计算机网络(6)——局域网

发布于：2025-06-07 ⋅ 阅读:(14) ⋅ 点赞:(0)

1.以太网

1.1概念

以太网(Ethernet)是一种局域网(LAN)技术，遵循IEEE 802.3标准，用于在有限范围内(如家庭、办公室等)实现设备间的数据传输

1.2 以太网帧结构

请添加图片描述
(1)前导码/preamble(8个字节)：用于时钟同步和帧开始标识

  • 前7字节(10101010)通过其规律的比特序列，帮助接收方调整其时钟频率，以正确解析后续的数据
  • 第8字节(10101011)这标志着帧的开始，称为帧起始定界符(Start Frame Delimiter，SFD)

(2)目的地址/源地址(共12字节)：6字节的MAC地址，唯一标识接收方/发送方物理设备
(3)类型/type(2个字节)：表示上层协议类型(IPv4为0x0800，IPv6为0x86DD)
(4)数据/Data(46 ~ 1500字节)：实际传输的数据(上层协议载荷)，如果数据不足46字节，则需要填充(Padding)以满足最小长度要求

  • 在上篇博客推导出一个不等式：L(min)/R >= 2d(max)/V -> L(min) / R = RTT(max)
  • R = 10Mbps，RTT(max) = 512μs/微秒
  • L(min) = 512b = 64B，Data(min) = 64 - 12(目的地址/源地址) - 2(类型) - 4(CRC) = 46

1.3 以太网物理拓扑

物理拓扑(Physical Topology)描述的是网络中节点(如计算机、路由器、交换机等)的实际物理连接方式，即设备在空间上的布局与线缆的部署方式

下面是局域网中常见的两种物理拓扑类型

总线拓扑(Bus Topology)请添加图片描述
特点： 所有设备通过一条共享的传输介质（通常是同轴电缆）连接在一起。 数据沿着总线传输，所有设备都能接收到数据，但只有目标设备会处理数据
优点：

  • 结构简单，成本低
  • 易于扩展，只需添加新的设备到总线上

缺点：

  • 单点故障：如果总线断裂，整个网络会瘫痪
  • 冲突问题：多个设备同时发送数据时会发生冲突，影响网络性能
  • 难以排查故障：难以确定故障点

应用：早期局域网中较为常见，现在较少使用

星型拓扑(Star Topology) 请添加图片描述
特点：

  • 所有设备都连接到一个中心节点(如交换机)
  • 数据通过中心节点进行转发

优点：

  • 易于管理和维护：故障设备容易隔离和替换
  • 故障隔离：单个设备的故障不会影响整个网络
  • 灵活性高：易于添加或移除设备

缺点：

  • 对中心节点的依赖性高：如果中心节点发生故障，整个网络会瘫痪
  • 成本较高：需要更多的电缆和中心节点设备

应用：现代局域网中最常见的拓扑类型

1.4 以太网CSMA/CD

1.网络接口卡(Network Interface Card，NIC)从网络层接收数据报并封装为以太网数据帧

2.监听信道：采用1-坚持监听策略。如果NIC监听到信道空闲，则开始发送数据帧；如果NIC监听到信道忙，则持续监听信道直到信道空闲，然后发送数据帧

3.发送数据帧时，如果没有检测到其他节点没有数据帧发送，则NIC确认帧发送成功，如果检测到其他节点有数据帧发送，则中止发送，并发送阻塞信号(jam signal)

4.中止信号发送后，NIC采用二进制指数退避算法来计算等待时间
二进制指数退避算法：

  • 设当前是第m次冲突
  • 取n = Min(m，10)
  • NIC从{0，1，2，……，(2 ^ n - 1)}中随机选择一个数K
  • NIC等待k × 512比特时间后，返回步骤2
  • 当冲突超过16次时丢弃该帧，并向上层报告

