本篇笔记课程来源:王道计算机考研 计算机网络
【计算机网络】第三章:数据链路层(下)
- 五、介质访问控制
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- [1. 介质访问控制](#1. 介质访问控制)
- [2. 信道划分](#2. 信道划分)
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- [Ⅰ. 时分复用(TDM)](#Ⅰ. 时分复用(TDM))
- [Ⅱ. 统计时分复用(STDM)](#Ⅱ. 统计时分复用(STDM))
- [Ⅲ. 频分复用(FDM)](#Ⅲ. 频分复用(FDM))
- [Ⅳ. 波分复用(WDM)](#Ⅳ. 波分复用(WDM))
- [Ⅴ. 码分复用(CDM)](#Ⅴ. 码分复用(CDM))
- [3. 随机访问](#3. 随机访问)
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- [Ⅰ. ALOHA 协议](#Ⅰ. ALOHA 协议)
- [Ⅱ. CSMA 协议](#Ⅱ. CSMA 协议)
- [Ⅲ. CSMA/CD 协议 ⚠️‼️](#Ⅲ. CSMA/CD 协议 ⚠️‼️)
- [Ⅳ. CSMA/CA 协议](#Ⅳ. CSMA/CA 协议)
- [4. 轮询访问](#4. 轮询访问)
- 六、局域网
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- [1. IEEE 802](#1. IEEE 802)
- [2. 局域网基本概念和体系结构](#2. 局域网基本概念和体系结构)
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- [Ⅰ. 局域网特点](#Ⅰ. 局域网特点)
- [Ⅱ. 局域网分类](#Ⅱ. 局域网分类)
- [Ⅲ. 局域网硬件架构](#Ⅲ. 局域网硬件架构)
- [3. 以太网与 IEEE 802.3](#3. 以太网与 IEEE 802.3)
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- [Ⅰ. 以太网标准](#Ⅰ. 以太网标准)
- [Ⅱ. 以太网 MAC 帧](#Ⅱ. 以太网 MAC 帧)
- [Ⅲ. 帧传播](#Ⅲ. 帧传播)
- [4. VLAN 与 IEEE 802.1Q](#4. VLAN 与 IEEE 802.1Q)
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- [Ⅰ. 基本概念](#Ⅰ. 基本概念)
- [Ⅱ. 802.1Q 帧](#Ⅱ. 802.1Q 帧)
- [5. 无线局域网与 IEEE 802.11](#5. 无线局域网与 IEEE 802.11)
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- [Ⅰ. 基本概念](#Ⅰ. 基本概念)
- [Ⅱ. 802.11 帧](#Ⅱ. 802.11 帧)
- 七、广域网
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- [1. 基本概念](#1. 基本概念)
- [2. PPP 协议](#2. PPP 协议)
- 八、以太网交换机
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- [1. 概述](#1. 概述)
- [2. 自学习功能](#2. 自学习功能)
- [3. 交换方式](#3. 交换方式)
五、介质访问控制
1. 介质访问控制
- 介质访问控制(Medium Access Control,MAC):多个结点共享同一个 "总线型" 广播信道时,可能发送 "信号冲突"。控制各节点对传输介质的访问,实现减少冲突,甚至避免冲突。
- 早期的网络中,常用一条同轴电缆连接多个节点
- 用集线器连接多个节点
- WiFi、5G 等无线通信
- 实现介质访问控制的方法:
- 信道划分:频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多路复用
- 随机访问:ALOHA 协议;CSMA 协议、CSMA/CD 协议、CSMA/CA 协议
