[笔记]计算机网络_数据链路层_局域网、广域网与数据链路层设备

后边这一部分单独又分了一篇，减少篇幅以便于随时修改添加捋清思路。

五、局域网

局域网（LAN）是指在一个较小的地理范围内，将各种计算机、外部设备和数据库系统等通过双绞线、同轴电缆等连接介质互相连接起来，组成资源和信息共享的计算机互连网络。其中双绞线为主流传输介质。

局域网的特性主要由三个要素决定：拓扑结构、传输介质、介质访问控制方式，其中最重要的是介质访问控制方式，它决定着局域网的技术特性。

三种特殊的局域网拓扑对应如下：

• 以太网（目前使用范围最广的局域网）逻辑拓扑是总线型结构，物理拓扑是星形或拓展星形结构。
• 令牌环（Token Ring,IEEE802.5）逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是星型结构。
• FDDI（光纤分布数字借口，IEEE802.8）逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是双环结构。

IEEE802标准定义的局域网参考模型只对应于OSI参考模型的数据链路层和物理层，并将数据链路层拆分成两个子层：逻辑链路控制（LLC）子层和媒体接入控制（MAC）子层。

与接入传输媒体有关的内容都放在MAC子层，它向上层屏蔽对物理层访问的各种差异，提供对物理层的统一访问接口，主要功能包括：组帧和拆卸帧、比特传输差错检测、透明传输。

LLC子层与传输媒体无关，它向网络层提供无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送4种不同的连接服务类型。

现状：以太网一统江湖，几乎成为局域网的代名词了，而802委员会制定的LLC子层作用已经不大，因此现在许多网卡仅装有MAC协议而没有LLC协议。

以太网与IEEE802.3

通常将802.3局域网简称为以太网。

以太网逻辑上采用总线型拓扑结构，为保证数据通信的方便性和可靠性，以太网简化了通信流程并使用了CSMA/CD方式对总线进行访问控制。

以太网采用两项措施，以简化通信：

1. 采用无连接的工作方式，不对发送的数据帧编号，也不要求接收方发送确认，即以太网尽最大努力交付数据，提供的是不可靠服务。对于差错的纠正，则由高层完成
2. 发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号，每个码元中间出现一次电压转换，接收端利用这种电压转换方便地把位同步信号提取出来。

1.以太网的传输介质

以太网常用的4种传输介质：粗缆、细缆、双绞线、光纤。

各种传输介质的适用情况⭐️

参数	10BASE5	10BASE2	10BASE-T	10BASE-FL
传输媒体	基带同轴电缆（粗缆）	基带同轴电缆（细缆）	非屏蔽双绞线	光纤对（850nm）
编码	曼彻斯特编码	曼彻斯特编码	曼彻斯特编码	曼彻斯特编码
拓扑结构	总线型	总线型	星形	点对点
最大段长	500m	185m	100m	2000m
最多结点数目	100	30	2	2

计算机与外界局域网的连接通过网络接口板（网络适配器，或者叫网卡）实现。网卡上装有处理器和存储器，是工作在数据链路层的网络组件。网卡和局域网的通信是通过电缆或双绞线以串行方式进行的，而网卡和计算机的通信则是通过计算机主板上的I/O总线以并行方式进行的。因此网卡的重要功能就是进行数据的串并转换。

介质访问控制（MAC）地址：每块网卡出厂时唯一的代码，这个地址用于控制主机在网络上的数据通信，数据链路层设备（网桥、交换机等）都使用各个网卡的MAC地址。另外，网卡也控制着主机对介质的访问，因此网卡也工作在物理层。

2.以太网的MAC帧

每块网卡中的MAC地址也称物理地址，MAC地址长6字节。

以太网V2标准的MAC帧格式（注意看书上的图⭐️）

由于CSMA/CD的限制，以太网帧必须满足最小长度64字节，数据较少时必须加以填充（0~46字节）。

3.高速以太网

速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网。

（1）100BASE-T以太网

• 在双绞线上传送。
• 既支持全双工方式，又支持半双工方式。

（2）吉比特以太网

• 允许在1Gb/s速率下用全双工和半双工两种方式工作。

（3）10吉比特以太网

• 不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。
• 只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用CSMA/CD协议。

