第二章 局域网技术和组网规范

第一节 局域网协议标准

IEEE 802（也称为局域网参考模型）主要包括以下几种类型：

• 以太网（Ethernet）
• 令牌环（Token Ring）
• 令牌总线（Token Bus）
• 光纤分布数据接口（FDDI）
• 无线局域网（WLAN）

一，IEEE 802局域网参考模型

• 主要解决局部范围内的计算机的组网问题，解决OSI参考模型最低两层（数据链路层和物理层）的功能及网络层的接口服务，网际互联有关的高层功能。

• 在局域网中，由于多个站点共享传输介质，在结点传输数据之前必须先解决由哪个设备使用传输介质，再去解决数据传输问题。因此，IEEE 802将数据链路层分为介质访问控制（Media Access Control，MAC）子层和逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）子层。

1，OSI/RM与局域网参考模型的比对

• 物理层
  • 两者物理层功能一样，主要处理物理链路上传输的比特流，实现比特流的传输与接收，同步前序的产生与删除；建立，维护，撤销物理连接，处理机械，电气，功能和规程特性。
• 介质访问控制MAC子层
  • MAC子层构成数据链路层的下半部，它直接与物理层相邻，负责介质访问控制机制的实现，处理与特定类型的局域网相关的问题。MAC子层主要有以下两个主要功能。
    1. 支持LLC子层完成介质访问控制功能，MAC子层为不同的物理介质定义了介质访问控制标准。
    2. 在发送数据时，将从上一层接收的数据封装成带MAC地址和差错控制检测字段的数据帧；在接收数据时拆帧，并完成地址识别和差错检测。
• 逻辑链路控制LLC子层
  • LLC子层构成数据链路层的上半部分，与网络层和MAC子层相邻，负责屏蔽掉MAC子层的不同实现，隐藏各种局域网技术之间的差别，向网络层提供服务。
  • LLC子层的功能主要是建立，维持和释放数据链路，提供一个或多个服务访问点，为网络层提供面向连接的或无连接的服务。LLC子层还提供差错控制，流量控制和发送顺序控制等功能。
  • LLC子层类型
    1. LLC类型1。是一种无连接LLC，数据帧被数据链路层以最大努力（Best-Effort）传送。信息帧在LLC实体间交换，无须在同等层实体间事先建立逻辑链路。对这种LLC帧既不确认，也无任何流量控制或差错恢复，支持点对点，多点和广播式通信。
    2. LLC类型2。基于数据包服务之上的可靠的面向连接的协议。除了LLC类型1需要的字段外，还有对帧进行编号的字段，也提供一个确认字段，还用来区分数据帧和控制帧。LLC类型2本质上是面向连接的数据链路协议HDLC的，用于局域网的面向数据帧的协议之上的点对点链路。

二，介质访问控制方法

• 介质访问控制方法，亦称为介质访问控制策略，是各结点（node）在信道中有序传送数据的保障。IEEE 802规定了局域网的介质访问控制方法主要有两类。

  • 争用型介质访问控制

    • 又称为随机型的介质访问控制协议，如IEEE 802.3载波监听多路访问/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD），IEEE 802.11载波侦听多路访问/冲突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）方式。

      • CSMA/CD。CSMA/CD采用的是一种“有空就发”的竞争型访问策略。工作原理可归纳为：先听后发，边发边听，冲突停止，退避重发。具体如下。

        1. 当一个结点想要发送数据时，先检测网络中是否有其他结点在同时传输数据，即监听信道是否空闲。如果信道忙则等待，信道闲就传输数据。
        2. 在发送数据的同时，结点继续监听网络，确信没有其他结点在同时传输数据。如果两个或多个结点同时发送数据，就会产生冲突。
        3. 若结点识别出一个冲突，立即发送一个拥塞信号，让其他的结点都能发现该冲突，并停止发送数据。
        4. 每个产生冲突的结点，等待一个随机产生的时间间隙后重新发送数据。

      • CSMA/CA

        1. 当一个结点想要发送数据的时候，先检测网络中是否有其他结点正在传输数据。若没有结点使用信道，再等待一个分布式帧间间隙（Distributed Inter-frame Spacing，DIFS）后依然没有人使用，才发送数据。
        2. 否则，站点执行CSMA/CA协议的退避算法。一旦检测到信道忙，则冻结退避计时器。只要信道空闲，退避计时器就进行倒计时。
        3. 当退避计时器时间减到0时（此时信道只可能是空闲的），站点就发送整个的帧并等待确认。
        4. 发送站若收到确认，就知道已发送的帧被目的站正确收到了。此时如果要发送第二帧，就要从步骤2开始，执行CSMA/CA协议的退避算法，随机选定一段退避时间。

  • 确定型介质访问控制

    • 又称有序的访问控制协议，如令牌（Token）方式。802标准定义了两类，IEEE 802.4令牌总线（Token Bus）和IEEE 802.5令牌环（Token Ring）。
      • 令牌是一种特殊的MAC控制帧，帧中有一位标志令牌忙/闲。令牌环网中的令牌总是沿着物理线路单向逐站传送，传送顺序与结点在线路中排列顺序相同，而令牌总线网中的令牌则按逻辑环顺序传送。
      • 如果某结点有数据帧要发送，必须等待空闲令牌的到来。当此结点获得空闲令牌之后，将令牌标志位由“闲”变为“忙”，然后传送数据。