- 轮询访问:令牌传递协议
2. 信道划分
Ⅰ. 时分复用(TDM)
- 时分复用(Time Division Multiplexing,TDM):将时间分为等长的 "TDM 帧",每个 "TDM" 帧又分为等长的 m 个 "时隙",将 m 个时隙分配给 m 个用户(节点)使用。
- 缺点:
- 每个节点最多只能分配到信道总带宽的 1 m \frac{1}{m} m1
- 如果某节点暂不发送数据,会导致被分配的时隙闲置,信道利用率低
Ⅱ. 统计时分复用(STDM)
- 统计时分复用(Statistic Time Division Multiplexing,STDM):又称异步时分复用,在 TDM 的基础上,动态按需分配时隙。
- 优点:
- 如果需要时,一个节点可以在一段时间内获得所有的信道带宽资源
- 如果某节点暂不发送数据,可以不分配 "时隙",信道利用率高
Ⅲ. 频分复用(FDM)
- 如果一个信道中存在两个信号的频率区别很大,就很容易在叠加信号中分辨出来。
- 频分复用(Frequency Division Multiplexing,DFM):将信道的总频带划分为多个子频带,每个子频带作为一个子信道,每对用户使用一个子信道进行通信。
- 优点:各节点可同时发送信号;充分利用了信道带宽(Hz)
- 缺点:只能用于模拟信号的传输
Ⅳ. 波分复用(WDM)
- 波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM):即光的频分复用
- 光信号的频带范围(带宽)非常大,因此很适合采用波分复用技术,将一根光纤在逻辑上拆分为多个子信道。
Ⅴ. 码分复用(CDM)
- 2G、3G 移动网络时代,节点和节点之间的通信常使用 CDMA(Code Division Multiplexing Access)技术,底层原理就是码分复用(Code Division Multiplexing,CDM)。
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给各节点分配专属 "码片序列":
- "码片序列" 包含 m m m 个码片(信号值),可看作 " m m m 维向量"(分量通常取 1 或 -1)
- 各节点的 " m m m 维相邻" 必须相互正交
- 相互通信的各节点知道彼此的 "码片序列"
例如:A 的 4 维码片序列 a ⃗ = ( 1 , 1 , 1 , 1 ) \vec{a}=(1,1,1,1) a =(1,1,1,1),B 的 4 维码片序列 b ⃗ = ( 1 , − 1 , 1 , − 1 ) \vec{b}=(1,-1,1,-1) b =(1,−1,1,−1),C 的 4 维码片序列 c ⃗ = ( 1 , 1 , − 1 , − 1 ) \vec{c}=(1,1,-1,-1) c =(1,1,−1,−1)
- 各节点码片序列相互正交: a ⃗ ⋅ b ⃗ = 0 , b ⃗ ⋅ c ⃗ = 0 , a ⃗ ⋅ c ⃗ = 0 , \vec{a} \cdot \vec{b}=0,\vec{b} \cdot \vec{c}=0,\vec{a} \cdot \vec{c}=0, a ⋅b =0,b ⋅c =0,a ⋅c =0,
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发送方如何发送数据:
- 节点发送 m m m 个信号值与 "码片序列" 相同,表示比特 1
- 节点发送 m m m 个信号值与 "码片序列" 相反,表示比特 0
例如:A 的 4 维码片序列 a ⃗ = ( 1 , 1 , 1 , 1 ) \vec{a}=(1,1,1,1) a =(1,1,1,1)
- 比特1: a ⃗ = ( 1 , 1 , 1 , 1 ) \vec{a}=(1,1,1,1) a =(1,1,1,1)
- 比特0: − a ⃗ = ( − 1 , − 1 , − 1 , − 1 ) -\vec{a}=(-1,-1,-1,-1) −a =(−1,−1,−1,−1);
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信号在传输过程中"叠加"
- 当多个发送方同时发送数据时,信号值会叠加(本质是多个 m m m 维向量的加法)
例如:A 发送 (比特1) 4 维码片序列 (1,1,1,1),B 发送 (比特0) 4 维码片序列 (-1,1,-1,1)
