局域网（Local Area Network, LAN）是计算机网络中最常见、应用最广泛的一种网络形式。它通常局限于一个较小的地理范围（如一所学校、一栋大楼或一个家庭），具有高数据传输速率、低误码率和低延迟的特点。本章将深入探讨局域网的体系结构、主流的有线技术（以太网）以及无线技术（WLAN），帮助读者构建从物理层到数据链路层的完整知识体系。
3.1 局域网的基本概念与体系结构
3.1.1 局域网的演进与定义
局域网的历史可以追溯到 20 世纪 70 年代。早期的计算机主要以大型机为中心，采用集中式处理。随着微型计算机的普及，如何将分散的计算机连接起来实现资源共享（如打印机、文件服务器）成为了迫切需求。
从定义上讲，局域网是指在有限的地理范围内，将各种计算机、外设和数据库系统通过通信线路连接起来的网络。
局域网的主要特点：
- 覆盖范围小： 通常在几千米以内。
- 传输速率高： 早期为 10 Mbps，现代局域网普遍达到 1 Gbps 甚至 100 Gbps。
- 误码率低： 因为距离近且传输介质质量较好。
- 所有权： 通常由一个组织或机构拥有和管理。
3.1.2 局域网的拓扑结构
局域网的物理布局称为拓扑结构，主要分为以下几种：
- 总线型（Bus）： 所有设备连接到一根公共传输介质（总线）上。早期以太网采用此结构，结构简单但故障隔离困难，断点会影响全网。
- 星型（Star）： 所有设备连接到一个中心节点（集线器或交换机）。这是现代局域网最主流的结构，易于维护和扩展。
- 环型（Ring）： 设备连成一个闭合的环，数据单向传输（如令牌环网）。目前已较少使用。
图 3-1：局域网常见拓扑结构示意图
3.1.3 IEEE 802 标准与体系结构
为了解决不同厂家设备互连的问题，IEEE（电气和电子工程师协会）于 1980 年 2 月成立了 802 委员会，制定了一系列局域网标准，统称为 IEEE 802 标准族。
在 OSI 参考模型中，数据链路层负责在相邻节点间传输数据帧。然而，局域网的传输介质多种多样（同轴电缆、双绞线、光纤、无线电波），为了使数据链路层上层协议独立于具体的物理传输介质，IEEE 802 标准将数据链路层拆分为两个子层：
- 逻辑链路控制子层（LLC, Logical Link Control）： 位于上层。负责向网络层提供统一的接口，实现流量控制和差错控制。
- 媒体接入控制子层（MAC, Medium Access Control）： 位于下层，直接与物理层接口。负责解决"多个设备如何共享同一传输介质"的问题（即介质访问控制），以及硬件寻址（MAC 地址）。
图 3-2：IEEE 802 参考模型与 OSI 模型的映射
3.2 以太网与 IEEE 802.3
以太网（Ethernet）是当今世界上最流行的有线局域网技术。它由 Xerox 公司的 Bob Metcalfe 于 1973 年发明，最初基于夏威夷大学的 ALOHA 无线电网络思想。
3.2.1 介质访问控制：CSMA/CD 协议
早期的以太网使用总线型拓扑，所有计算机共享同一根通信电缆。这就好比一个会议室里有多人想发言，如果两人同时说话，就会产生"冲突"（Collision）。为了解决这个问题，以太网采用了 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波监听多点接入/碰撞检测）协议。
协议工作原理可概括为四点：
- 先听后说（载波监听）： 发送数据前，先检测总线上是否有信号。如果有，则等待；如果没有，则发送。
- 边听边说（碰撞检测）： 在发送数据时，继续监听总线，判断是否发生了信号叠加（冲突）。
- 冲突停止： 一旦检测到冲突，立即停止发送，并发送人为的干扰信号（Jamming Signal）通知所有节点。
- 随机重发（二进制指数退避）： 冲突后，等待一个随机时间再次尝试发送。
最小帧长限制：
为了确保发送方在数据发送完毕之前能够检测到可能发生的冲突，以太网规定了最小帧长。假设总线长度为 LLL，信号传播速度为 vvv，端到端的单程传播时延为 τ=L/v\tau = L/vτ=L/v。最坏情况下，冲突检测需要 2τ2\tau2τ 的时间（争用期）。
如果数据传输速率为 RRR，则最小帧长 LminL_{min}Lmin 必须满足：
Lmin≥2τ×R L_{min} \ge 2\tau \times R Lmin≥2τ×R
对于 10 Mbps 的传统以太网，争用期规定为 51.2μs51.2 \mu s51.2μs，因此最小帧长为 64 字节（512 bit）。如果发送的数据不足 64 字节，必须进行填充。
3.2.2 MAC 地址与帧格式
每个以太网接口都有一个全球唯一的标识符，称为 MAC 地址（物理地址）。它由 48 位（6 字节）二进制组成，通常用十六进制表示（如 00-E0-4C-3B-2A-11）。前 24 位由 IEEE 分配给厂商（OUI），后 24 位由厂商自行分配。
以太网 V2 帧格式（最常用）：
- 前导码（8字节）： 用于同步时钟。
- 目的地址（6字节）与源地址（6字节）： 指明接收者和发送者。
- 类型（2字节）： 指明上层协议（如 0x0800 代表 IP 协议）。
- 数据（46~1500字节）： 实际传输的网络层数据包（IP 数据报）。
- 帧检验序列 FCS（4字节）： 使用 CRC 循环冗余校验来检查传输错误。
图 3-3：以太网 V2 帧结构示意图
3.2.3 以太网的发展与交换技术
1. 从共享到交换：
传统的共享式以太网使用集线器（Hub） ，它工作在物理层，只是简单地复制信号。所有设备共享带宽，是一个冲突域。