三，以太网帧结构

1，以太帧类型

• 目前共有4种类型的以太帧结构。
  1. Ethernet II，即DIX2.0，是Xerox与DEC，Inter在1982年制定的以太网标准帧格式，已成为事实上的以太网帧标准。
  2. RAW 802.3，该格式以当时尚未正式发布的802.3标准为基础，与后来IEEE正式发布的802.3标准并不兼容。它只支持IPX/SPX一种协议，只能用在IPX网络。
  3. IEEE 802.3/802.2 LLC。这是由IEEE正式发布的802.3标准，由Ethernet V2发展而来。
  4. IEEE 802.3/802.2 SNAP。子网络访问协议（SubNetwork Access Protocol，SNAP）。规范了在IEEE 802网络上传输IP数据报的标准方法，更好地支持IP协议，同时保证了在802.2 LLC上支持更多的上层协议。

2，TCP/IP网络的以太网帧

• RFC 894规定IP数据包以标准的以太网帧格式方式传输，以太网帧数据中的类型字段值必须是十六进制数0x0800，以表示它承载的是IP数据包，封装格式是Ethernet II。
• RFC 1042规定IP数据包在802.2网络中封装方法和ARP协议在802.2 SANP中的实现，封装格式是IEEE 802.3/802.2 SNAP。
• Ethernet II是用于在以太网上传输IP数据包的事实标准帧类型，大多数应用程序的数据都采用这种形式进行封装。

3，以太网帧长度与MTU

• 最小的以太网帧长度为64字节，最大的以太网帧长度为1518字节。如果某个帧不能满足最小帧长度64字节的要求，那必须对数据字段进行填充。
• Ethernet II和IEEE 802.3/802.2 SNAP对要传输的数据包的长度都有限制，最大值分别为1500和1492字节，称为最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU）。
• 如果IP层有数据包要传输，而且其大小超过链路层的MTU，那么IP层就需要进行分片操作，将数据包分成若干片，让每片都不大于MTU。

4，前导码

• 在IP数据包被发送到传输介质之前，数据链路驱动程序将前导码加在以太网帧上，传输介质刚开始接收来自链路层的MAC帧时，由于尚未与到达的比特流达成同步，以太网帧前面的若干个比特就无法接收，结果会使整个帧成为无效帧。为达到与比特流同步，从MAC子层向下传到物理层时还要在MAC帧的前面插入7字节的前导码，由硬件自动生成，包含两个字段。第1字段称为前导码（Preamble），每个字节内容是十六进制数0xAA（10101010），使接收端在接收以太网帧时能够实现同步，又称为前同步码；第2字段称为起始帧定界符（Start Frame Delimiter，SFD），值为十六进制数0xAB（10101011），即由“10”序列突然变为“11”序列，标识以太网帧的开始。
  

5，帧校验

• 以太网帧的内容需要执行一个循环冗余校验（Cyclical Redundancy Check，CRC）过程，校验计算的结果放在帧的末尾帧校验序列（Frame Check Sequence，FCS）字段中。校验范围并不包括前导码。

6，Ethernet II和IEEE 802.3/802.2 SNMP帧格式

• Ethernet II帧格式，包含5个字段（不够64字节时添加Pad字段）

• 各字段含义

  • 目的字段：长度为6个字节，指定目的主机的MAC地址。

  • 源地址：长度为6个字节，指定发送方的MAC地址。

  • 类型（Type）：长度为2个字节，标识正在使用该帧类型的上层协议。由互联网数字分配结构IANA管理已分配协议以太网类型（Ether Type）编号，如：0x0800表示IPv4协议，0x0806表示ARP协议，0x8137表示IPX协议。常见表示协议如下表

    类型（16进制）	协议
    0x0000~0x05DC	IEEE 802.3长度
    0x0101~0x01FF	实验
    0x0600	XEROX NS IDP
    0x0660/0x0661	DLOG
    0x0800	网际协议（IP）
    0x0801	X.75 Internet
    0x0802	NBS Internet
    0x0803	ECMA Internet
    0x0804	Chaosnet
    0x0805	X.25 Level 3
    0x0806	地址解析协议（ARP）
    0x0808	帧中继ARP（Frame Relay ARP）[RFC1701]
    0x6559	原始帧中继（Raw Frame Relay）[RFC1701]
    0x8035	动态DARP（DRARP：Dynamic RARP） 反向地址解析协议（RARP：Reverse Address Resolution Protocol）
    0x8037	Novell Netware IPX
    0x809B	EtherTalk
    0x80D5	IBM SNA Services over Ethernet
    0x80F3	AppleTalk 地址解析协议（AARP：AppleTalk Address Resolution Protocol）
    0x8100	以太网自动保护开关（EAPS：Ethernet Automatic Protection Switching）
    0x8137	因特网包交换（IPX：Internet Packet Exchange）
    0x814C	简单网络管理协议（SNMP：Simple Network Management Protocol）
    0x86DD	网际协议v6（IPv6：Internet Protocol version 6）
    0x880B	点对点协议（PPP：Point-to-Point Protocol）
    0x880C	通用交换管理协议（GSMP：General Switch Management Protocol）
    0x8847	多协议标签交换（单播） （MPLS：Multi-Protocol Label Switching ）
    0x8848	多协议标签交换（组播） （MPLS：Multi-Protocol Label Switching ）
    0x8863	以太网上的PPP（发现阶段）（PPPoE：PPP Over Ethernet ）
    0x8864	以太网上的PPP（PPP会话阶段）（PPPoE：PPP Over Ethernet ）
    0x88BB	轻量级访问点协议（LWAPP：Light Weight Access Point Protocol）
    0x88CC	链路层发现协议（LLDP：Link Layer Discovery Protocol）
    0x8E88	局域网上的EAP（EAPOL：EAP over LAN）
    0x9000	配置测试协议（Loopback）
    0x9100	VLAN标签协议标识符（VLAN Tag Protocol Identifier）
    0xFFFF	保留