2.交换机

2.1 概念

交换机(Switch)是一种用于网络通信的设备，主要工作在数据链路层。它的核心功能是通过MAC地址转发数据帧，实现局域网(LAN)内的高效通信

  • 链路层设备： * 存储-转发以太网数据帧 * 检验到达帧的目的MAC地址，选择性(selectively)地向一个或多个输出链路转发帧
    发送帧时采用CSMA/CD协议
  • 透明(transparent)：通信双方感知不到交换机的存在
  • 即插即用(plug-and-play)：接入网络就可以直接工作/使用
  • 自学习(self-learning)：交换机无需手动配置
  • 交换(switching)：链路1-链路4和链路2-链路5的传输可以同时进行，不会冲突在这里插入图片描述

2.2 交换表&自学习

Question：交换机怎么知道A’可以通过接口4到达，B’可以通过接口5到达？
Answer：每个交换机都会维护一张交换表(switch table)

自学习机制：通过观察数据帧的源MAC地址自动构建交换表。这一机制无需人工干预，能够动态更新网络设备的连接信息
工作原理：交换机在接收到数据帧时，会检查帧的源MAC地址并将其与接收端口关联记录在MAC地址表中。如果表中已存在该MAC地址，则会更新对应的端口信息；若不存在则新增一条记录
交换表维护：交换机会定期检查MAC地址表项的活跃程度，通常设置老化时间(Aging
Time，默认300秒)。若某MAC地址在老化时间内未被使用，表项将被自动清除，防止存储过期信息 数据帧转发规则：当交换机收到数据帧时，

  • 若目标MAC存在于表中，则从对应端口转发(单播)
  • 若目标MAC为广播/组播或未在表中，则泛洪(flood)到所有端口(除接收端口外)在这里插入图片描述

3.虚拟局域网

3.1 概念

虚拟局域网(Virtual Local Area Network，VLAN)是一种将物理局域网划分为多个逻辑子网的技术，通过交换机配置实现广播域的隔离

广播域(Broadcast Domain)：指网络中所有能够接收广播消息的设备集合。当一台设备发送广播帧时，该帧会传播到同一广播域内的所有设备，但不会跨越路由器或三层交换机(网络层设备)。广播域通常由二层交换机(或集线器)连接的网络区域构成在这里插入图片描述

3.2 端口划分的VLAN

基于端口划分的VLAN(Port-Based VLAN)：端口划分是最基础的VLAN类型，基于交换机物理端口分配VLAN成员。同一VLAN的端口属于一个广播域，不同VLAN的端口需通过路由器或三层交换机通信在这里插入图片描述

  • 流量隔离(traffic isolation)：去往/来自端口① ~ ⑧的帧只到达端口① ~ ⑧
  • 动态成员：端口可以动态分配给不同VLAN
  • 中继端口(trunk port)：用于连接其他交换机或路由器的特殊端口，主要作用是承载多个VLAN的流量(数据帧在转发时必须携带VLAN ID信息)在这里插入图片描述

3.3 VLAN/802.1Q帧格式

在这里插入图片描述
标签控制字段(Tag Control Information，TCI)是一个2字节的字段，包含以下三个子字段：

  • 用户优先级(User Priority)：
    • 长度：3位
    • 作用：用于表示帧的优先级，取值范围为0到7，值越大优先级越高
  • 规范格式指示器(Canonical Format Indicator，CFI)：
    • 长度：1位
    • 作用：用于指示MAC地址是否是规范格式。CFI为0表示MAC地址是以太网的规范格式，CFI为1表示MAC地址是令牌环网或FDDI的格式
  • VLAN ID(VID)：
    • 长度：12位
    • 作用：用于标识帧所属的VLAN。VLAN ID的取值范围为0 ~ 4095，但由于0和4095被协议保留，实际有效的VLAN ID范围是1 ~ 4094