- 接收到的叠加信号值为 a ⃗ + ( − b ⃗ ) = ( 0 , 2 , 0 , 2 ) \vec{a}+(-\vec{b})=(0,2,0,2) a +(−b )=(0,2,0,2)
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接收方如何接收数据:
- 接收方收到的是 "叠加" 信号,需要从中 "分离" 出各发送方的数据
- 叠加信号与发送方的码片序列做 "规格化内积",1 表示比特 1,-1 表示比特 0
例如:叠加信号值为 (0,2,0,2)
- 与 A 的码片序列作规格化内积: 1 m a ⃗ ⋅ ( a ⃗ + ( − b ⃗ ) ) = 1 m a ⃗ ⋅ a ⃗ = 1 \frac{1}{m}\vec{a} \cdot (\vec{a} +(-\vec{b}))=\frac{1}{m}\vec{a} \cdot \vec{a}=1 m1a ⋅(a +(−b ))=m1a ⋅a =1,因此 A 发送的是比特1
- 与 B 的码片序列作规格化内积: 1 m b ⃗ ⋅ ( a ⃗ + ( − b ⃗ ) ) = 1 m b ⃗ ⋅ b ⃗ = − 1 \frac{1}{m}\vec{b} \cdot (\vec{a} +(-\vec{b}))=\frac{1}{m}\vec{b} \cdot \vec{b}=-1 m1b ⋅(a +(−b ))=m1b ⋅b =−1,因此 B 发送的是比特0
3. 随机访问
Ⅰ. ALOHA 协议
- ALOHA 协议(Additive Links On-Line Hawaii Area):是世界上最早的无线电计算机通信网,1968年美国夏威夷大学的一项研究计划的名字。
- 纯 ALOHA:如果准备好数据帧,就立刻发送
- 时隙 ALOHA:
- 时隙大小固定等于传输一个最长帧所需时间
- 只有在每个时隙开始时才能发送帧
- 时隙 ALOHA 避免了用户发送数据的随意性,降低了冲突概率,提高了信道的利用率

Ⅱ. CSMA 协议
- CSMA(Carrier Sense Multiple Access)协议:载波监听多路访问协议。
- 在 ALOHA 协议的基础上提出改进:在发送数据之前,先监听信道是否空闲,只有信道空闲时,才会尝试发送
- 节点的网络适配器需安装 "载波监听装置"
- 1-坚持CSMA协议
- 1 表示发送概率为 1。
- 优点:信道利用率高,信道一旦空闲,就可以被下一个节点使用。
- 缺点:当多个节点都已准备好数据时,信道一旦空闲,会有多个节点同时发送数据,冲突概率大。
- 非坚持CSMA协议
- 也可记为:1-非坚持CSMA协议。
- 优点:当多个节点都已准备好数据时,如果信道不空闲,则各节点会随机推迟一段时间再尝试监听,从而使各节点 "错开" 发送数据,降低冲突概率。
- 缺点:信道刚恢复空闲时,可能不会被立即使用,导致信道利用率降低。
- p-坚持CSMA协议
- p 表示发送概率为 p。
- 优点:属于 1-坚持CSMA、非坚持CSMA的折中方案,降低冲突概率的同时,提升信道利用率。
Ⅲ. CSMA/CD 协议 ⚠️‼️
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CSMA/CD(Collision Detection):带有冲突检测的载波监听多路访问,基于 1-坚持CSMA协议进行优化。
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CSMA/CD 协议用于早期的有线以太网(总线型);现在的有线局域网也使用以太网技术,但不一定都是总线型,也可能是星型。
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协议总结:先听后发,边听边发,冲突停发,随机重发
- 第 10 次冲突,是随机重发的分水岭。
- 截断二进制指数退避算法:随机等待时间 = r r r × 争用期,其中 r r r 是随机数。
- 如果 k ≤ 10 k≤10 k≤10, r r r 的取值范围是 [ 0 , 2 k − 1 ] [0, 2^k-1] [0,2k−1]
- 如果 k > 10 k>10 k>10, r r r 的取值范围是 [ 0 , 2 10 − 1 ] [0, 2^{10}-1] [0,210−1]