  • 数据：存储被封装的上层数据，长度在46字节到1500字节之间，如果数据长度小于46字节，则在填充位填0。

  • 帧校验序列（Frame Check Sequence）：简称FCS，长度为4字节，包含了CRC计算的结果。

• IEEE 802.3/802.2 SNAP是解决Ethernet II与802.3帧格式兼容问题的一种折中方案。

  

  • 长度字段：占2字节，定义了数据字段包含的字节数。
  • 逻辑链路控制（Logical Link Control ，LLC）：占3字节，由目的服务访问点DSAP（Destination Service Access Point），源服务访问点SSAP（Source Service Access Point）和Control字段组成。IEEE 802.3帧根据DSAP和SSAP字段的取值又分为以下几类。
    • 当DSAP和SSAP都取特定值0xFF时，802.3帧就变成了Netware-Ethernet帧，用来承载NetWare类型的数据。
    • 当DSAP和SSAP都取特定值0xAA时，802.3帧就变成了Ethernet SNAP帧。Ethernet SNAP帧可以用于传输多种协议。
    • DSAP和SSAP其他的取值均为纯IEEE 802.3帧。
    • 控制字段，基本不使用。一般设为十六进制数0x03，指明采用无连接服务的802.2无编号数据格式。
  • 子网络访问协议（Sub-network Access Protocol，SNAP）：由机构代码（Organization Code）和类型（Type）字段组成。Organization Code三个字节都为0。Type字段的含义与Ethernet II帧中的Type字段相同。

第二节 各种类型的以太网

一，10Mbit/s以太网

1，10Base-5规范标准

• 是出现最早的以太网类型，通常称为粗轴以太网。
• 粗轴以太网的电缆两端有50Ω的终端电阻，每网段允许连接100个结点，单个网段的最大长度不超过500m，若网络长度必须超过500m，需要使用中继器对信号进行重新识别并再生成来延伸网络长度。
• 网络扩展中，最多使用4个中继器连接5个网段，因此最大网络直径是2500m。在连接的5个网段中，只允许3个网段连接计算机，其余2个网段只用来扩展网络距离。即5-4-3中继规则。

2，10Base-2规范标准

• 用基带细同轴电缆所组建的网络称为细缆以太网，基于10Base-2规范标准，其中“10”表示10Mbit/s，“Base”表示基带传输，2表示200m。主要由以下部分组成。

  1. 细同轴电缆。它是直径5mm，特征阻抗为50Ω的基带细同轴电缆。
  2. BNC T型连接器（收发器）。T型连接器有3个端口，其中，两个端口用于连接两条电缆，还有一个与网卡上的BNC接口相连。

  

  3. BNC终端匹配器（终接器）。终接器（50Ω）接在细同轴电缆网段的两端，及时吸收脉冲信号，防止信号反射而产生干扰。
  4. 网卡。支持细同轴电缆的网卡（Network Interface Card，NIC）上应有一个BNC连接器插头，可与BNC T型连接器相连，通过T型连接器与细同轴电缆相连。

3，10Base-T规范标准

• 采用3类（CAT3）以上双绞线为传输介质，传输10Mbit/s的基带信号，T表示双绞线。通常为RJ-45接口，采用以Hub为中心的连接方式，每台计算机到Hub的连接采用双绞线，其最大长度不超过100m。
• 从物理结构上，10Base-T以太网通常采用以Hub为中心的连接方式，即采用星型拓扑结构。
• 从逻辑上来说，根据Hub的工作原理，在一个端口接收到的数据会向Hub的其他所有端口广播，与总线结构的特征是相同的，即Hub在逻辑上采用的是总线型结构。

二，100Mbit/s以太网

• 又称为快速以太网，是以太网的第二代产品，其协议标准为IEEE 802.3u，可支持100Mbit/s的数据传输速率。
• 100Base-T可采用3类传输介质，即100Base-T4，100Base-TX和100Base-FX，采用4B/5B编码方式。

1，100Base-T4

• 使用4对3，4或5类非屏蔽双绞线的快速以太网技术。
• 传输中使用8B/6T编码方式，信号频率为25MHz，但由于没有专用的发送或接收线路，所以100Base-T4不能进行全双工操作。最大网段距离100m。

2，100Base-TX

• 使用5类非屏蔽或屏蔽双绞线的快速以太网技术。
• 使用两对双绞线，一对发送，一对接收。传输中使用4B/5B编码方式，信号频率为125MHz。
• 最大网段长度为100m，支持全双工数据传输。

3，100Base-FX

• 使用光纤的快速以太网技术，可使用单模和多模光纤（62.5μm和125μm）。
• 传输中使用4B/5B编码方式，信号频率为125MHz。
• 使用MIC/FDDI连接器，ST连接器或SC连接器，最大网段长度为150m，412m，2000m或更长至10km，支持全双工的数据传输。
• 100Base-FX适合于有电气干扰的环境，较大距离连接，或高保密环境等情况使用。

项目	100Base-TX	100Base-T4	100Base-FX
线材	5类以上UTP或STP双绞线	3类以上UTP双绞线	单模/多模光纤
接头	RJ-45	RJ-45	ST，MIC，SC
网段最大长度	100m	100m	2000m
网络拓扑	星型	星型	星型
所需传输线数目	2对	4对	1对
发送线对数	1对	3对	1对
中继器数量	2	2	2
是否支持全双工	是	否	是
编码方式	4B/5B	8B/6T	4B/5B
信号频率	125MHz	25MHz	125MHz

