计算机网络技术(四)——局域网技术
摘要
传统的以太网是总线型的局域网，总线型结构决定了网络中所有结点共享传输介质，但同一时间只允许一个结点以“广播”的方式使用总线发送数据，其他结点以“收听”的方式接收数据。所以，当局域网中的结点要发送数据时，首先要确定总线上没有其他结点在发送数据，否则，就要等总线空闲下来才能发送。而由于结点发送的数据在总线上有传输延迟，有可能会出现两个以上结点通过总线发送数据，造成多个数据“冲突”，无法接收正确数据。这些都是介质访问控制（MAC）协议要解决的问题。
CSMA/CD 基本思想简单概括为：“先监听，再发送；边发送，边监听。”
为了能在局域网中方便的找到各个结点，IEEE 802 委员会制定了一套标识规则，即用一个 48bit（6B） 二进制数作为局域网的全球地址，标识每一块局域网适配器（网卡）。这个地址在适配器生产时就固化到其ROM中，称为局域网适配器的物理地址或MAC地址。计算机只有安装了局域网适配器才能接入局域网，所以局域网适配器的MAC地址可以认为是该计算机在局域网中的地址。
局域网地址由IEEE RA 机构管理和分配，他们负责分配局域网地址6个字节中的前3个字节，后3个字节由生产厂商自行分配，只要不出现重复即可。
在以太网的MAC层，数据是以帧的形式存在的，以太网的MAC帧格式有两种标准：DIX Ethernet V2 标准和IEEE 802.3 标准，两者的帧格式基本相同，唯一区别是V2帧中设置两个字节作为类型字段，用于标记上一层所使用的协议类型，而802.3帧定义这两个字节为长度或类型字段。目前使用最广的是V2帧格式。
各字段含义：
目的地址和源地址： 分别为48bit。
类型： 上层所使用的协议，如IP。
数据： 从上层接收到的数据报文，长度限定为46~1500B之间，如果最短数据不足46B，则填充到46B。
FCS： 帧检测序列，采用循环冗余CRC校验对收到的MAC帧进行差错检测。
在实际传输中，发送端要在每个以太网MAC帧前面插入8B（由硬件生成），包括7B的前导码和1B的帧前定界符，用于告知接收端数据到了，实现接收的同步。
随着以太网的普及，人们需要以太网覆盖更广阔的区域，容纳更多的主机，这时就需要对以太网进行扩展。扩展的方法根据使用设备所在层次的不同，分为物理层扩展和数据链路层扩展。物理层扩展使用的设备主要有中继器（Repeater）和集线器（Hub），数据链路层扩展使用的设备主要有网桥（Bridge）和交换机（Switch）。
网桥连接示意图：
上图网桥中的转发表：
转发过程：
网桥的接口1和接口2分别连接两个以太网LAN1和LAN2，假如主机1要给主机5发数据，它将MAC帧广播发送到LAN1上，与之相连的网桥也会收到该MAC帧，收到后，网桥检查其中的目的地址并查找转发表，发现主机5对应的接口为接口2，则将其转发到接口2，从而广播到LAN2中。如果主机1要向主机4发送数据，它将MAC帧广播发送到LAN1上，网桥收到后，发现其目的地址对应的接口是接口1，与发送主机（主机1）的接口相同，说明主机1和主机4在同一个网段上，不需要转发，将该帧丢弃。网桥的这种机制，保证了不同网段上的通信互不干扰。如果主机1向主机8发送数据，网桥收到该帧后查询转发表，发现没有目的地址为主机8的表项，则向除该MAC帧来源（接口1）外的所有接口进行转发。
网桥内部使用 “自学习” 算法来建立和维护转发表。基本思想是：当一个网桥刚接入以太网时，转发表是张空表。当它从某接口x收到某主机a所发出MAC帧时，就把主机a的地址和接口x记录到转发表中，如果再收到目的地址为主机a的MAC帧，则向接口x转发。当以太网内的所有主机都向网桥发送过MAC帧后，每一个主机地址都会记录在表中。
交换机自学习的基本原理 ：利用接收到的数据帧的源MAC地址完成学习，即学习到可以通过接收该帧的端口到达该帧的源MAC地址对应的主机。例如，若从某个主机A发出的帧通过端口x进入某交换机，就意味着从端口x出发沿相反方向一定可以把一个帧传送到A。所以，交换机每收到一个帧，先按其源MAC地址查看转发表的目的地址栏，如果没有则将其源MAC地址和进入的端口标识记录在转发表中，完成一次学习；再按目的MAC地址查找转发表的目的地址栏，如果有记录，则向相应的端口转发，如果没有记录，则向除帧进入交换机对应的端口外的其他所有端口转发。