- 第 16 次冲突,说明网络拥堵,立即停发,传输失败。放弃传输此帧,并报告网络层。
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争用期
- 争用期 = 2 × 最远单向传播距离(考虑距离最远的两个节点)
- 如果争用期内没检测到冲突,本次帧发送就不再可能发送冲突。
- CSMA/CD 没有 ACK 机制,若发送过程中未检测到冲突,就认为帧发送成功
假设:
A、C、D、B 依次相距 2000m,即 A、B 两个节点相距最远为 6000m。
信号传播速度为 2×108 m/s,信道带宽为 10Mbps。
- 信号传播速度 = 2 × 1 0 8 2×10^8 2×108 m/s = 200 200 200 m/μs
- 最大单向传播时延为 6000 m ÷ 200 m / μ s = 30 μ s 6000\,m÷200\,m/μs=30\,μs 6000m÷200m/μs=30μs
- 信道带宽 = 10 10 10 Mbps = 10 b/μs
- 若 A 节点往信道上发送数据,最多需要 30 μs 可以被其他所有节点监听到信号
- 显然,A 节点往信道上发送的数据可能与其他节点发生 "冲突"。那么在最极限的情况下,从 A 节点发出数据开始,最多需要 2 × 30 μs = 60 μs,A 节点一定可以检测到冲突。
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最短帧长
- 最短帧长 = 2 × 最大单向传播时延 × 信道带宽
- 以太网规定最短帧长为 64 B
- 若收到的帧小于最短帧长,视为无效帧。
- 小于最短帧长时,会导致节点误认为发送过程中没有发送冲突,但实际上已经发生了冲突。
- 如果实际要发送的数据很少,可填充至合法长度后再发送。
假设:
A、C、D、B 依次相距 2000m,即 A、B 两个节点相距最远为 6000m。
信号传播速度为 2×108 m/s,信道带宽为 10Mbps。
- 最短帧长 = 2 × 30 μ s × 10 = 600 b i t 2×30\,μs×10=600\,bit 2×30μs×10=600bit
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最长帧长
- 规定最长帧长可防止某些节点一直占用信道。
- 以太网规定最长帧长为 1518 B
Ⅳ. CSMA/CA 协议
- CSMA/CA(Collision Avoidance):带有冲突避免的载波监听多路访问。发送过程中不用检测冲突,发送前尽量避免冲突(但无法完全避免)
- 用于 IEEE 802.11 无线局域网(WiFi),无线局域网不采用 CSMA/CD 原因:
- 硬件上很难实现 "边听边发,冲突检测",因为接收信号的强度往往远小于发送信号的强度,且在无线介质上信号强度的动态变化范围很大。
- 存在 "隐蔽站" 问题,在无线通信中,并非所有站点都能够听见对方,发送节点处没有冲突并不意味着接收节点处就没有冲突。
- 接入点(Access Point,AP):也就是无线 WiFi 热点
- 家用路由器 = 路由器 + 交换机 + AP
- 校园网 = 路由器 + n n n 个交换机 + n × m n × m n×m 个 AP
- 所有移动站点都需要和固定站点 AP 进行通信
- 帧间间隔(Inter Frame Space,IFS)
- DIFS:分布式协调 IFS,最长的帧间间隔。为每次 "帧事务" 开始之前需要等待的时间
- SIFS:短 IFS,最短的帧间间隔。为收到一个帧后需要预留的一段处理时间(如完成差错控制等)
- PIFS:中等长度的帧间间隔,暂不关注。
- 协议要点:
- 发送方:先听后发,忙则退避
- 若信道空闲,间隔 DIFS 后,再发送帧(一口气发完,发送过程中不用检测冲突)
- 若信道不空闲,则进行 "随机退避"。随机退避原理:
- 用二进制指数退避算法确定一段随机退避时间(倒计时)
- 发送方会保持监听信道,只有信道空闲时才 "扣除倒计时",倒计时结束后立即发送帧(此时信道一定空闲)
- 接收方:停止等待协议
- 每收到一个正确数据都返回 ACK;
- 若发送方超时未收到 ACK,则进行 "随机退避"
- 发送方:先听后发,忙则退避