三，1000Mbit/s以太网

• IEEE 802.3z工作组，专门负责千兆以太网及其标准，1998年6月正式公布关于千兆以太网的标准，称为第三代以太网络。
• 千兆以太网的数据传输率1000Mbit/s，即1Gbit/s（吉比特）。

1，千兆以太网标准规范

• IEEE 802.3z和IEEE 802.3ab标准中包括1000Base-LX，1000Base-SX，1000Base-CX和1000Base-T。

• 1000Base-CX是一种基于铜缆的标准（屏蔽双绞线），使用8B/10B编码解码方式，最大传输距离为25m。

• 1000Base-T基于非屏蔽双绞线（超5类或6类），使用1000Base-T铜物理层Copper PHY编码解码方式，最大传输距离为100m。1000Base-T在传输中使用了全部4对双绞线并工作在全双工模式下。

• 1000Base-SX基于短波长多模光纤传输介质，使用8B/10B编码解码方式，使用50μm或62.5μm多模光纤，最大传输距离为270m到550m。1000Base-SX使用两对光纤，支持全双工。

• 1000Base-LX基于长波长单模光缆标准时，使用8B/10B编码解码方式，使用9μm多模光纤时，最大传输距离为5000m。1000Base-LX使用两对光纤，支持全双工。

2，千兆以太网的其他标准规范

• 有些千兆以太网规范并没有正式以标准形式对外发布，或者不是由IEEE发布的。
• 1000Base-LH定义在IEEE802.3z中的针对光纤布线吉比特以太网的一个物理层规范。LH代表长距离，可以使用长波激光的多模光纤（1300nm）和单模光纤（1310~1355nm）。长波激光的多模光纤能够支持的最远距离为550m，单模光纤最长有效传输距离为10km，可以与1000Base-LX网络保持兼容。
• 1000Base-ZX是针对吉比特以太网通信的思科指定标准，是一个非标准规范。使用超长波激光单模光纤（1550nm），跨度可达70km。
• 1000Base-LX10采用波长为1310nm的单模长波光纤。最长有效传输距离可达10km。
• 1000Base-BX10两根光纤采用的传输介质类型是不同的，下行方向采用的是波长为1490nm的单模超长波光纤，上行方向则是采用1310nm的单模长波光纤。最长有效距离为10km。
• 1000Base-TX。千兆位以太网常用标准，由TIA/EIA发布。

四，10Gbit/s以太网

• 其数据传输率为10000Mbit/s。
• 2002年发布的LAN和WAN规范中，万兆以太网标准包含三个，分别是10GBase-R，10GBase-X和10GBase-W（2006年新增了10GBase-T）。可以分为3类规范：
  • 基于光纤的局域网万兆以太网规范。
  • 基于双绞线（或铜线）的局域网万兆以太网规范。
  • 基于光纤的广域网万兆以太网规范。

1，基于光纤的局域网万兆以太网规范

1，10GBase-SR

• 10GBase-SR中的“SR”是“Short Range”（短距离），规范支持编码为64B/66B的短波（波长为850nm）多模光纤（MMF），有效传输距离为2~300m。要支持300m传输，需要采用经过优化的50μm线径优化的多模3（Optimized Multimode 3，OM3）光纤。

2，10GBase-LR

• 10GBase-LR中的“LR”是“Long Range”（长距离），规范支持编码方式为64B/66B的长波（1310nm）单模光纤（SMF），有效传输距离为2m~10km，实际上可达25km。

3，10GBase-ER

• 10GBase-ER中的“ER”是“Extended Range”（超长距离），规范支持超长波（1550nm）单模光纤（SMF），有效传输距离为2m~40km。

2，基于双绞线（或铜线）的局域网万兆以太网规范

• 基于双绞线（6类以上）的万兆以太网规范，包括10GBase-CX4，10GBase-KX4，10GBase-KR和10GBase-T。

1，10GBase-CX4

• 使用802.3ae中定义的XAUI（万兆附加单元接口）和用于InfiniBand（无限带宽）中的4X连接器，传输介质称为“CX4”铜缆（一种屏蔽双绞线）。有效传输距离仅15m。
• 10GBase-CX4规范不是利用单个铜线链路传送万兆数据，而是使用4台发送器和4台接收器来传送万兆数据，并以差分方式运行在一捆同轴电缆上，每台设备利用8B/10B编码，以每信道3.125GHz的波特率传送2.5Gbit/s的数据。这需要在每条电缆组的总共8条双同轴信道的每个方向上有4组差分线缆对。另外，与可在现场端接的5类，超5类双绞线不同，CX4线缆需要在工厂端接，因此客户必须指定线缆长度。

2，10GBase-KX4和10GBase-KR

• IEEE 802.3ap标准。
• 主要应用于背板应用，如刀片服务器，路由器和交换机的集群线路卡，又称为“背板以太网”。

3，10GBase-T

• IEEE 802.3an标准。

• 可工作在屏蔽或非屏蔽双绞线上，最长传输距离为100m。（万兆以太网一项革命性进步）

• 标准制定者依靠4项技术改进：损耗消除，模拟到数字转换，线缆增强和编码改进，使10GBase-T变为现实。

3，基于光纤的广域网万兆以太网规范10GBase-W

• 10G以太广域网和10G以太局域网物理层的传输速率不同，10G以太广域网采用OC-192c（STS-192c）帧格式在线路上传输数据，传输速率为9.58464Gbit/s，而10G以太局域网的传输速率为10Gbit/s。10GBase-SW，10GBase-LW，10GBase-EW和10GBase-ZW规范都是应用于广域网的物理层规范

第三节 无线局域网

一，无线局域网概述

• 无线局域网（Wireless LAN，WLAN）是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。无线局域网利用了无线多址接入这种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信提供移动化，个性化和多媒体应用。相比于有线网络，无线网络的优点如下：
  • 安装便捷。
  • 使用灵活。
  • 节约成本。
  • 易于扩展。