4.PPP协议

4.1 概念

PPP(Point-to-Point Protocol)是一种数据链路层协议，用于直接连接的两个节点之间通信。它由三个部分组成：

  • 链路控制协议(Link Control Protocol，LCP)：LCP负责建立、配置、测试和维护点对点连接。它处理链路层参数协商，如最大传输单元(MTU)、认证协议选择等。LCP还提供链路质量检测和连接终止功能
  • 网络控制协议(Network Control Protocol，NCP)：NCP用于协商网络层特定参数。常见的NCP包括IPCP(IP Control
    Protocol)用于配置IP地址。NCP在LCP完成链路建立后启动
  • 认证协议(Authentication Protocols)：PPP支持多种认证机制，确保连接安全性。常用协议包括： * PAP(Password Authentication Protocol)：简单明文认证，安全性较低 * CHAP(Challenge Handshake Authentication Protocol)：采用挑战-响应机制和哈希加密，安全性更高

PPP协议提供以下服务：

  • 组帧：将网络层数据报封装到数据链路层帧中(不一定是IP数据报)
  • 比特透明传输：指数据在PPP链路上传输时，不因协议封装或特殊字符（如标志位、控制字符）而改变原始数据的内容。PPP协议通过字节填充实现透明性
  • 差错检测：使用CRC校验但不会对数据进行纠正，即丢弃有差错的帧
  • 连接活性(connection liveness)检测：检测、并向网络层通知链路失效
  • 网络层地址协商：端节点可以学习/配置彼此网络地址

4.2 PPP协议帧格式

在这里插入图片描述

  • 标志(Flag)/定界符：固定值为0x7E(二进制01111110)，标识帧的开始和结束。为避免信息字段中出现相同值导致误判，PPP使用字节填充技术(见下文)
  • 地址(Address)：固定值为0xFF(二进制11111111)，表示广播地址
  • 控制(Control)：固定值为0x03(二进制00000011)，表示无编号帧(Unnumbered Frame)，即不进行序列号确认
  • 协议(Protocol)：2字节字段，标识信息字段中封装的上层协议数据报。常见值包括：
    • 0xC021：LCP(Link Control Protocol)数据
    • 0x8021：IPCP(IP Control Protocol)数据
    • 0x0021：IP数据报
  • FCS：CRC校验码

4.3 字节填充

发送方：

  • 标志字节处理：数据中的原始0x7E被替换为0x7D 0xm 5E(转义字节+异或0x20后的值)在这里插入图片描述
  • 转义字节处理：数据中的原始0x7D被替换为0x7D 0x5D(转义字节+异或0x20后的值)
  • ASCII控制字符处理：若配置了异步链路，值小于0x20的字符(如0x01)需替换为0x7D+原字符异或0x20(如0x7D 0x21)

接收方：

  • 遇到0x7D时，检查下一字节并还原原始值(异或0x20)
  • 直接保留未填充的普通字节

5.无线局域网

5.1 概念

无线局域网(Wire Local Area NetWork，WLAN)：指以无线信道作为传输介质的计算机局域网

5.2 基础架构模式

基础架构模式是无线局域网(WLAN)中最常见的组网方式，其核心是通过接入点(Access Point, AP)实现设备间的通信。所有终端设备(如手机、笔记本电脑，统称为STA)必须通过AP进行数据交互，形成典型的星型拓扑结构
在这里插入图片描述

  • 接入点(Access Point, AP)：相当于网络枢纽，负责无线信号收发和终端设备身份认证
  • STA：具有无线网卡的终端设备，必须和某一AP关联
    • 扫描信道：监听包含BSSID和SSID的信标帧(Beacon Frame)
  • 分布式系统(DS)：连接多个AP的骨干网络(通常为有线以太网)
  • 基本服务集(Basic Service Set，BSS)：由单个AP与其关联的STA构成，标识符为BSSID(AP的MAC地址)
  • 扩展服务集(Extended Service Set，ESS)：多个BSS通过DS互联形成的逻辑整体，使用统一SSID(也就是我们常说的Wi-Fi名称)

