全面解析计算机网络：从局域网基础到以太网交换机！！！

一、局域网的基本概念和体系结构

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+D+E

有线局域网

以太网(802.3)：

物理层采用曼彻斯特编码是从 1980 开始商用的

早期同轴电缆以太网特点：

总线形拓扑结构
同轴电缆(可用中继器连接多个同轴电缆网段)
CSMA/CD 协议

80 年代后期双绞线以太网特点：

物理上星形，逻辑上总线形
双绞线(用集线器连接)
CSMA/CD 协议

1994 年交换机以太网特点：

物理上、逻辑上都是星形
双绞线(用交换机连接)
CSMA/CD 协议或 NULL

半双工模式下，采用 CSMA/CD 争抢信道

全双工模式下，不用争抢信道，也就不需要使用 CSMA/CD 协议

90 年代后期光纤以太网特点：

(用于扩大以太网覆盖范围）

点对点(用于中继器/集线器/交换机之间的传输，也就是说通常不会直接连接终端节点）
光纤
NULL(用两条光纤实现全双工通信)

令牌环网

特点：

环形
同轴电缆或双绞线
令牌传递协议

无线局域网

WIFI(802.11)

特点：

IEEE 802.11 定义为星形(1个AP+N 台移动设备)
无线(Wireless)
CSMA/CA 协议

硬件架构

网络适配器(又名:网络接口卡、网卡)要点：

负责把帧发送到局域网
注: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

网络适配器的厂商可以找IEEE 公司花钱申请 MAC 地址段

IEEE 公司会给出高 24bit 作为厂商号，低 24bit 位厂商自由分配

网络适配器厂商就可以生产全球唯一的 MAC 地址给适配器

二、以太网与IEEE802.3

在IEEE 802的层次划分中把数据链路层又分成了介质访问控制子层(MAC子层)和 逻辑链路控制子层(LLC 子层)

介质访问控制子层(MAC 子层)：

与访问传输介质有关的部分功能(如:组帧、差错检测、透明传输、介质访问控制等)

逻辑链路控制子层(LLC 子层)：

LLC 子层的存在是为了兼容各种局域网技术(LLC 子层目前已名存实亡)，目前有线局域网已被 802.3 垄断，无线局域网技术已被 802.11 垄断
与访问传输介质无关的部分功能，由IEEE 802.2工作组(已解散)负责

IEEE 802.3 推出的以太网标准(物理层)

半双工 or 双工

同轴电缆

双绞线

光纤

集线器

交换机

只能半双工

速率<2.5Gbps 可支持半双工 or全双工(节点连接时协商)

速率>2.5Gbps 仅支持支全双工

只支持全双工

默认连接的终端节点都可以全双工

连接的节点仅支持半双工模式

两种常见的以太网 MAC 层标准

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”格式上有细微差别。市面上常用 V2 标准

V2 标准的以太网 MAC 帧

记忆口诀:6 6 2 N 4，收发协数验

目的地址：接收方 MAC 地址，48bit

目的地址全1表示“广播帧”

源地址：发送方 MAC 地址，48bit

类型：指明网络层协议

IP 数据报：

IP 数据报太长，就“分片”
IP 数据报太短，就“填充”

数据：46~1500 需要限制最长帧长

FCS：CRC 校验码

帧结尾定界采用“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

单播帧、广播帧如何传播?

注：MAC 地址是数据链路层的概念。

路由器、交换机都有 MAC 地址，而集线器没有 MAC 地址

单播帧：

A ->C 仅 C 能收到并接收帧
A ->F E、F、G 能收到，仅F会接收帧
E ->A F、G、A 能收到，仅 A 会接收帧
E ->F F、G 能收到，仅F 会接收帧

广播帧(目的地址全为1)：

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

注意：路由器 R 收到广播帧后，不会再转发至其他网络

有同一个局域网内的各节点才属于同一个“广播域”

冲突域：如果两个节点同时发送数据，会导致冲突，则二者处于同一个“冲突域”
广播域：如果一个节点发送广播帧，可以被另一个节点接收，则二者处于同一个“广播域”
集线器不隔离冲突域，也不隔离广播域
以太网交换机隔离冲突域，但不隔离广播域
路由器既隔离冲突域，也隔离广播域

三、VLAN(虚拟局域网)

一个大型局域网(如校园网)面临的问题

局域网内任何一个节点发出的广播帧，都会被广播至所有节点。可能出现“广播风暴”
不安全，局域网内可能会有一些敏感节点

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

需要使用支持 VLAN 功能的以太网交换机来实现
每个 VLAN 对应一个 VID

VLAN 划分方式：

基于接口

交换机内的数据结构。记录 VID 和接口号的映射关系

交换机 1	VLAN-10	VLAN-20	交换机 2	VLAN-10	VLAN-20
接口号	1，2，3，4，8	5，6，7，8	接口号	1，2，3	1，5，6，7

基于MAC地址

交换机内的数据结构。记录VID和MAC地址的映射关系

交换机 1	VLAN-10	VLAN-20	交换机 2	VLAN-10	VLAN-20
MAC地址	A，B，C，D，H，I	E，F，G，J，K，L	MAC地址	A，B，C，D，H，I	E，F，G，J，K，L

基于IP地址

交换机内的数据结构。记录VID和MAC地址的映射关系

交换机 1	VLAN-10	VLAN-20	交换机 2	VLAN-10	VLAN-20
IP地址	A，B，C，D，H，I	E，F，G，J，K，L	IP地址	A，B，C，D，H，I	E，F，G，J，K，L