前言

本文基于王道考研课程与湖科大计算机网络课程教学内容以及计算机网络（第八版），系统梳理核心知识记忆点和框架，既为个人复习沉淀思考，亦希望能与同行者互助共进。

往期内容

408 计算机网络 知识点记忆（1）

408 计算机网络 知识点记忆（2）

408 计算机网络 知识点记忆（3）

408 计算机网络 知识点记忆（4）

核心知识记忆点+理解性说明

6.局域网

A.局域网的基本概念与体系结构

局域网 拓扑结构 传输介质 介质访问控制

以太网(目前使用范围最广,802.3)。逻辑拓扑是总线形结构,物理拓扑是星形结构。
令牌环(Token Ring,IEEE 802.5)。逻辑拓扑是环形结构,物理拓扑是星形结构。
FDDI(光纤分布数字接口,IEEE 802.8)。逻辑拓扑是环形结构,物理拓扑是双环结构。

逻辑链路控制LLC子层
介质访问控制MAC子层

1 采用无连接工作方式时，不对发送数据进行帧编号，又不要求接收方发送确认，即以太网尽最大努力交付数据，提供的是不可靠服务，对差错纠正由高层完成
2 发送数据使用曼彻斯特编码

MAC地址 6字节 高24位厂商代码 低24位厂商自行分配的适配器序列号
支持单播帧
广播帧
多播帧
以太网适配器还可设置为一种特殊的工作方式,即混杂方式(promiscuous mode)。工作在混杂方式的适配器只要“听到”有帧在以太网上传输就都悄悄地接收下来,而不管这些帧发往哪个站。例如,网络维护和管理人员需要用这种方式来监视和分析以太网上的流量,以便找出提高网络性能的具体措施。有一种很有用的网络工具叫作嗅探器(Sniffer)就使用了设置为混杂方式的网络适配器。

适配器的一个重要功能就是要进行数据串行传输和并行传输的转换。由于网络上的数据率和计算机总线上的数据率并不相同,因此在适配器中必须装有对数据进行缓存的存储芯片。

当适配器收到有差错的帧时,就把这个帧直接丢弃而不必通知计算机。当适配器收到正确的帧时,它就使用中断来通知该计算机,并交付协议栈中的网络层。当计算机要发送IP数据报时,就由协议栈把IP数据报向下交给适配器,组装成帧后发送到局域网。
计算机的硬件地址就在适配器的ROM中,而计算机的软件地址 – IP地址,则在计算机的存储器中。

B.IEEE 802.11无线局域网

802.11是个相当复杂的标准。但简单地说,802.11就是无线以太网的标准,它使用星形拓扑。
无线局域网的中心叫作接入点AP(Access Point),它是无线局域网的基础设施,也是一个链路层的设备。接入点AP也叫作无线接入点WAP(Wireless Access Point)。所有在无线局域网中的站点,对网内或网外的通信,都必须通过接入点AP。

802.11 标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集BSS(Basic Service Set)。一个基本服务集 BSS 包括一个接入点和若干个移动站。
当网络管理员安装AP时,必须为该AP分配一个不超过 32字节的服务集标识符SSID(Service Set IDentifier)和一个通信信道。SSID就是指使用该AP的无线局域网的名字。

一个基本服务集BSS 所覆盖的地理范围叫作一个基本服务区 BSA(Basic Service Area)。
接入点AP在出厂时就已有了一个唯一的48位二进制数字的MAC地址,其正式名称是基本服务集标识符 BSSID。

一个基本服务集可以是孤立的单个服务集,也可通过接入点AP连接到一个分配系统DS(Distribution System),然后再连接到另一个基本服务集,这样就构成了一个扩展服务集ESS(Extended Service Set)。
这种接入是通过叫作门户(portal)的设备来实现的。门户是802.11 定义的新名词,其实它的作用就相当于一个网桥。从AP1到AP2的通信是使用有线传输的。

移动站与接入点AP建立关联的方法有两种。一种是被动扫描,其过程如下:
1 接入点AP周期性发出(例如每秒10次)信标帧(beacon frame),其中包含有若干系统参数(如服务集标识符 SSID以及支持的速率等)。
2 移动站A扫描11个信道,选择愿意加入接入点AP2所在的基本服务集BSS2,于是向AP2发出关联请求帧(Association Request frame)。
3 接入点AP2同意移动站A发来的关联请求,向移动站A发送关联响应帧(Association Response frame).
这样,移动站A和接入点AP2的关联就建立了。