- 解决 "隐蔽站" 问题,需要在 CSMA/CA 协议的基础引入 信道预约机制:先预约,再发送
- 发送方广播 RTS 控制帧(先听后发,忙则退避)
- RTS 控制帧(Request To Send,请求发送),它包括源地址、目的地址和这次通信所需的持续时间。
- 需在 RTS 中指明预约时长。
- AP 广播 CTS 控制帧
- CTS 控制帧(Clear To Send,允许发送),它包括源地址、目的地址和这次通信所需的持续时间。
- 需在 CTS 中指明预约时长。
- 其他无关节点收到 CTS 后自觉 "禁言" 一段时间(即:虚拟载波监听机制);发送方收到 CTS 后,就可以发送数据帧
- 如果超时未收到 CTS,说明预约失败,则 "随机退避" 后再次 RTS 预约。
- AP 收到数据帧后,进行 CRC 校验,若无差错就返回 ACK 帧
- 发送方广播 RTS 控制帧(先听后发,忙则退避)
4. 轮询访问
- 主要采用令牌环网技术(Token Ring):
- 是 IBM 公司在 1984 年开发的一种局域网技术。
- 核心特点:环形拓扑结构,各节点 "轮询访问" 信道,不会发生信道冲突,效率高,因此适用于负载高的网络。
- 通过令牌传递协议实现介质访问控制。
- 无论是令牌帧还是数据帧,都只能沿单向传递。
- 令牌帧:
- 需指明当前获得令牌的节点编号。
- 只有获得令牌(Token)的节点才能往信道上发送数据帧
- 如果获得令牌的节点没有数据发送,就将令牌传递下一个节点
- 获得令牌的节点,每次只能发一帧,发完就释放令牌
- 数据帧:
- 需指明数据帧的源地址 / 目的地址、是否已被接收、获得令牌的节点编号
- 数据帧从源节点发出,"传递一圈" 后回到源节点
- 数据帧 "传递一圈" 的过程中,会被目的节点复制一份数据,并将数据帧标记为 "已接收"
- 数据帧回到源节点后,如果发现异常状况,就尝试重发;若无异常,就将令牌传递下一个节点
- 多站接入单元(Multistation Access Units,MAU):是令牌环网的集中控制站,用于集中控制 "令牌环网"
六、局域网
1. IEEE 802
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IEEE:Institute of Electrical and Electronics Engineers,I-Triple-E,电气电子工程师学会。
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IEEE 802 委员会:致力于研究局域网和城域网的物理层和MAC层中定义的服务和协议,对应 OSI 网络参考模型的最低两层(即物理层和数据链路层)。层次划分为:
- 物理层:某个具体局域网技术的研究范畴
- 介质访问控制子层(Medium Access Control,MAC 子层):属于数据链路层,研究与访问传输介质有关的部分功能(如:组帧、差错控制、透明传输、介质访问控制等)
- 逻辑链路控制子层(Logical Link Control,LLC 子层):属于数据链路层,研究与传输介质无关的部分功能,由 IEEE 802.2 负责,目前已解散
-
常见的工作组:
- 802.2:兼容各种局域网技术(工作组已解散)
- 802.3:以太网技术(DEC、Intel、Xerox)
- 802.5:令牌环网技术(已被淘汰,工作组已解散)
- 802.8:FDDI 光纤分布数字接口(工作组已解散)
- 802.11:Wi-Fi 技术(AT&T、Nokia 等)
- 802.1Q:VLAN 技术
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Wi-Fi 技术标准化成果:
标准 迭代 年份 802.11 b Wi-Fi 1 1999 年 802.11 a Wi-Fi 2 1999 年 802.11 g Wi-Fi 3 2003 年 802.11 n Wi-Fi 4 2009 年 802.11 ac Wi-Fi 5 2013 年 802.11 ax Wi-Fi 6 2021 年 802.11 be Wi-Fi 7 2024 年
2. 局域网基本概念和体系结构
Ⅰ. 局域网特点
- 覆盖较小的地理范围
- 较低的时延和误码率
- 局域网内的各节点之间以 "帧" 为单位进行传输
