰撞时,电缆中的电压就会随着发生变化;而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。
2)信道利用率比较CSMA/CA协议信道利用率低于CSMA/CD协议信道利用率。但是由于无线传输的特性,在无线局域网不能采用有线局域网的CSMA/CD协议。信道利用率受传输距离和空旷程度的影响,当距离远或者有障碍物影响时会存在隐藏终端问题,降低信道利用率。
具体最高的信道利用率与传输速率有关。在IEEE802.11b无线局域网中,在1Mb/s速率时最高信道利用率可到90%,而在11Mb/s时最高信道利用率只有65%左右。

CSMA/CD:带有冲突检测的载波监听多路访问,可以检测冲突,但无法“避免”。
CSMA/CA:带有冲突避免的载波监听多路访问,发送包的同时不能检测到信道上有无冲突,只能尽量“避免”。


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