第五章 局域网基础

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A[局域网基础] --> B[5.1 核心概念]  
A --> C[5.2 协议体系]  
A --> D[5.3 以太网技术]  
A --> E[5.4 网络设备]  
B --> B1[定义与特性]  
B --> B2[拓扑结构]  
B --> B3[技术三要素]  
C --> C1[IEEE 802标准族]  
C --> C2[帧结构与MAC]  
C --> C3[介质访问控制]  
D --> D1[10M~100G演进]  
D --> D2[编码与物理层规范]  
E --> E1[物理层设备]  
E --> E2[数据链路层设备]  

5.1 局域网核心概念（LAN）

1. 定义与特性

2. 组成与分类

硬件分层模型

┌─ 工作站（终端设备）  
├─ 服务器（数据中心）  
├─ 网卡（MAC层寻址）  
├─ 传输介质（物理层）  
│   ├─ 有线：Cat6/光纤（多模OM3/单模OS2）  
│   └─ 无线：802.11ax（Wi-Fi 6）  
└─ 互连设备  
    ├─ 物理层：Hub/中继器（信号放大）  
    └─ 数据链路层：交换机（MAC过滤）  

软件组成

技术三要素决定性能

3. 拓扑结构对比

⚠️ 扩展：SDN（软件定义网络）通过控制器动态调整拓扑，解决传统僵化问题

5.2 IEEE 802标准与以太网协议

1. IEEE 802协议栈分层

┌─ LLC子层（802.2，逻辑链路控制）：多路复用（SAP标识）  
│   例：IP over Ethernet → SAP=0x0800  
├─ MAC子层（介质访问控制）  
│   ├─ 802.3（CSMA/CD）  
│   ├─ 802.5（Token Ring）  
│   └─ 802.11（无线CSMA/CA）  
└─ 物理层（PHY）  
    ├─ 编码：4B/5B（100Base-TX）、8B/10B（1000Base-X）  
    └─ 介质规范：Base-T（双绞线）、Base-X（光纤）  

标准族核心映射：

2. 以太网帧结构与 MAC 地址机制

• Ethernet II帧结构
  
• 类型：表示上一层使用的协议
• MAC帧结构

| 6B 目标MAC | 6B 源MAC | 2B 类型 | 46~1500B 数据 | 4B FCS |  

• MAC地址格式：
  
• 前6位：网络制造商，后6位网卡地址
• 类型字段：
  • 0x0800=IPv4，0x86DD=IPv6，0x8100=802.1Q VLAN

3. 介质访问控制技术体系

• CSMA/CD（载波监听多路访问 / 冲突检测）：
  
  • 工作原理（★四步法则）：
    1. 先听后发：发送前检测信道是否空闲
    2. 边听边发：发送时持续检测冲突
    3. 冲突停止：发现冲突立即终止传输
    4. 随机重发：采用二进制指数退避算法（公式：时间，k为冲突次数且k≤10）
  • 冲突域：共享介质上所有节点构成一个冲突域，集线器环境下冲突频发
    
    
• 令牌环（Token Ring）：
  • 核心机制：令牌（特殊帧）循环传递，持有令牌节点才能发送数据
  • 优缺点：
    ✅ 重负载下效率高（无冲突），✅ 支持优先级
    ❌ 轻负载时存在令牌等待延迟，❌ 环路维护复杂
    

（3）令牌环 vs CSMA/CD

5.3 以太网技术演进

1. 速率演进与技术突破

核心驱动力：

• 编码效率提升：曼彻斯特（50%）→ 4B/5B（80%）→ 8B/10B（80%）→ PAM-4（200%）
• 全双工普及：CSMA/CD淘汰（万兆起），交换机点对点无冲突传输

2. 物理层标准对比

• 10Base-T 平滑升级至 100Base-TX：
  • 替换核心交换机及服务器等核心设备
  • 更新接入层交换机与终端网卡
  • 布线升级
  • 端口速率、双工模式等的配置调整
  • 测试验证

🔍 关键技术解析：

• PAM-5编码：5电平调制（-2,-1,0,+1,+2），每符号2bit，波特率=125Mbaud（1Gbps）
• 128-DSQ：双符号编码，抗干扰增强（10GBase-T）
• 硅光技术：100G+时代核心，光电器件集成降低功耗（如Intel 100G PSM4模块）

3. 高速以太网核心机制

（1）帧结构优化

• 巨型帧（Jumbo Frame）：
  • 传统帧：1518字节 → 巨型帧：9000字节
  • 优势：降低协议开销（帧头/帧尾占比从3.3%→0.4%）

（2）流量控制

4. 400G以太网与未来

（1）关键技术

• PAM-4编码：4电平调制（2bit/符号），波特率=53 GBaud（400G）
  • 代价：信噪比要求提升（较NRZ高9dB）
• CPO（共封装光学）：光引擎与交换机芯片同封装，降低功耗30%

（2）标准演进

⚠️ 挑战：

• 热管理：400G交换机功耗＞1000W/机架单元
• 信号完整性：56 GBaud以上PCB布线要求＜0.5dB插入损耗

5.4 网络设备深度解析

1. 设备分层

2. 核心设备详解

▶ 物理层设备

• 中继器（Repeater）：
  • 功能：放大整形衰减信号，延长传输距离，遵循以太网 5-4-3 规则
  • 局限：不隔离冲突域，所有端口共享同一冲突域
• 集线器（Hub）：
  • 本质：多端口中继器，工作在物理层
  • 特点：
    ✅ 价格低廉 ❌ 所有端口共享带宽 ❌ 广播模式易导致冲突
  • 典型场景：早期小型共享式网络
    

▶ 数据链路层设备

• 网卡（NIC）：
  
  • 配置网卡
    
  • 核心功能：

 MAC地址处理 + CSMA/CD协议实现 + 数据帧封装/解封 + 串并转换

• 交换机（Switch）：
  • 工作原理：基于 MAC 地址构建转发表，实现端口间数据转发
  • 核心优势：
    ✅ 隔离冲突域（每个端口独立冲突域）
    ✅ 全双工模式下带宽翻倍（如 100M 端口实际可用 200M）
    
• 分类对比：

• 级联 vs 堆叠：

▶ 网络层设备

• 路由器（Router）：
  • 核心功能：
    1. 网络互联（不同 IP 网段间转发）
    2. 路由选择（基于路由表最优路径计算）
    3. 广播隔离（每个端口为独立广播域）
  • 关键组件：

    路由表 + 转发引擎 + 网络接口模块
    

  • 典型场景：企业网出口、不同子网间互联

3. 设备功能对比表（

4. 冲突域与广播域控制

🔧 设计案例：
企业网架构：

接入层（VLAN隔离） → 汇聚层（L3交换） → 核心层（路由器）