计算机网络-链路层-局域网与IEEE

局域网与 IEEE 802

IEEE802是美国电气和电子工程师协会（IEEE）制定的一套局域网（LAN）和城域网（MAN）技术标准的总称，核心作用是规范局域网的硬件、传输方式和通信规则，让不同厂商生产的网络设备能够相互兼容、正常通信。这套标准包含多个具体的子标准，每个子标准对应不同的网络类型和技术，比如我们之前学习的以太网对应的是IEEE 802.3标准，无线局域网（WiFi）对应的是IEEE 802.11标准，还有令牌环网对应的相关子标准，这些子标准分别规定了对应网络的拓扑结构、传输介质、介质访问控制方式等关键内容，是我们学习局域网技术、理解网络通信原理的重要基础。

一、局域网的基本概念与体系结构

1. 局域网（LAN）核心特点

覆盖地理范围小：通常局限于一个办公室、楼层或楼宇内。
较低的时延和误码率：传输距离短，信号衰减少，可靠性高。
以帧为单位传输 ：局域网内各节点之间的数据传输以帧为基本单元。
支持多种通信方式：单播（一对一）、广播（一对全）、多播（一对多）

（1）有线局域网

令牌环网：拓扑为环形，传输介质为同轴电缆/双绞线，介质访问控制方式为令牌传递协议。
以太网（IEEE 802.3，1980年诞生）
- 同轴电缆以太网（10Base5）：拓扑为总线形，介质为同轴电缆，介质访问控制为CSMA/CD。
- 光纤以太网（10BaseF）：拓扑为点对点，介质为光纤，主要用于连接中间结点。
- 双绞线以太网（10BaseT）
  - 用集线器连接：物理上星形、逻辑上总线，介质为双绞线，半双工模式下介质访问控制为CSMA/CD（争抢信道）。
  - 用交换机连接：拓扑为星形，介质为双绞线，半双工模式用CSMA/CD，全双工模式无需争抢信道、不使用CSMA/CD。

（2）无线局域网（WLAN）

WiFi（IEEE 802.11）：拓扑为星形，介质为无线，介质访问控制为CSMA/CA协议。

3. 传输介质与双工模式

介质类型	双工模式支持	速率与连接特点
同轴电缆	仅支持半双工	---
双绞线	速率 < 2.5 Gbps：半双工 / 全双工	节点间连接时协商模式
双绞线	速率 ≥ 2.5 Gbps：仅支持全双工	---
光纤	仅支持全双工	---

💡 关键结论：

半双工模式：采用 CSMA/CD 争抢信道

全双工模式：无争抢信道，不需要使用 CSMA/CD 协议

二、局域网硬件架构

1. MAC 地址的分配与存储

全球唯一的 48 位物理地址（MAC 地址）：
1. 网络设备厂商向 IEEE 申请 MAC 地址段
2. IEEE 允许厂商对地址段进行分配
3. 厂商生产设备时，将唯一 MAC 地址写入网卡 ROM 芯片
网卡（网络适配器）核心组件：
- ROM 芯片：存储全球唯一的 MAC 地址
- RAM 芯片 ：作为帧缓冲区，暂存待发送或刚接收的帧
- 与主机交互：通过 I/O 总线 / 并行通信与主存、CPU 交互
- 与网络交互：
  - 以太网适配器：串行通信，曼彻斯特编码（802.3）
  - WiFi 适配器：电磁载波 / 模拟信号（802.11）

2. 网卡（网络适配器）要点

负责把帧发送到局域网（部分由主机实现将 IP 数据报封装成帧，部分由网卡实现）
负责从局域网接收帧，若收到正确帧则中断通知 CPU，并丢弃异常帧
根据接入的局域网类型，按标准实现数据链路层 + 物理层功能
完成数据的串 / 并行转换
支持帧缓冲（RAM 缓存）

三、两种常见的以太网 MAC 层标准

1. 标准来源

DIX Ethernet V2 标准：由 DEC、Intel、Xerox 联合推出
IEEE 802.3 标准：由 IEEE 802.3 工作组制定

2. V2 标准以太网 MAC 帧格式

各字段作用：

目的地址：接收方的MAC地址，如果目的地址全填1，表示这个帧为广播帧

源地址：发送方的MAC地址

类型：指明网络层的协议，比如IP协议、ARP协议

数据部分 ：根据网络层协议的不同，数据部分也不同，若网络层为IP协议，则数据部分就是IP数据报，数据部分有最短帧长 和最长帧长的限制，长度为46-1500B

FCS：用来做差错控制，为CRC循环冗余校验码
物理层附加帧头：
- 前导码（7B）：10101010... 用于同步
- 帧开始定界符（1B）：10101011 标识帧起始
编码方式 ：帧结构采用曼彻斯特编码，帧与帧之间会留一段间隙

3. 单播帧与广播帧的传播

单播帧和广播帧是局域网中两种最基本的数据帧类型，最核心的区别在于发送目标和接收范围 。单播帧是一对一 发送的帧，它的目的 MAC 地址是某个唯一确定的网卡地址，只有这一个目标设备会接收并处理，其他设备都会忽略，就像点对点的悄悄话。而广播帧是一对所有 发送的帧，它的目的 MAC 地址是全 1 的广播地址，局域网内所有设备都会接收并处理，相当于在整个局域网里大声喊话，所有人都能听到。单播帧用于正常的数据传输，能减少网络资源浪费，广播帧则多用于 ARP 查询、设备发现等需要通知全网的场景。