另一种建立关联的方法是主动扫描,其步骤如下:
1 移动站A主动发出广播的探测请求帧(Probe Request frame),让所有能够收到此帧的接入点都能够知道有移动站要求建立关联。
2 现在两个接入点都回答探测响应帧(Probe Response frame)。
3 移动站A向AP2发出关联请求帧。
4 接入点AP2向移动站A发送关联响应帧,与移动站A建立了关联。

若移动站使用重建关联(reassociation)服务,就可把这种关联转移到另一个接入点。
当使用分离(dissociation)服务时,就可终止这种关联。

C.以太网与IEEE 802.3

V2标准的MAC帧 6 6 2 N（46——1500） 4 收发协数验（CRC检验范围 662N）
（插入：实现MAC帧的比特同步）（前同步码 7B 帧开始定界符 1B） 8B+以太网MAC帧
无效MAC帧（直接丢弃，以太网数据链路无重传）：长度不足整个字节 FCS检验值有误 长度不在64—1518字节

在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节。这是因为当一个站在刚开始接收 MAC 帧时,由于适配器的时钟尚未与到达的比特流达成同步,因此MAC 帧的最前面的若干位就无法接收,结果使整个的MAC 成为无用的帧。为了接收端迅速实现位同步,从MAC 子层向下传到物理层时还要在帧的前面插入8 个字节(由硬件生成),它由两个字段构成。第一个字段是7个字节的前同步码(1和0交替码),它的作用是使接收端的适配器在接收MAC帧时能够迅速调整其时钟频率,使它和发送端的时钟同步,也就是“实现位同步”(位同步就是比特同步的意思)。第二个字段是帧开始定界符,定义为10101011。它的前六位的作用和前同步码一样,最后的两个连续的1就是告诉接收端适配器:“MAC帧的信息马上就要来了,请适配器注意接收。”MAC帧的FCS字段的检验范围不包括前同步码和帧开始定界符。顺便指出,在使用SONET/SDH进行同步传输时则不需要用前同步码,因为在同步传输时收发双方的位同步总是一直保持着的。

IEEE 802.3 标准规定凡出现下列情况之一的即为无效的MAC帧:
(1)帧的长度不是整数个字节;
(2)用收到的帧检验序列FCS查出有差错;
(3)收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46~1500字节之间。考虑到MAC帧首部和尾部的长度共有18字节,可以得出有效的MAC帧长度为64到1518字节之间。

对于100Mb/s以太网而言，以太网最小帧长不变：64字节，网段最长电缆1km—>0.1km，争用期缩短至5.12us，帧间最小间隔缩短至0.96us

D.VLAN的基本概念与基本原理

广播风暴，浪费网络资源、cpu资源 存在安全隐患 虚拟局域网 分割广播域
划分VLAN方式
基于接口：VID和接口号映射
基于MAC地址：VID和MAC映射
基于IP地址：VID和IP映射

属于同一VLAN站点可以直接通信，不同VLAN中站点不能直接通信
连接在同一交换机上的多个站点可以属于不同VLAN，而属于同一VLAN的多个站点可以连接在不同的交换机上

IEEE 802.1Q帧 增加了VLAN标签
6 6 4（TPID 16b 固定0x8100 PRI 3 CFI VID 12 ） 2 N 4
以太网交换机接口类型：Access（默认） Trunk
不进行人为VLAN划分，各接口默认属于VLAN1且为Access

Trunk接口交换机之间 路由器之间 边去标签 边打标签
PVID不同，直接转发802.1Q帧，无PVID 进行上述过程
不同VLAN不会在交换机上转发，会在路由器上转发

7.广域网

A.广域网的基本概念

同步：发送方发送数据后，等待接收方发挥响应之后才发下一个数据包
异步：发送方发送数据后，不等待接收方发送响应，接着发送下一个数据包

B.点对点协议(PPP)