- 支持单播、广播、多播
- 单播:一对一发送帧,如 A → B
- 广播:一对全部发送帧,如 A → B+C+D+E+F+G
- 多播:一对部分发送帧,如 A → B+C+E
Ⅱ. 局域网分类
-
按拓扑结构、传输介质、介质访问控制方法区分:
网络类型 拓扑结构 传输介质 介质访问控制方法 令牌环网 环形 同轴电缆或双绞线 令牌传递协议 同轴电缆以太网 总线型 同轴电缆 CSMA/CD 协议 双绞线以太网 (集线器) 物理上星型,逻辑上总线型 双绞线 (集线器连接) CSMA/CD 协议 双绞线以太网 (交换机) 物理和逻辑上都是星型 双绞线 (交换机连接) CSMA/CD 协议或无 光纤以太网 点对点 光纤 无 Wi-Fi / 802.11 星型 无线 CSMA/CA 协议 - 有线局域网(LAN)
- 令牌环网使用年份:1984-2000
- 同轴电缆以太网:
- 物理层采用曼彻斯特编码
- 1980年开始商用
- 1982年发布的第一个同轴电缆以太网标准:10Base5(10Mbps、基带信号、500m)
- 可用中继器连接多个同轴电缆网段
- 双绞线以太网:
- 20世纪80年代后期出现的技术
- 1990 年 IEEE 802.3 发布第一个双绞线以太网标准:10BaseT
- 集线器连接的双绞线以太网只支持半双工通信
- 1994 年后逐步由交换器取代集线器
- 交换机连接的双绞线以太网,半双工模式下需采用 CSMA/CD 争抢信道,全双工模式下不用争抢信道。
- 光纤以太网:
- 20世纪90年代初出现的技术,用于扩大以太网覆盖范围
- 1993年 IEEE 802.3 发布第一个光纤以太网标准:10BaseF
- 光纤用于中继器 / 集线器 / 交换机之间的传输,不会直接连接终端节点
- 使用两条光纤实现全双工通信,因此不需要考虑介质访问控制方法
- 无线局域网(WLAN)
- 无线(Wireless):1 个 AP + N 台移动设备
- 有线局域网(LAN)
Ⅲ. 局域网硬件架构
- 有线局域网使用曼彻斯特编码实现串行通信,无线局域网使用电磁波模拟信号。
- 网络适配器结构:
- ROM:存放全球唯一的 MAC 地址(物理地址)
- 每个 MAC 地址有 48 bit,用十六进制表示,8位一组,共 6 组。如:B0:46:92:1D:99:CD。
- 高 24 bit 为厂商号,低 24 bit 由厂商分配
- RAM:帧缓冲
- 通过 I/O 总线实现与主存的并行通信
- ROM:存放全球唯一的 MAC 地址(物理地址)
- 网络适配器(又名:网络接口卡、网卡)负责:
- 负责把帧发送到局域网。关于 "将 IP 数据报(IP 分组)封装成帧",有些系统由主机实现,有些系统由网络适配器负责。
- 负责从局域网接收帧。如果收到正确帧,就用 "中断" 通知 CPU;如果收到异常帧,就直接丢弃。
- 需要根据接入的局域网类型,按照标准实现数据链路层 + 物理层功能
- 需要完成数据的串 / 并行转换
- 需要支持帧缓冲
3. 以太网与 IEEE 802.3
Ⅰ. 以太网标准
-
同轴电缆只支持半双工
-
双绞线:
- 速率 < 2.5 Gbps 可支持半双工和全双工(节点连接时协商)
- 速率 ≥ 2.5 Gbps 仅支持全双工
- 交换机连接的终端节点都支持全双工,集线器连接的节点仅支持半双工
-
光纤只支持全双工
-
各种传输介质的适用情况
标准名称 传输媒体 编码 拓扑结构 最大段长 最多节点数目 10Base5 同轴电缆(粗缆) 曼彻斯特编码 总线型 500m 100 10Base2 同轴电缆(细缆) 曼彻斯特编码 总线型 185m 30 10Base-T 非屏蔽双绞线 曼彻斯特编码 星型 100m 2 10Base-F 光线对(850nm) 曼彻斯特编码 点对点 2000m 2 -
几种高速以太网技术(速率 > 100 Mbps)
标准名称 传输速率 传输介质 通信方式 介质访问控制协议 100Base-T 以太网 100 Mb/s 双绞线 半双工、全双工 CSMA/CD 或 无 吉比特以太网 1 Gb/s 双绞线或光纤 半双工、全双工 CSMA/CD 或 无 10 吉比特以太网 10 Gb/s 双绞线或光纤 全双工 无
Ⅱ. 以太网 MAC 帧
-
有两种常见的以太网 MAC 层标准:
- 常用:DEC、Intel、Xerox 推出的 DIX Ethernet V2 标准