二，无线局域网标准IEEE 802.11

标准	发布时间	简要说明
IEEE 802.11	1997	2.4GHz微波和红外线标准，速率为1Mbit/s和2Mbit/s
IEEE 802.11a	1999	5GHz微波标准，速率为54Mbit/s
IEEE 802.11b	1999	2.4GHz微波标准，速率为5.5Mbit/s和11Mbit/s
IEEE 802.11c	2000	IEEE 802.11网络和普通以太网之间的互通
IEEE 802.11d	2000	国际漫游的规范
IEEE 802.11e	2005	服务质量控制，包括数据包脉冲
IEEE 802.11f	2003	服务访问点间通信协议
IEEE 802.11g	2003	2.4GHz微波标准，速率达54Mbit/s
IEEE 802.11h	2003	5GHz微波频谱管理（欧洲）
IEEE 802.11i	2004	增强安全机制
IEEE 802.11k	2008	微波测量规范
IEEE 802.11n	2009	使用MIMO技术，速率为100Mbit/s
IEEE 802.11p	2010	车载环境的无线接入
IEEE 802.11r	2008	快速的BSS切换
IEEE 802.11s	2010	网状网络的扩展服务集
IEEE 802.11u	2010	和非802类型的网络协同
IEEE 802.11v	2010	无线网络管理
IEEE 802.11w	2009	被保护的网络管理帧
IEEE 802.11y	2008	3650~3700MHz微波（美国）
IEEE 802.11z	2011	扩展到直接链路建立
IEEE 802.11aa	2011	音视频流的鲁棒性
IEEE 802.11ac	2012	使用MIMO技术对IEEE 802.11n的改进
IEEE 802.11ad	2012	60GHz微波标准，最高理论速率达7Gbit/s
IEEE 802.11ae	2012	帧管理的优先级
IEEE 802.11af	2014	利用电视空白频段
IEEE 802.11ah	2014	1GHz无线传感子网，智能表计量
IEEE 802.11ai	2015	快速初始链路设置
IEEE 802.11aj	2016	针对中国毫米波频段的下一代WLAN
IEEE 802.11ax	2018	IEEE 802.11ac的升级版
IEEE 802.11ay	2017	IEEE 802.11ad的升级版

1，IEEE 802.11体系结构

• IEEE 802.11无线局域网中，运行相同MAC协议和争用同一共享介质到的站点集合，称为基本服务集（Basic Service Set，BSS）。
• 一个BSS通常包含一个或多个无线站点和一个无线接入点（Access Point，AP）。
• 无线站点和接入点之间用IEEE 802.11无线MAC协议来互相通信，可以将多个接入点连接起来形成一个所谓的无线分布式系统（Wireless Distribution System，WDS）。

2，IEEE 802.11ac标准

1，信道频段

• 早期的IEEE 802.11标准一般都使用2.4GHz频段，作为世界通用的ISM频段，各国具体可用信道互不相同，取决于无线电频谱分配的规定。
• 2.4GHz频段包括14个载波频道，每个占用22MHz。
  • 中国，欧洲和澳大利亚允许使用1~13信道。
  • 美洲允许使用1~11信道。
  • 日本允许使用所有14个信道。
• 我国2002年开放了5.725~5.850GHz频段，IEEE 802.11ac工作在该频段。
• 2012年又开放了5.150~5.350GHz频段资源用于无线接入系统，仅限于室内使用。

2，MIMO技术

• MIMO（Multiple Input Multiple Output，多入多出）指利用多发射，多接收天线进行空间和时间分集，利用多天线来抑制信道衰落。如果无线通信系统的发送方和接收方均采用了多根天线或天线阵列，就构成了无线MIMO系统。
• MIMO的关键技术包括信道估计，空时信号处理，同步和分集技术等。
  • 信道估计。采用空时编码时，接收方需准确知道信道特征才能有效解码。目前信道估计有两类：
    • 一类是训练序列或导频
      • 在时变信道中需周期性发送训练序列。训练序列发送要占用信道容量，降低信道利用率。优点是误差小，收敛快。
    • 另一类是采用盲方法辨别信道
      • 分为全盲和半盲。盲方法可提高信道利用率，更适合高速数字通信。
      • 全盲算法运算量相对较大，且收敛速度慢。
      • 半盲算法是全盲算法和导频法的折中，降低了运算复杂度。
  • 空时信号处理。从时间和空间同时进行信号处理。分为空时编码和空间复用。
    • 空时编码
      • 在发射端对数据流进行联合编码，减小信道衰落和噪声引起的错误率，同时增加信号冗余度，使接收端获得最大分集增益和编码增益。
      • 常见的空时编码方式有分层空时码，空时格形码，空时分组码和空时频编码，缺点是无法提高数据传输速率。
    • 空间复用
      • 指通过不同天线尽可能多地在空间信道上传输独立数据。
      • MIMO使用多天线，充分利用空间传播中的多径分量在同一信道上使用多数据通信，使信道容量随天线数量线性增加。其不占用额外带宽，不消耗额外发射功率，有效增加信道和系统容量。
  • 同步。包括载波同步，符号同步和帧同步等。
    • 载波频率不同步会破坏子载波间地正交性，造成输出信号幅度衰减及信号相位旋转，影响符号定时和帧同步性能。
    • 符号同步是为了找到离散傅里叶变化窗的起始位置，使子系统保持正交，可采用特殊训练序列或用循环前缀的相关特性进行符号定时。
    • 帧同步是在OFDM符号流中定位帧起始，接收机检测出帧首部后，根据帧结构处理帧中信息。
  • 分集技术
    • 根据信号论原理，若有其他衰减程度的原发送信号副本提供给接收机，则有助于接收信号的正确判决。
    • 通过提供传送信号多个副本来提高接收信号正确判决率的方法称为分集。
    • 天线分集技术对克服多径衰落较有效，MIMO利用了时间，频率和空间3种分集技术，有效增加了对噪声，干扰和多径的容忍度。