点对点协议PPP 用户通过ISP接入互联网 两台网络设备之间的直接专用线路网络

PPP协议应满足的需求
(1)简单 对数据链路层的帧,不需要纠错,不需要序号,也不需要流量控制。接收方每收到一个帧,就进行CRC 检验。如CRC检验正确,就收下这个帧;反之,就丢弃这个帧,其他什么也不做。
(2)封装成帧 PPP 协议必须规定特殊的字符作为帧定界符(即标志一个帧的开始和结束的字符),以便使接收端从收到的比特流中能准确地找出帧的开始和结束位置。
(3)透明性 PPP协议必须保证数据传输的透明性。这就是说,如果数据中碰巧出现了和帧定界符一样的比特组合时,就要采取有效的措施来解决这个问题。
(4)多种网络层协议 PPP 协议必须能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议(如IP和IPX等)的运行。当点对点链路所连接的是局域网或路由器时,PPP协议必须同时支持在链路所连接的局域网或路由器上运行的各种网络层协议。
(5)多种类型链路 除了要支持多种网络层的协议外,PPP还必须能够在多种类型的链路上运行。例如,串行的(一次只发送一个比特)或并行的(一次并行地发送多个比特),同步的或异步的,低速的或高速的,电的或光的,交换的(动态的)或非交换的(静态的)点对点链路。
(6)差错检测(error detection) PPP 协议必须能够对接收端收到的帧进行检测,并立即丢弃有差错的帧。
(7)检测连接状态 PPP 协议必须具有一种机制能够及时(不超过几分钟)自动检测出链路是否处于正常工作状态。当出现故障的链路隔了一段时间后又重新恢复正常工作时,就特别需要有这种及时检测功能。
(8)最大传送单元
(9)网络层地址协商
(10)数据压缩协商

PPP协议不支持多点线路(即一个主站轮流和链路上的多个从站进行通信),而只支持点对点的链路通信。此外,PPP协议只支持全双工链路。

PPP协议有三个组成部分:
(1)一个将IP数据报封装到串行链路的方法。PPP既支持异步链路(无奇偶检验的8比特数据),也支持面向比特的同步链路。IP数据报在PPP帧中就是其信息部分。这个信息部分的长度受最大传送单元MTU的限制。
(2)一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议 LCP(Link Control Protocol)。通信的双方可协商一些选项。
(3)一套网络控制协议NCP(Network Control Protocol),其中的每一个协议支持不同的网络层协议,如IP、OSI的网络层、DECnet和AppleTalk等。

PPP异步传输 采用字节填充法
PPP同步传输 采用零比特填充方法

1.PPP链路的起始和终止都是链路静止状态，用户和ISP之间不存在物理层连接
2.当检测到调制解调器的载波信号并建立物理层连接后，PPP就进入链路建立状态
3.在链路建立状态下，链路控制协议（LCP）开始协商配置选项
4.协商成功，双方建立LCP链路 进入鉴别 若无需鉴别或者鉴别成功，进入网络层协议状态 反之 链路中止
5.进入网络层协议 NCP配置网络层 配置完成后，进入链路打开状态，双方可以进行数据通信
6.数据传输结束后，链路一方发出中止请求且在收到对方发来的终止确认后，或者链路出现故障时，进入链路中止状态，载波停止后，回到链路静止状态

8.数据链路层设备

A.以太网交换机及其工作原理

以太网交换机 工作在数据链路层
工作方式：直通交换方式（接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的MAC地址决定该帧的转发端口） 存储转发
自学习 交换机过滤转发借助交换表完成 表项：一个MAC地址 连接该MAC地址的接口
除了该发送端口的所有其他端口广播

网络适配器（”网卡“）：实现物理层+数据链路层 并行传输和串行传输的转化 以太网卡+Wifi网卡

透明网桥的自学习和转发帧的过程（和交换机类似）：
网桥收到帧后进行登记（自学习），登记内容为帧的源MAC帧，进入的接口号
网桥根据帧目的MAC地址和转发表进行转发，包含以下三种情况：
明确转发：知道应当从哪个接口转发
盲目转发：不知道应当从哪个接口转发，通过除进入网桥的接口外的其他所有接口转发
丢弃：不应该转发，直接丢弃
如果网桥收到有误的直接丢弃
如果网桥收到无误的广播帧，不用查表，直接从除接口以外的其他接口转发
转发表中的每条记录都有其有效时间，到期自动删除 ： 由于各站点的MAC地址与网桥接口对应关系不是永久性的 eg：站点更换网卡 当交换表中写入一个项目时就记下当时的时间,只要超过预先设定的时间(例如300秒),该项目就自动被删除。用这样的方法保证交换表中的数据都符合当前网络的实际状况。这就是说,交换表实际上是有三列,即MAC地址、端口和写入时间。

但有时为了增加网络的可靠性,在使用以太网交换机组网时,往往会增加一些冗余的链路。在这种情况下,自学习的过程就可能导致以太网帧在网络的某个环路中无限制地兜圈子。为了避免广播帧这种情况，使用生成树协议（STP）
交互网桥协议单元（BPDU），找出原网络拓扑的一个连通子集（即生成树）

总结（之前的版本）

局域网 拓扑结构 传输介质 介质访问控制

以太网 802.3 逻辑 总线型 物理 星型
令牌环 802.5 逻辑 环 物理 星型
FD2（光纤） 逻辑 环 物理 双环

逻辑链路控制LLC子层
介质访问控制MAC子层

以太网
1 采用无连接工作方式时，不对发送数据进行帧编号，又不要求接收方发送确认，即以太网尽最大努力交付数据，提供的是不可靠服务，对差错纠正由高层完成
2 发送数据使用曼彻斯特编码