IEEE802.11无线局域网

802.11使用星型拓扑，其中心称为接入点（Acess Point，AP），在MAC层使用CSMA/CA协议，使用802.11系列协议的局域网又称Wi-Fi。

802.11局域网的MAC帧

802.11帧共三种类型：数据帧、控制帧、管理帧。

数据帧由以下三大部分构成：

• MAC首部，共30字节，帧的复杂性都在MAC首部。
• 帧主体，即帧的数据部分，不超过2312字节。
• 帧检验序列FCS是尾部，共4字节。

MAC首部中最重要的是4个地址字段（都是MAC地址）。（见王道P109）

虚拟局域网VLAN基本概念与基本原理

通过虚拟局域网（VLAN），可以把一个较大的局域网分割成一些较小的与地理位置无关的逻辑上的VLAN，而每个VLAN是一个较小的广播域。

六、广域网

广域网首要考虑的问题是通信容量必须足够大，以便支持日益增长的通信量。

从层次上考虑，广域网和局域网的区别很大，因为局域网使用的协议主要是在数据链路层，还有少量在物理层，而广域网使用的协议主要在网络层。

广域网中的一个重要问题是路由选择和分组转发。

常见的两种广域网数据链路层协议是PPP协议和HDLC协议（HDLC协议大纲已经删了）。、

PPP（Point-to-Point Protocol）协议

点对点协议是使用串行线路通信的面向字节的协议，该协议应用在直接连接两个节点的链路上，设计的目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共同的解决方案。

PPP是面向字节的，所以所有PPP帧的长度都是整数个字节。

PPP协议的三个组成部分：

• 链路控制协议（LCP）
• 网络控制协议（NCP）
• 一个将IP数据报封装到串行链路的方法

因为PPP是点对点的，并不是总线型，所以无需采用CSMA/CD协议，自然就没有最短帧，所以信息段占0~1500字节，而不是46~1500字节。另外，当数据部分出现和标志为一样的比特组合时，就需要采用一些措施来实现透明传输。

PPP两端的网络层可以运行不同的网络层协议，但仍然能使用同一个PPP进行通信。

PPP提供差错检测，但不提供纠错功能，它是不可靠的传输协议。

七、数据链路层设备

网桥的基本概念*

两个或多个以太网通过网桥连接后，就成为一个覆盖范围更大的以太网，而原来的每个以太网就成为一个网段，网桥工作在链路层的MAC子层，可以使以太网各网段成为隔离开的碰撞域（又称冲突域）。

局域网交换机

交换机的原理和特点

以太网交换机的每个端口都直接与单台主机或另一个交换机相连，通常都工作在全双工方式。

以太网交换机的特点：

• 以太网交换机的每个端口都直接与单台主机相连（而网桥的端口往往连接到一个网段），并且一般都工作在全双工方式。
• 以太网交换机能同时联通多对端口，使每对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，无碰撞地传输数据。
• 以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧的转发表是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
• 以太网交换机由于使用专用的交换结构芯片，交换速率较高。
• 以太网交换机独占传输媒体的带宽。

以太网交换机主要采用两种交换方式：①直通式交换机 ②存储转发式交换机。

❗️❗️❗️对于默认工作在全双工方式下的交换机，假设是10Mb/s的以太网，虽然每个端口到主机的带宽还是10Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此拥有N个端口的交换机1的总容量是N×10Mb/s，这正是交换机的最大优点。

举个例子吧，若一个网络采用一个具有24个10Mb/s端口的全双工交换机作为连接设备，则每个连接点平均获得的带宽为10Mb/s（假如说是传统的共享式10Mb/s以太网，每个结点平均获得的带宽只有10÷24Mb/s），该交换机的总容量是24×10Mb/s，如果这个交换机是半双工交换机，那总容量是12×10Mb/s。

从本质上说，交换机就是个多端口的网桥，工作在数据链路层（局域网交换机是数据链路层设备，能实现数据链路层和物理层的功能），可以分割冲突域，但是不能分割广播域（广播域属于网络层概念，只有网络层设备如路由器才能分割广播域）。

利用以太网交换机还可以方便的实现虚拟局域网VLAN，VLAN不仅可以隔离冲突域，而且可以隔离广播域。