3，分布式协调功能（DCF）和帧间间隔

• MAC子层的功能首先是提供可靠的数据传输。通过MAC帧交换协议来保障无线介质上的数据传输可靠性。还能实现共享介质访问的公平控制，通过两种访问机制来实现：
  • 基本访问机制，即分布式协调功能（Distributed Coordination Function，DCF）
    • DCF是基础协议，核心是CSMA/CD，包括载波检测，帧间间隔和随机退避。
    • 在自组织网和基础架构网中超频的竞争期使用，支持异步服务。
    • DCF有两种工作模式：CSMA/CA和RTS/CTS。
  • 集中控制访问机制，即点协调功能（Point Coordination Function，PCF）
    • PCF用于超帧的无竞争期，支持时限服务，是可选协议。
• 帧间间隔
  • 为避免冲突，MAC子层规定所有站点在完成发送后，必须等待一个短时间（继续监听）才能发送下一帧，该时间称为帧间间隔（InterFrame Space，IFS）。
  • IFS的长短取决于该站点要发送的帧类型。高优先级的等待时间较短，可优先获得发送权，而低优先级则需要等待较长时间。
  • IEEE 802.11规定了4种IFS，以实现不同的访问优先级别，其时间长度关系为SIFS<PIFS<DIFS<EIFS。
  • SIFS（Short IFS）。它是最小的IFS，采用SIFS的结点具有最高访问优先级。一些特殊帧要求使用SIFS访问介质，如应答帧（ACK），清除发送帧（CTS），MAC服务数据单元（MSDU）的非头分段，被轮询到的站回应帧等。
  • PIFS（PCF IFS）。PIFS为SIFS和时隙时间之和。AP在无竞争期开始时获得介质访问权的时间间隔，故AP总比普通结点具有更高的访问信道的优先级。
  • DIFS（DCF IFS）。DIFS为SIFS和两倍时隙时间之和。工作在DCF模式的终端通过载波监听到介质空闲超过DIFS，且本站点随机退避结束，可立即发送。
  • EIFS（Extended IFS）。EIFS为ACK帧传输时间，SIFS和DIFS的时间之和。在前一帧出错的情况下，发送节点不得不延迟EIFS时间后再发送下一帧。EIFS期内收到正确帧将使得该站重新同步并结束EIFS，进入正常介质访问状态。

4，CSMA/CA

• 802.11与802.3的MAC层采用不同策略。802.3采用载波侦听多路访问/冲突检测机制，而无线网络中的冲突检测较难，原因在于：
  • 信号强度衰减，无法准确检测出冲突。
  • 结点隐藏，如两个相反方向的工作站共同使用一个中心接入点进行连接时，可能因障碍或距离原因无法感知对方存在，而会导致冲突，所以802.11采用CSMA/CA。
• CSMA/CA方式中，检测到信道空闲期间大于某一IFS后立即开始发送帧，否则延迟发送直到检测到所需IFS，然后选择退避时间进入退避，结束后重新开始上述过程。CSMA/CA的基础是载波帧听，存在两种不同的侦听机制：
  • 虚拟载波侦听（Virtual Carrier Sense，VCS）
    • VCS依靠网络分配向量（Network Allocation Vector，NAV），而NAV由根据时间设置的位于数据帧的Duration/ID域值所决定。NAV提供给其他站点关于信道被某个站点占用的时间信息。
  • 物理载波侦听（Physical Carrier Sense，PCS）
    • PCS是一个由物理层向MAC层发送警报信号的机制，以表示目前是否有信号被侦听到。
• 结合VCS和PCS，MAC层协议使用冲突避免机制。发送数据前先进行VCS，然后进行PCS一个DIFS的时间长度。

5，RTS/CTS

• 用于解决隐藏站点和暴露站点的问题。
  • 隐藏站点问题
    • 由于在一个BSS中，并不是所有的站点都能够在其他站点的信号覆盖范围之内，所以当一个站点在向另一个站点发送数据时，其他站点可能不会感知到这一通信过程，从而产生冲突。
    • 这种未能检测到已存在信号，而影响其他站点发送数据的问题叫做隐藏站点问题。
  • 暴露站点问题
    • 由于大多数WLAN设备只能在半双工模式下工作，这就使得站点不能在同一个频率上既传输数据，又监听信道。
    • 能检测到已存在信号，但又不影响站点发送数据的问题叫做暴露站点问题。
• RTS/CTS工作过程
  • 发送端在发送数据之前，必须先侦听信道，若在等于或大于一个DIFS中，信道一直被侦听为空闲，则发送一个很短的RTS控制帧。
  • 接收端收到发送端的RTS帧，并等待SIFS后，发送一个很短的CTS控制帧进行响应。
  • 其他站点监听到有站点要通信，在其持续通信时间（NAV）内不再发送数据。
  • 发送端接收到CTS后，再等待一段SIFS时间后，即可发送数据帧，若接收端正确接收了发送端发来的帧，再等待一段SIFS时间后，就向发送端发送确认帧（ACK）。