- IEEE 802.3 推出的 IEEE 802.3 标准
- 两种标准在 "帧" 格式是有细微差别。
- V2 标准的以太网 MAC 帧:
- 记忆口诀:6 6 2 N 4,收发协数验
- 每个帧的长度范围是:64 ~ 1518 字节
- 前导码:
- 把帧交给物理层后,会在帧首插入一个 8 字节的前导码(7 同步,1 定界)
- 其中前 7 字节为 1、0 交替的前同步码
- 最后 1 字节为帧开始定界符
- 目的地址:6 字节(48 bit),用于指明接收方 MAC 地址
- 源地址:6 字节(48 bit),用于指明发送方 MAC 地址
- 类型:2 字节,指明网络层协议
- 数据
- 限制了最短、最长帧长:46 ~ 1500 字节
- IP 数据报太长,就 "分片";太短,就 "填充"
- FCS:4 字节,记录 CRC 校验码,用于差错控制
- 帧结尾定界(物理层)采用 "违规编码法",且一个帧传完会留一段间隙
- IEEE 802.3 标准的以太网 MAC 帧:
- 记忆口诀:6 6 2 N 4,收发长数验
- 与 V2 标准的帧类似,只是把协议变为了长度,用于记录数据部分的长度。
Ⅲ. 帧传播
- MAC 地址是数据链路层的概念。路由器、交换机有 MAC 地址,集线器没有 MAC 地址
- 冲突域
- 如果两个结点同时发送数据,会导致冲突,则二者处于同一个 "冲突域"
- 交换机隔离冲突域,但不隔离广播域
- 广播域
- 目的地址全 1 表示 "广播帧",会被局域网内的所有结点接收。
- 如果一个结点发送广播帧,可以被另一个结点接收,则二者处于同一个 "广播域"
- 路由器隔离冲突域,也隔离广播域,路由器收到广播帧后,不会再转发至其它网络,只有同一个局域网内的各节点才属于同一个 "广播域"。
- 集线器不隔离冲突域,也不隔离广播域
如图:
单播帧:
- A → C:仅 C 能收到并接收帧
- A → F:E、F、G 能收到,仅 F 接收帧
- E → A:F、G、A 能收到,仅 A 接收帧
- E → F:F、G 能收到,仅 F 接收帧
广播帧:
- A 发出广播帧,B、C、D、E、F、G、R 都能收到并接收帧
- E 发出广播帧,A、B、C、D、F、G、R 都能收到并接收帧
4. VLAN 与 IEEE 802.1Q
Ⅰ. 基本概念
- 虚拟局域网(Virtual Local Area Network,VLAN)
- VLAN 出现原因:
- 大型局域网是一个很大的广播域,容易出现 "广播风暴"
- 局域网内可能有一些敏感节点,不利于信息安全
- VLAN 特点:
- 可将一个大型局域网分割成若干个较小的 VLAN,每个 VLAN 是一个广播域,每个 VLAN 对应一个 VID
- 划分 VLAN 需要使用支持 VLAN 功能的以太网交换机来实现。
- VLAN 的划分方式:
- 基于接口:在交换机内配置 VID 与 接口号的映射关系。
- 基于 MAC 地址:在交换机内配置 VID 与 MAC 地址的映射关系。
- 基于 IP 地址
- 在交换机内配置 VID 与 IP 地址的映射关系;
- 这种方式可以让 VLAN 范围跨越路由器,让多个局域网的主机组成一个 VLAN
- 需要网络层功能支持,且交换机会更复杂
Ⅱ. 802.1Q 帧
- 主机与交换机之间传输标准以太网帧(V2标准),交换机与交换机之间(干线链路)传输 802.1Q 帧
- 相较于标准以太网帧,在中间插入了 4 字节的 VLAN 标签

- 记忆口诀:6 6 4 2 N 4,收发V协数验
- 4 字节 VLAN 标签 = 16+4+12 bit = 固定 + 随便 + VID
- 固定:802.1Q 标签类型,固定为 0x8100,表示这是 802.1Q 帧;
- 随便:无意义的 4 bit,凑满 2 字节
- VID:12 bit 指明发送方所属的 VLAN 的 VID
5. 无线局域网与 IEEE 802.11
Ⅰ. 基本概念
- 无线局域网的分类
- 有固定基础设施的无线局域网,如 802.11 无线局域网(Wi-Fi)
- 无固定基础设施移动自组织网络,如苹果隔空投送(AirDrop)、华为分享(Huawei Share)
- 一些名词:
- 基本服务集(Basic Service Set,BSS)
- 一个基本服务集包含 1 个基站(AP)和多个移动站
- 包含两个属性:
- 服务集标识符(SSID):无线局域网名字,不超过 32 字节。