（1）单播帧

A → C：仅 C 能收到并接收
A → F：E、F、G 都能收到，但仅 F 会接收
E → A：F、G、A 都能收到，但仅 A 会接收
E → F：F、G 收到，仅 F 接收

（2）广播帧

A 发出广播帧：B、C、D、E、F、G、R 都能收到并接收
E 发出广播帧：A、B、C、D、F、G、R 都能收到并接收

⚠️ 路由器收到广播帧后，不会再转发到其他网络，只有同一个局域网内的各节点才属于同一个 "广播域"

也就是路由器可以隔离广播域、交换机可以隔离冲突域
💡 补充：MAC 地址是数据链路层概念，路由器、交换机都有 MAC 地址，集线器没有 MAC 地址

四、VLAN（虚拟局域网）

VLAN 就是虚拟局域网 ，它可以不看物理位置，只看逻辑分组 ，把同一个交换机、甚至不同交换机上的设备，划分成多个相互隔离的小局域网。同一 VLAN 内的设备可以直接通信，不同 VLAN 之间默认不能直接通信，就像把一个大教室，用虚拟的 "墙" 隔成好几个小房间，房间里能互相说话，房间之间听不见。

大型局域网面临的问题：

广播风暴：局域网内任意节点发出广播帧，都会广播至所有节点，易造成网络拥塞
安全性不足：局域网内可能存在敏感节点，数据易被窃听

VLAN 核心思想

将一个大型局域网分割成若干个较小的 VLAN ，每个 VLAN 是一个独立的广播域
每个 VLAN 对应一个唯一的 VLAN ID（VID）

VLAN 划分方式

（1）基于端口

示例：
缺点：当节点更换端口时，会自动切换到其他 VLAN

（2）基于 MAC 地址

配置 VID 与 MAC 地址的映射关系：
- VID=10 ↔ MAC 地址 A、B、C、D、H、Z
- VID=20 ↔ MAC 地址 E、F、G、J、K、L
优点：节点移动后仍属于原 VLAN

（3）基于 IP 地址

配置 VID 与 IP 地址的映射关系
优点：VLAN 范围可跨越路由器，多个局域网的主机可组成一个 VLAN（需要网络层功能支持）

交换机间 VLAN 帧传输（802.1Q 帧）

上面提到，划分VLAN后，广播帧就只在VLAN中传播，那么交换机2在收到交换机1的广播帧后，如何知道这个帧属于哪个VLAN呢？

主机与交换机之间 ：传输标准以太网帧
交换机与交换机之间 ：传输802.1Q 帧（在标准以太网帧的源地址后插入 4B VLAN 标签）

这样，交换机就知道每一个帧属于哪个VLAN了：

⚠️ 插入 VLAN 标签后，帧尾的 CRC（FCS）需要重新生成

五、IEEE 802.11 无线局域网

1. 无线局域网分类

有固定基础设施无线局域网：WiFi（由 AP 提供接入）
无固定基础设施移动自组织网络：如 iPhone 隔空投送（由平等便携机构成，无主 / 从节点之分）

2. 802.11 核心概念

拓扑：星形拓扑，中心点为接入点（AP）
基本服务集（BSS）：1 个基站（AP）+ 多个移动站
服务集标识符（SSID）：无线局域网的名称，不超过 32 字节
基本服务区（BSA）：一个 BSS 能够覆盖的地理范围
扩展服务集（ESS）：将多个 AP 连接到同一个分配系统，组成更大的服务集
漫游：移动站从一个 BSS 切换到另一个 BSS，仍可保持通信

3.802.11 帧格式

(1) 帧分类

数据帧：承载上层数据
控制帧：ACK、RTS、CTS 等，用于信道控制
管理帧：用于网络管理（如关联、认证）

(2) 数据帧格式

类型 / 子类型对应关系：
- 管理帧：类型 00
- 控制帧：类型 01（子类型 --> RTS: 1011，CTS: 1100，ACK: 1101）
- 数据帧：类型 10
去往AP /来自AP：若去往AP为1来自AP为0则表示这个帧正在发往AP，反之则表示这个帧来自AP的转发
地址字段含义：
- 地址 1：下一跳地址（去往 AP 时为 AP 地址）
- 地址 2：本次转发的本机地址（发送方地址）
- 地址 3：第三方地址（来自 AP 时为最终目的地址）
- 地址 4：仅在 ESS 中使用

⚠️ 关键限制：在 802.11 中，两个移动站之间不能直接通信 ，必须由 AP 转发，转发时会修改 "去往 AP / 来自 AP" 位（01→10）

有一句顺口溜可记修改地址的情况：去往AP中起止，来自AP止中起

(3) 控制帧格式

RTS 帧（请求发送）

CTS 帧（允许发送）

ACK 帧（确认）

💡 持续期字段：表示本帧结束后，还需占用信道的时间（单位：微秒），用于避免冲突