局域网和广域网

真题练习

本节主要关注以太网的传输介质和帧格式，往年在解答题出现了传输介质的名称，如果不知道对应的带宽就难搞了。VLAN 和广域网的概念考查频率低一些，但也比较简单，熟悉下能在选择题应对就可。

局域网

局域网（Local Area Network，LAN）是一种覆盖范围较小、用于连接同一物理地点（如家庭、办公室、学校或企业内）的计算机和其他设备的计算机网络。

特性

局域网的特性主要由三个要素决定：拓扑结构、传输介质 和 介质访问控制方式，其中 介质访问控制方式 是最关键的因素，它决定了局域网的主要技术特性。

常见的局域网 拓扑结构 主要包括以下四类：

星形结构
环形结构
总线形结构
星形与总线形结合的复合型结构

在 传输介质 方面，局域网可以采用铜缆、双绞线和光纤等多种介质，其中 双绞线 是当前的主流传输介质。

局域网常用的 介质访问控制方法 包括 CSMA/CD 协议、令牌总线协议 和 令牌环协议。其中，CSMA/CD 协议和令牌总线协议主要应用于总线形局域网，而令牌环协议则主要用于环形局域网。

实现

局域网主要包含三种实现：

以太网（目前使用范围最广）。经典共享介质以太网在逻辑上是总线形；使用集线器时物理上呈星形、逻辑上仍共享介质。现代全双工交换式以太网则由点到点链路组成，不能一概说成逻辑总线。
令牌环（Token Ring，IEEE802.5）。逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是星形结构。
FDDI（光纤分布式数据接口，Fiber Distributed Data Interface）。逻辑拓扑是环形，物理上常采用双环；它主要由 ANSI X3T9.5 制定并形成 ISO 9314 标准，不能写成 IEEE 802.8。

以太网

在实际的局域网应用中，由于 以太网 占据垄断地位，所以基本上成为了局域网的代名词，需要对局域网的概念有深入了解。

传输介质

以太网常用的传输介质有 4 种：粗缆、细缆、双绞线和光纤，这里需要熟练掌握它们的英文名，常在选择题中出现：

参数	10BASE5	10BASE2	10BASE-T	10BASE-FL
传输媒体	粗同轴电缆	细同轴电缆	双绞线	光纤对
速率	10 Mb/s	10 Mb/s	10 Mb/s	10 Mb/s
典型最大网段长度	500 m	185 m	100 m	约 2 km（全双工链路可按标准实现判断）
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	总线形	总线形	星形	点对点
使用阶段	早期以太网	早期以太网	双绞线以太网	光纤链路

注意上述传输介质的英文名称其实是挺有讲究的：

首先是前缀的数字，代表传输速率，10 表示 $10\ \mathrm{Mb/s}$ ，100 表示 $100\ \mathrm{Mb/s}$ 。注意单位是 Mb/s 而不是 MB/s： $1\ \mathrm{B}=8\ \mathrm{b}$ 。

其次是中间的 base，代表基带传输（Baseband），基带与宽带（broadband）相对应。基带表示直接传输原始数字信号，不调制；宽带代表使用模拟调制技术传输多个频道信号，常见于有线电视等。

最后是后缀的英文字母，代表的传输介质的类型：

字母 T 是 twisted pair 的首字母，表示 双绞线。
FL 表示 Fiber Link，传输介质是光纤。

帧格式

如上图所示，以太网帧格式从逻辑上可以分为物理层控制字段、帧首部、数据负载、差错校验字段这四个部分，每个字段的具体说明如下所示：

物理层控制字段
- 前导码（Preamble）：7B
  - 由 7 字节的交替的 1 和 0 位组成，用于同步接收方的时钟。
- 帧开始分隔符（Start of Frame Delimiter, SFD）：1B
  - 通常为 10101011，标志帧的开始。
帧首部：固定为 14B
1. 目的地址（Destination MAC Address）：6B
  - 指定帧的接收者的物理 MAC 地址。
2. 源地址（Source MAC Address）：6B
  - 指定帧发送者的物理 MAC 地址。
3. 类型/长度字段（Type/Length）：2B
  - 如果值大于或等于 0x0600（1536），则表示帧携带的数据的类型（例如 IPv4、IPv6、ARP 等）。
  - 如果值小于或等于 0x05DC（1500），则表示数据字段的长度。
  - 1501～1535 是保留区间，不能按普通长度值或 EtherType 解释。
负载
- 数据和填充（Data and Padding）：范围为 46-1500B
  - 携带帧的有效载荷，即要传输的数据。
  - 如果数据少于 46 字节，则需要填充，确保数据字段的最小长度为 46 字节。
差错校验字段
- 帧校验序列（Frame Check Sequence, FCS）：4 字节：
  - 一个循环冗余校验（CRC）值，用于错误检测。接收方计算帧的 CRC，并与这个字段进行比较，以确定帧是否在传输过程中被损坏。

为什么前导码和帧开始定界符不计入以太网帧的最小和最大长度？

需要注意的是，Preamble 和 SFD 确实是以太网标准规定的格式的一部分，但它们属于 物理层 的内容，而非 数据链路层 中的以太网帧内容。

以太网分为 物理层 和 数据链路层。物理层负责比特级的传输和同步，而数据链路层负责处理数据的封装、地址标识和错误检测。

以太网帧的最大和最小长度

以太网帧的最小和最大大小（不包括前导码和帧开始定界符）有明确的规定，目的是确保帧的有效性并避免冲突。

标准无标签以太网帧的长度（从目的 MAC 地址到 FCS）最小为 64 B，最大为 1518 B：

L_{\min}=6+6+2+46+4=64\ \mathrm{B},

L_{\max}=6+6+2+1500+4=1518\ \mathrm{B}.