6，点协调功能（PCF）

• PCF是一种集中式协调的信道接入技术。
• AP中的点协调器建立一个周期性的无争用周期（CFP），CFP中无线信道的无争用接入由点协调器协调。
• CFP期间，所有邻近站点的NAV都被设为CFP的最大期望时长。
• 所有在CFP期间的帧传输使用同一帧间距。该帧间距小于在DCF下接入信道时的帧间距，以防止站点使用争用机制获取信道接入权。
• 点协调器定期使用信标帧建立一个CFP，其最大时长由信标帧中的参数设定。若CFP时长大于信标间隔，点协调器会在CFP期间合适的时刻传输信标。
• CFP实际时长与期间交换的数据量有关，但时长不会超过信标帧设定的最大值。在最大时长时刻来临时，通过发送一个CFP结束帧以终止CFP。点协调器在CFP结束后重置所有站点的NAV，以允许争用接入。
• CFP期间，点协调器可向站点发送单播数据。AP同时轮询各站点，查看它们是否需要传输数据。沦胥信息可作为单独帧或捎带在数据帧中。
• PCF的站点在一个CFP结束通信时，可能只在下一个CFP中被轮询。同样，需要在DCF时段内被发送，但在CFP时段内被接收到的通信须等到CFP结束，获得信道接入时才能被发送，不利于时延敏感类型应用。PCF的局限性使其并未被广泛使用。

三，Wi-Fi

• Wi-Fi（Wireless-Fidelity，无线保真）在局域网中是指“无线兼容性认证”。
• 是一个基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术。
• IEEE只负责产品的技术标准，并不负责产品的测试及其兼容性。

四，无线局域网的主要类型

• 无线局域网按所采用的传输技术可分为3类：
  • 红外线局域网
  • 扩频无线局域网
  • 窄带微波无线局域网

1，红外线局域网

• 优势：
  • 红外线通信比微波通信不易被入侵，有较高的安全性。
  • 红外线网络可以互不干扰，因此可以建立一个较大的红外线网络。
  • 红外线局域网设备相对简单，便宜。红外线数据传输基本上采用强度调制，所以红外线接收器只需测量光信号的强度，而大多数的微波接收器需测量信号的频谱或相位。
• 红外线局域网的3种数据传输技术
  • 定向光束红外传输技术
    • 用于点对点链路。
    • 传输的范围取决于发射的强度和接收装置的性能。
    • 红外线可以用于连接几座大楼内的网络，但是每栋大楼的路由器或网桥都必须在视线范围内。
  • 全方位红外传输技术
    • 一个全方位配置要有一个基站，基站能看到红外线无线局域网中的所有结点。
    • 典型的全方位配置是将基站安装到天花板，基站的发射器向各个方向发送信号，每个红外接收器都能接收到信号，所有结点的接收器都用定位光束瞄准天花板上的基站。
  • 漫反射红外传输技术
    • 漫反射红外线配置中所有结点的发射器，都瞄准天花板上的漫反射区，红外线射到天花板上则被漫反射到房间内的所有接收器上。

2，扩频无线局域网

• 扩频技术是使用最广泛的无线局域网技术。
• 原理是将信号散布到更宽的带宽上，以使发生拥塞和干扰的概率较少。
• 目前扩频有两种方法，跳频和直接序列扩频。
  • 跳频
    • 发送信号的频率按固定的时间间隔从一个频谱跳到另一个频谱。
    • 接收器与发送器同步跳动，从而可正确地接收信息。
    • 发送器以固定的时间间隔变换一个发送频率。
    • IEEE 802.11标准规定每300ms的时间间隔变换次发送频率。
    • 发送频率变换的顺序由一个伪随机码决定发送器和接收器使用相同的变换序列。
  • 直接序列扩频
    • 直接序列扩频将原始数据“1”或“0”用多个（通常10个以上）时隙来代表，使得原来较高功率，较窄频的信号变成具有较宽频的低功率信号。

3，窄带微波无线局域网

• 使用微波无线电频带来进行数据传输，其带宽刚好能容纳信号。
• 窄带微波无线局域网分为：
  • 免申请执照的窄带微波无线局域网。
  • 需要申请执照的窄带微波无线局域网。

第四节 交换机和VLAN工作原理

一，交换机及其工作原理

• 工作原理

  • 当一帧到达时，交换机首先需要决策将该帧丢弃还是转发，如果是转发，还必须进一步决策应该将该帧转发到哪个端口去。交换机的决策依据是，以帧的目的MAC地址作为主键，查询其内部的MAC地址表，如果MAC地址表中存在帧的目的MAC地址对应的MAC地址表项，且对应的端口与接收到的端口相同，则丢弃该帧，无须转发，否则通过表项中的端口转发帧。
  • 如果MAC地址表中不存在帧的目的MAC地址对应的MAC地址表项，则向除接收到该帧的端口外的所有其他端口转发该帧，即泛洪（Flooding）。
  • 交换机的MAC地址表存储了当前已知站点的MAC地址与交换机端口对应（连接）关系。
  • 初始时（如刚加电时），交换机的MAC地址表是空的，交换机并不知道主机与交换机的端口是怎样的连接关系，当收到一个帧时，也无法根据帧的目的MAC地址以及MAC地址表决策如何转发该帧，只能“泛洪”。
  • 交换机的MAC地址表是在网络的运行过程中，通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。

  