现代以太网使用交换机（Switch），它工作在数据链路层。交换机能识别 MAC 地址，将数据帧"点对点"地转发到目的端口。交换机实现了全双工通信，不再需要 CSMA/CD 协议（虽然标准仍保留），且每个端口独享带宽。
2. 速率的提升：
- 快速以太网（100 Mbps）： IEEE 802.3u，引入了 100BASE-TX 标准，广泛使用双绞线。
- 吉比特以太网（1 Gbps）： IEEE 802.3z/ab，目前桌面计算机的主流标准。
- 10G/40G/100G 以太网： 主要用于数据中心和骨干网。
3.3 无线局域网，IEEE 802.11
无线局域网（Wireless LAN, WLAN）利用无线电波代替物理线缆，提供了极大的灵活性和移动性。虽然市面上有多种无线技术，但 IEEE 802.11 系列标准（商业名称 Wi-Fi）占据了绝对统治地位。
3.3.1 无线传输的挑战
与有线网络相比，无线环境更加复杂：
- 信号衰减： 信号随距离增加而急剧减弱。
- 干扰： 微波炉、蓝牙设备等都工作在 2.4GHz 频段，易产生干扰。
- 多径效应： 电磁波通过反射、折射到达接收端，导致信号失真。
- 隐蔽站问题（Hidden Terminal Problem）： 节点 A 和 C 都能连接 B，但 A 和 C 互不可见。A 和 C 同时给 B 发送数据时，在 B 处会发生冲突，但 A 和 C 无法检测到。
3.3.2 介质访问控制：CSMA/CA 协议
由于无线网卡很难在发送信号的同时检测到对方的信号（发射信号强度远大于接收信号），因此 WLAN 无法使用 CSMA/CD（碰撞检测）。IEEE 802.11 采用了 CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波监听多点接入/碰撞避免）。
主要机制：
- 帧间间隔（IFS）： 规定了不同优先级帧的等待时间。
- 退避算法： 发送前先等待一段随机时间，减少碰撞概率。
- 链路层确认（ACK）： 接收方收到数据且校验无误后，必须回发一个 ACK 帧。发送方只有收到 ACK 才算发送成功。
- RTS/CTS 机制（可选）： 为解决隐蔽站问题，发送方先发 RTS（请求发送），接收方回 CTS（允许发送）。CTS 会"广播"给周围所有节点，告诉它们："我要接收数据了，你们保持安静"。
RTS（请求发送）阶段
CTS（允许发送）阶段
NAV（网络分配矢量）/静默状态
DATA（数据传输）阶段
总结
通过上述的 RTS/CTS 握手机制，发送方（A）在发送数据前先发送 RTS，接收方（B）回复 CTS。这个过程不仅预约了信道，还通过 CTS 的广播通知了接收方的所有邻居节点（如 C），使它们在数据传输期间保持静默。这有效地解决了无线通信中的"隐蔽站"问题，即 C 是 A 的隐蔽站，它不知道 A 的存在，但如果不采用此机制，C 可能会在 A 向 B 发送数据时也向 B 发送数据，从而导致冲突。RTS/CTS 机制通过显式地告知所有潜在的干扰者（如 C），避免了这种冲突的发生。
图 3-4：CSMA/CA 的 RTS/CTS 握手过程
3.3.3 IEEE 802.11 标准的演进
WLAN 标准的发展主要体现在速率的提升和频段的利用上：
| 标准代号 | 发布年份 | 频段 | 最大理论速率 | 关键技术 | 商业名称 |
|---|---|---|---|---|---|
| 802.11b | 1999 | 2.4 GHz | 11 Mbps | DSSS (直接序列扩频) | - |
| 802.11a | 1999 | 5 GHz | 54 Mbps | OFDM (正交频分复用) | - |
| 802.11g | 2003 | 2.4 GHz | 54 Mbps | OFDM | - |
| 802.11n | 2009 | 2.4/5 GHz | 600 Mbps | MIMO (多入多出) | Wi-Fi 4 |
| 802.11ac | 2013 | 5 GHz | 6.9 Gbps | MU-MIMO, 宽频带 | Wi-Fi 5 |
| 802.11ax | 2019 | 2.4/5/6 GHz | 9.6 Gbps | OFDMA (正交频分多址) | Wi-Fi 6/6E |
| 802.11be | 2024(预) | 2.4/5/6 GHz | ~46 Gbps | MLO (多链路操作) | Wi-Fi 7 |
注：MIMO 技术利用多根天线同时收发数据，极大地提高了吞吐量。
3.3.4 无线局域网的架构与安全
网络架构：
- 基本服务集（BSS）： 包含一个接入点（AP）和若干移动站（STA）。
- 扩展服务集（ESS）： 通过分配系统（如以太网交换机）将多个 BSS 连接起来，形成一个覆盖范围更大的网络，支持漫游。
安全性：
由于无线信号是开放传播的，安全性尤为重要。
- WEP： 早期加密协议，极易被破解，已淘汰。
- WPA/WPA2： 引入了动态密钥 TKIP 和 AES 加密，是目前的主流。
- WPA3： 最新标准，增强了对弱密码的防护和公共 Wi-Fi 的加密保护。
本章小结
本章介绍了局域网的核心技术。以太网（IEEE 802.3）凭借其简单性、低成本和不断演进的高速率，统治了有线网络领域，其核心从早期的 CSMA/CD 共享介质发展为现在的全双工交换式架构。无线局域网（IEEE 802.11）则利用 CSMA/CA 机制克服了无线信道的不可靠性，并通过 OFDM、MIMO 等先进的物理层技术，实现了与有线网络相媲美的传输速度。理解这两种技术，是掌握现代计算机网络接入层的基础。