最小帧大小的要求是为了确保半双工共享以太网的冲突检测机制（CSMA/CD）能够正常工作。插入 4 B 的 802.1Q 标签后，最大长度通常相应变为 1522 B；巨型帧（Jumbo Frame）不属于基本标准帧长。

以太网帧数据部分的最小大小为 46 B，最大大小为 1500 B。常说的以太网 MTU=1500 B 指 IP 等上层交给以太网的数据字段最大长度，不是把整个 1518 B 帧都称为 MTU。

以太网帧填充

当 MAC 客户数据不足 46 B 时，发送端在其末尾填充 0，使“数据 + 填充”达到 46 B。接收端根据 EtherType 对应的上层协议长度信息或 IEEE 802.3 长度字段识别有效数据；不能笼统地说以太网一定读取 IP 首部长度，因为帧还可能承载 ARP 等其他协议。

无线局域网

帧格式

802.11 帧共有三种类型，即数据帧、控制帧和管理帧。数据帧的格式如图 3.28 所示。

802.11 数据帧由 MAC 首部、帧主体与 4 B 的 FCS 组成。MAC 首部长度是 可变的：基本数据帧常为 24 B；使用地址 4 时通常增加到 30 B，QoS、HT Control 等可选字段还会继续增加。教材图若画出 4 个地址字段，不能据此断言所有 802.11 数据帧首部固定为 30 B。帧主体上限随具体帧类型和标准版本而异，基础教材常按不超过 2312 B 记忆。

可以观察到，802.11 帧首部中字段很多，但是其实主要考察的就是个别字段。

其中最重要的是 4 个地址字段（都是 MAC 地址）。字段含义取决于帧控制字段中的 To DS（去往分布式系统）和 From DS（来自分布式系统）：

To DS	From DS	地址 1	地址 2	地址 3	地址 4
0	0	DA/RA	SA/TA	BSSID	未使用
0	1	DA/RA	BSSID/TA（AP）	SA	未使用
1	0	BSSID/RA（AP）	SA/TA	DA	未使用
1	1	RA	TA	DA	SA

其中 RA/TA 是当前无线链路的接收者/发送者地址，DA/SA 是最终目的/源地址，BSSID 通常标识接入点或基本服务集。地址 4 主要在无线分布式系统（WDS）等 To DS=1、From DS=1 的场景使用，不宜简单称为“自组网络专用”。

💡核心记忆点：

地址 1：谁接收这帧（无线信号的接收者）
地址 2：谁发的这帧（无线信号的发送者）
地址 3：通信的最终目标或源（真实的目的地或来源）

VLAN

VLAN（Virtual Local Area Network）虚拟局域网，是通过 逻辑划分 的方式，把一个物理局域网拆分成多个独立的子网。

打个比方：一家公司只有一个办公室（一个交换机），但希望让财务部、技术部和人事部各自的数据隔离，互不干扰。VLAN 就像是在这一个办公室里，用“看不见的墙”把它们隔开，互相听不到对方说话。

⚙️ 那么 VLAN 是如何实现的呢？

VLAN 是通过 交换机 和 VLAN 标签（Tag） 实现的。简单来说：

普通交换机：看网线在哪个口（port）来转发数据。
支持 VLAN 的交换机：会在数据包中加上 VLAN 标签，按“部门”来转发。

IEEE 802.1Q 定义了 VLAN 标记帧格式。它在源 MAC 地址与原类型/长度字段之间插入 4 B VLAN 标签（TPID + TCI），其中 TCI 包含优先级、DEI 与 VLAN ID。插入标签的帧称为 802.1Q 帧，如下图所示。

其中 VID（VLAN ID） 为 12 位，共有 4096 个编码值；VID 0 与 4095 具有保留用途，因此通常可用 VLAN ID 为 1～4094，即 4094 个。

📦 VLAN 示例：假设有三台电脑：

PC1：财务部，接在 VLAN 10
PC2：技术部，接在 VLAN 20
PC3：人事部，接在 VLAN 30

它们都连在一台交换机上，如果没有 VLAN，三者可以互相通信。如果配置了 VLAN：

PC1 发的广播，只有 VLAN 10 内的设备能收到。
PC2 和 PC3 不会收到 PC1 的数据，除非通过路由器（或者三层交换机）跨 VLAN 通信。

广域网

HDLC 协议

HDLC（High-Level Data Link Control，高级数据链路控制）是一种 面向比特（bit-oriented）的 数据链路层协议，用于在点对点或点对多点通信中提供可靠的数据传输。

HDLC 几个特点可以被简单总结为：面向比特、面向连接、提供可靠传输。

需要注意的是 HDLC 使用 零比特填充法 来组帧。

PPP 协议

PPP（Point-to-Point Protocol）是一种数据链路层协议，用于在两个点对点连接的网络之间传输数据。PPP 最初是为拨号连接设计的，但它后来被广泛用于建立各种类型的点对点连接，包括 DSL（数字用户线路）、ISDN（综合业务数字网） 和串口连接等。

PPP 由封装方法、链路控制协议 LCP 和一组网络控制协议 NCP 构成，可进行链路配置与多种网络层协议协商。PPP 帧用 FCS 检错，但 PPP 本身 不提供序号、确认、重传和流量控制，不能把“有检错”误判为“可靠传输”。