原理说明：假如某局域网拓扑结构如上图所示，其中有9台主机，分布在三个楼层，通过3个交换机形成3个网段：网段a(a1，a2，a3)、网段b(b1，b2，b3)和网段c(c1，c2，c3)。3个网段通过路由器连接在一起。根据业务需求，现在要重新划分工作组，将不同网段内的主机划分成一个工作组，形成虚拟局域网。假设划分成3个虚拟局域网：VLAN1：（a1，b1，c1）、VLAN2：（a2，b2，c2）和VLAN3：（a3，b3，c3），每个虚拟局域网中的每台主机都可以在不同的网段和楼层。
主要有3种方法：
为了标识以太网帧所属的不同虚拟局域网，需要对以太网帧格式进行扩展。IEEE 802.1Q 标准规定在以太网的帧格式中插入一个4B的标识符，称为VLAN标记，用来指明发送该帧的主机属于哪一个虚拟局域网。如下图所示。
VLAN标记字段占4B，位于源地址和类型字段之间，其中前16位（2B）是固定的二进制数（1000000100000000），称为IEEE 802.1Q标记类型。当接收到MAC帧检测到源地址后面的16位后，说明是插入了VLAN标记。后面的两个字节中，前3位是用户优先级字段，接着是1位规范格式指示符（CFI），最后12位是虚拟局域网VLAN标识符（VID），表示该帧属于哪一个VLAN。
由于VLAN是按照逻辑位置而非物理位置进行划分的，因此经常遇到同一VLAN中的主机需要跨越不同的交换机进行数据通信的问题，采用的方法是在不同的交换机之间用一条骨干链路连接起来，并利用VLAN标识符来识别和承载来自多个VLAN中的数据帧，如下图所示。
在交换机1和交换机2之间用一条链路级联，并将对应的端口设置位Trunk端口，这样就可以使两个交换机上处于同一个VLAN的主机进行通信，即a1和b1之间，a2和b2之间，a3和b3之间。
无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）是局域网发展的一种新形式，通过无线方式在各种便携式的计算机设备之间建立数据连接。
无线局域网分两类：
对于有固定基础设施的无线局域网，在MAC层使用载波监听多路访问/冲突避免协议（CSMA/CA）。与有线以太网的CSMA/CD协议不同，CSMA/CA协议采用的是冲突避免算法（CA）来代替冲突检测算法（CD）。这样做的原因：
1）在无线通信环境下，信号强度的动态范围非常大，接收端不容易根据收到的信号强度判断是否发生碰撞；
2）由于无线信号是向所有方向传播的，当多个站点同时进行通信时，很可能 “检测到信道空闲，其实并不空闲；检测到信道忙，其实并不忙” 的错误
因此，无线局域网应该尽可能地减少碰撞的发生。
CSMA/CA基本思想
1）采用 “停止-等待” 的可靠传输方式，即发送方必须收到接收方的确认帧后才能继续发送；如果在规定时间内没有收到确认帧，则认为数据丢失，需要重发。
2）采用 “虚拟载波监听” 机制，让发送方将它要占用信道的时间及时通知给其他所有站点，以便使其他站点在这一段时间内都停止发送数据，从而降低碰撞机会。
3）在信道从忙状态转为空闲时，各个站点要执行 “退避算法” ，等待一个随机的时间段后再发送数据，目的是减少碰撞的概率。
WLAN的最小单位是基本服务集BSS，其中包括一个AP和多个移动设备。在一个BSS内，各个移动设备之间可以通信，但如果要和本BSS外的设备通信，则必须经过BSS内的AP。一个BSS可以与由以太网、点对点链路或者无线网络构成的分配系统DS相连接，然后再连接其他BSS，构成覆盖范围更广的扩展服务器ESS，如下图所示。
移动设备如何与AP建立连接？
有两种方式建立连接：
1） 被动扫描： 由AP周期性地发出包含SSID、速率等参数的信息帧，移动设备收到这些信息帧后与AP建立连接；
2） 主动扫描： 由移动设备主动发出探测请求帧，然后等待AP发回探测响应帧进行连接。
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