• 交换机连接方式

  • 交换机间的连接有两种形式，一种是堆叠，另一种是级联。

• 堆叠

  • 通过专用线缆（UP和DOWN端口）把每台交换机的母板总线连接在一起，虚拟成一台交换机，通过主交换机就可以配置所有交换机，提高了网络效率，简化了管理。
    

  • 级联

    • 两台交换机通过普通端口或级联端口（UpLink端口）连接，以达到拓展网络接口的作用。

  • 堆叠与级联的区别

    • 对设备要求不同
      • 级联可通过一根双绞线在任何网络设备厂家的交换机之间，或者交换机与集线器之间完成。
      • 堆叠只有在自己厂家的设备之间，并且该交换机必须具有堆叠功能才能实现。
    • 对连接介质要求不同
      • 级联只需一根跳线。
      • 堆叠需要专用的堆叠模块和堆叠线缆。
    • 最大连接数不同
      • 交换机间的级联，在理论上没有级联数的限制。
      • 堆叠内可容纳的交换机数量，各厂商都会明确地进行限制。
    • 管理方式不同
      • 堆叠后的数台交换机在逻辑上是一个被网管的设备，可以对所有交换机进行统一的配置和管理。
      • 级联的交换机在逻辑上是各自独立的，必须依次对其进行配置和管理每台交换机。
    • 设备间连接带宽不同
      • 多台交换机级联时会产生级联瓶颈，并将导致较大的转发延迟。
      • 多台交换机通过堆叠连接在一起时，堆叠线缆将能提供高于1Gbit/s的背板带宽，从而可以实现所有交换机之间的高速连接。
    • 网络覆盖范围不同
      • 交换机可以通过级联成倍地扩展网络覆盖范围。
      • 堆叠线缆通常只有0.5~1m，仅仅能够满足交换机之间互联的需要。

二，交换机的功能

• 交换机主要完成OSI七层参考模型中物理层和数据链路层的功能，工作在OSI/RM参考模型的第二层，即数据链路层，主要功能如下。
  1. 物理编址
     • 定义了设备在数据链路层的编址方式
  2. 网络拓扑结构
     • 包括数据链路层的说明，定义了设备的物理连接方式。
  3. 错误校验
     • 向发生传输错误的上层协议提出警告。
  4. 数据帧序列
     • 重新整理并传输除序列以外的帧。
  5. 流量控制
     • 延缓数据的传输能力以使接收设备不会因为在某一时刻收到了超过其处理能力的信息流而崩溃。
• 交换机除了具备上述功能外还具备一些新的功能，如VLAN，链路聚合，有些甚至具有防火墙功能，即第三层交换机所具有的功能。
• 第三层交换也称为多层交换技术或IP交换技术，是相对于传统交换概念提出的。
• 第三层交换技术就是“第二层交换技术+第三层转发”。三层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后网段中的子网必须依赖路由器进行管理的局面。

三，交换机的分类

1，按网络覆盖范围划分

• 广域网交换机
  • 主要用于电信城域网互联，互联网接入等领域的广域网中，提供通信用的基础平台。
• 局域网交换机
  • 用于局域网，用于连接服务器工作站，网络打印机，集线器，交换机和路由器等设备，提供高速独立信道。

2，按传输介质和传输速度划分

• 以太网交换机
• 快速以太网交换机
• 千兆以太网交换机
• 万兆以太网交换机
• FDDI交换机
• ATM交换机
• 令牌环交换机

3，按照网络设计层次划分

• 接入交换机
• 汇聚交换机
• 核心交换机

4，按交换机的结构划分

• 按交换机的端口结构划分
  • 固定端口交换机
    • 端口数量一般是8端口，16端口，24端口和48端口。
  • 模块化交换机
    • 拥有更好的灵活性和可扩充性。
    • 模块化交换机大都有很强的容错能力，支持交换模块的冗余备份，拥有可热插拔的双电源。

5，按交换机工作的协议层划分

• 第二层交换机
  • 工作于OSI模型数据链路层。
  • 桌面交换机一般都属于这种类型。
  • 只需要提供最基本的数据链接功能即可。
• 第三层交换机
  • 工作于OSI模型网络层。
  • 具有路由功能。
  • 利用IP地址信息提供给网络路径选择，实现不同网段间数据的快速交换。
  • 这类交换机通常采用模块化结构，以适应灵活配置的需要。
• 第四层交换机
  • 工作于OSI模型传输层。

6，按是否支持网管功能划分

• 网络管理型
  • 主要任务就是使所有的网络资源处于良好的状态。
  • 支持简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）
  • 采用嵌入式远程监视（Remote Monitoring，RMON）标准用于跟踪流量和会话，对决定网络中的瓶颈和限塞点十分有效。
• 非网络管理型

四，VLAN

• 数据链路层交换机互联的网络属于一个广播域，当使用太多的交换机互联大量的主机时，就构建了一个大的广播域。如果网络广播域太大，广播域内任一主机发送广播帧（如ARP查询），广播域内的所有其他主机都会接收该帧，并且如果交换机的互联存在环路，则广播帧就有可能被大量复制（交换机会向除接收端口外的所有端口转发广播帧），从而发生广播风暴，大量消耗网络带宽，严重影响网络的正常运行。
• 解决方案VLAN（Virtual LAN）
  • 虚拟局域网通过交换机（必须支持VLAN功能）对广播域进行逻辑分割（或限制），在传统局域网中，工作组通常都是被限定在同一个局域网网段中。当一个工作组中的主机要转移到其他工作组时，需要重新调整物理位置。而采用VLAN的方式可以不受物理位置的限制，以软件的方式划分和管理局域网中的工作组，可以限制接收广播信息的主机数，从而使局域网不会因为传播过多的广播信息而引起性能的恶化，即“抑制广播风暴”。
• VLAN划分方式
  • 基于交换机端口划分
  • 基于MAC地址划分
  • 基于上层协议类型或地址划分
    • 根据链路层帧所携带数据中的上层协议类型（如IP协议）或地址（如IP地址）定义VLAN成员，这种方法的优点是有利于组成基于应用的VLAN。