5.3 信道与AP关联

被动扫描：
在这里插入图片描述

  • ①：H1所处范围内的AP向H1发送信标帧
  • ②：H1向选择的AP发送关联请求帧
  • ③：AP向H1发送关联响应帧

主动扫描：在这里插入图片描述

  • ①：H1主动广播探测请求帧(Probe Request Frame)
  • ②：范围内的AP向H1发送探测响应帧(Probe Response Frame)
  • ③：H1向选择的AP发送关联请求帧
  • ④：AP向H1发送关联响应帧

5.4 CSMA/CA

Question：WLAN为什么使用CSMA/CA而不是CSMA/CD？
Answer：无线信号的强度会随着距离增加而急剧衰减，接收信号强度直接淹没在本地发送信号强度下。无法做到边发送，边监听在这里插入图片描述

CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)：是一种用于无线网络的介质访问控制协议。与有线网络中的CSMA/CD不同，CSMA/CA通过主动避免冲突而非检测冲突来提高信道利用率，尤其适用于无线环境。

具体工作原理如下：
在这里插入图片描述
发送方：

  • 1.监听信道空闲了DIFS时间，然后发送整个帧，发送期间不检测冲突
  • 2.监听信道忙，等待DIFS之后，还需要等待一个随即退避时间(Backoff Time)
  • 3.如果没有接收到ACK，增加随即退避时间间隔，再重复第二步

接收方：

  • 1.正确接收帧后，延迟SIFS时间再返回ACK给发送方

关键参数：

  • DIFS(DCF Inter-Frame Space)：分布式协调帧间间隔，默认值为50微秒
  • SIFS(Short Inter-Frame Space)：短帧间间隔，用于高优先级操作(如ACK)，默认值为10微秒

基本思想：允许发送方“预约”信道。利用很短的预约帧避免了数据帧冲突

  • 发送方利用CSMA向接收方发送一个很短的RTS(request-to-send)帧。虽然RTS可能会冲突，但RTS帧很短
  • 接收方广播一个CTS(clear-to-send)帧作为RTS的响应。该CTS帧可以被所有节点接收
    • 通知发送方可以发送帧
    • 其他节点延迟发送帧

在这里插入图片描述

5.5 帧结构

在这里插入图片描述
帧控制：

  • 1.协议版本(Proticol Version)：通常为00
  • 2.类型(Type)：指示帧的类型
    • 管理帧：00，用于管理无线连接，如信标帧(Beacon)、探测请求帧(Probe Request)、探测响应帧(Probe Response)、关联请求帧(Association Request)、关联响应帧(Association Response)等
    • 控制帧：01，用于控制无线信道的访问，如请求发送帧(RTS)、允许发送帧(CTS)、确认帧(ACK)等
    • 数据帧：10，用于传输数据，如普通数据帧(Data)等
    • 保留位：11，用于未来扩展
  • 3.子类型(Subtype)：通常与类型字段配合使用，以提供更详细的帧类型信息。假设Type = 00，Subtype = 1000，则该帧为信标帧
  • 4.To DS：目的地址是否为DS
  • 5.From DS：源地址是否为DS
  • 6.更多分片(More Frag)：是否还有更多分片
  • 7.重试(Retry)：是否为重传帧

持续期(duration)：预约的时间
Address 1 (RA): 接收端MAC地址
Address 2 (TA): 发送端MAC地址
Address 3 (BSSID): 接入点或基础服务集标识
序号控制(Sequence Control)：

  • Fragment Number (4 bits): 分片编号
  • Sequence Number (12 bits): 数据包序列号

帧主体(Frame Body)：

  • 数据帧：有效载荷(加密或明文)
  • 管理帧：包含信息元素(如SSID、支持的速率等)

FCS：CRC校验码

网站公告

今日签到

点亮在社区的每一天
去签到

热门文章

最新发布