- 基本服务区(BSA):基本服务集能覆盖的地理范围。
- 扩展服务集(ESS):将多个 AP(基本服务集)连接到同一个分配系统(DS),组成一个更大的服务集,如校园网。
- 门户(Portal):可将 802.11 无线局域网接入 802.3 有线局域网
- AP 与移动站之间通过无线链路(802.11 帧)传输
- AP 与 AP之间、AP 与路由器之间、AP与以太网交换机之间通常用有线链路(以太网帧)传输
- AP 通常具备 "帧格式转换" 功能,可以将无线链路上传输的 802.11 帧格式,与有线链路上传输的以太网帧格式相互转换
- 漫游:一个移动站从一个基本服务集切换到另一个基本服务集,仍然可以保持通信。
- 基本服务集(Basic Service Set,BSS)
- 802.11 无线局域网
- 星型拓扑,中心称为接入点(AP),也可称为无线接入点(WAP)
- 使用 CSMA/CA 协议实现介质访问控制
- 两个移动站之间不能直接通信,必须通过基站(AP)转发帧
Ⅱ. 802.11 帧
- 帧分类:
- 数据帧
- 控制帧:如 ACK、RTS、CTS
- 管理帧:如探测请求 / 探测响应帧,用于发现 Wi-Fi
- 数据帧格式:
- 记忆口诀:
- 30 N 4 首数验,首部 3+1 地址
- 九十比特表去来,帧的中转靠 AP
- 去往 AP 中起止,来自 AP 止中起
- 数据帧 MAC 首部,占 30 字节,主要关注:
- 控制帧占 2 字节:
- 类型:管理帧
00
、控制帧01
、数据帧10
- 子类型:数据帧
0000
、RTS1011
、CTS1100
、ACK1101
- 去往 AP:位于控制帧的第 9 bit,
0
可记为false
,1
可记为true
即当前帧是移动站发往 AP 的 - 来自 AP:位于控制帧的第 10 bit,
1
表示当前帧是 AP 发往移动站的
- 类型:管理帧
- 持续期占 2 字节:用于表示在本帧结束后还需占用信道多少实践(单位微秒 μs)
- 地址 1:表示发往结点的 MAC 地址,可为 AP 和目的地址
- 地址 2:表示发送结点的 MAC 地址,可为源地址和 AP
- 地址 3:如果地址 1(发往地址)是 AP 则该地址为目的地址,如果地址 1 是目的地址则该地址为源地址
- 控制帧占 2 字节:
- 数据帧帧主体:占 0 ~ 2312 字节
- 数据帧 MAC 尾部:占 4 字节,为 CRC 校验码,用于差错控制
- 记忆口诀:
- 控制帧:
- RTS(Request To Send,请求发送)帧格式
- 帧控制字段中,类型为
01
,子类型为1011
- 帧控制字段中,类型为
- CTS(Clear To Send,允许发送)帧格式
- 帧控制字段中,类型为
01
,子类型为1100
- 帧控制字段中,类型为
- ACK(Acknowledge,确认)帧格式同 CTS 帧
- 帧控制字段中,类型为
01
,子类型为1101
- 帧控制字段中,类型为
- RTS(Request To Send,请求发送)帧格式
七、广域网
1. 基本概念
略
2. PPP 协议
略
八、以太网交换机
1. 概述
- 交换机 = 多端口网桥
- 交换机工作在数据链路层,可以根据目的 MAC 地址转发帧
- 交换机每个端口通常支持全双工通信,如果该端口与集线器连接则使用半双工通信
2. 自学习功能
- 交换表:
- 初始为空,记录【MAC 地址,端口号】的对应关系
- 每收到一个帧,就将 "发送方" 的【MAC 地址,端口号】更新到交换表(即只记录发送方)
- 为动态新增和删除结点,交换表中每个表项都有 "有效时间",过期表项自动作废
- 转发帧:
- 如果 不知道 "接收方" 在哪里,就把帧 广播 到除入口外的其他端口(即当作广播帧处理)
- 如果 知道 "接收到" 在哪里,就把帧 精准转发 至某个端口
3. 交换方式
- 直通交换方式
- 类似于电路交换
- 只需要知道帧的目的地址(6字节,48 bit),就能决定应该从哪个端口转发
- 优点:转发时延低
- 缺点:不适用于需要速率匹配、协议转换或差错检测的线路
- 存储转发交换方式
- 先把帧完整地接收到交换机内部的高速缓存中,进行差错检测等必要处理,再根据交换表决定从哪个端口转发出去
- 优点:适用于需要速率匹配、协议转换或差错检测的线路
- 缺点:转发时延高