10Base5（基带以太网）	10Base2	10Base-T（twisted pair）	10Base-F（fiber-optical）
同轴电缆（粗）	同轴电缆（细）	非屏蔽双绞线	光纤对
曼彻斯特	曼彻斯特	曼彻斯特	曼彻斯特
总线型	总线型	星型	点对点
500m	185m	100m	2km
100（节点数量）	30	2	2

MAC地址 6字节 高24位厂商代码 低24位厂商自行分配的适配器序列号
支持单播帧
广播帧
多播帧

V2标准的MAC帧 6 6 2 N（46——1500） 4 收发协数验（CRC检验范围 662N）
（插入：实现MAC帧的比特同步）（前同步码 7B 帧开始定界符 1B） 8B+以太网MAC帧
无效MAC帧（直接丢弃，以太网数据链路无重传）：长度不足整个字节 FCS检验值有误 长度不在64—1518字节

100Base-T以太网	吉比特以太网（千兆）	10吉比特以太网（万兆）
双绞线	双绞线/光纤	双绞线/光纤
100Mb/s	1Gb/s	10Gb/s
半双工/全双工	半双工/全双工	全双工
半双工：CSMA/CD	半双工：CSMA/CD

对于100Mb/s以太网而言，以太网最小帧长不变：64字节，网段最长电缆1km—>0.1km，争用期缩短至5.12us，帧间最小间隔缩短至0.96us

广播风暴，浪费网络资源、cpu资源 存在安全隐患 虚拟局域网 分割广播域
划分VLAN方式
基于接口：VID和接口号映射
基于MAC地址：VID和MAC映射
基于IP地址：VID和IP映射

属于同一VLAN站点可以直接通信，不同VLAN中站点不能直接通信
连接在同一交换机上的多个站点可以属于不同VLAN，而属于同一VLAN的多个站点可以连接在不同的交换机上

IEEE 802.1Q帧 增加了VLAN标签
6 6 4（TPID 16b 固定0x8100 PRI 3 CFI VID 12 ） 2 N 4
以太网交换机接口类型：Access（默认） Trunk
不进行人为VLAN划分，各接口默认属于VLAN1且为Access

Trunk接口交换机之间 路由器之间 边去标签 边打标签
PVID不同，直接转发802.1Q帧，无PVID 进行上述过程
不同VLAN不会在交换机上转发，会在路由器上转发

同步：发送方发送数据后，等待接收方发挥响应之后才发下一个数据包
异步：发送方发送数据后，不等待接收方发送响应，接着发送下一个数据包

广域网 涉及物理层、数据链路层、网路层
局域网 涉及物理层、数据链路层

点对点协议PPP
用户通过ISP接入互联网
两台网络设备之间的直接专用线路网络

链路控制协议（LCP）
网络控制协议（NCP）

PPP异步传输 采用字节填充法
PPP同步传输 采用零比特填充方法

1.PPP链路的起始和终止都是链路静止状态，用户和ISP之间不存在物理层连接
2.当检测到调制解调器的载波信号并建立物理层连接后，PPP就进入链路建立状态
3.在链路建立状态下，链路控制协议（LCP）开始协商配置选项 协商成功 进入鉴别 反之 进入链路静止状态
4.协商成功，双方建立LCP链路 进入鉴别 若无需鉴别或者鉴别成功，进入网络层协议状态 反之 链路中止
5.进入网络层协议 NCP配置网络层 配置完成后，进入链路打开状态，双方可以进行数据通信
6.数据传输结束后，链路一方发出中止请求且在收到对方发来的终止确认后，或者链路出现故障时，进入链路中止状态，载波停止后，回到链路静止状态

以太网交换机 工作在数据链路层
工作方式：直通交换方式 存储转发
自学习 交换机过滤转发借助交换表完成 表项：一个MAC地址 连接该MAC地址的接口
除了该发送端口的所有其他端口广播

网络适配器（”网卡“）：实现物理层+数据链路层 并行传输和串行传输的转化 以太网卡+Wifi网卡

透明网桥的自学习和转发帧的过程（和交换机类似）：
网桥收到帧后进行登记（自学习），登记内容为帧的源MAC帧，进入的接口号
网桥根据帧目的MAC地址和转发表进行转发，包含以下三种情况：
明确转发：知道应当从哪个接口转发
盲目转发：不知道应当从哪个接口转发，通过除进入网桥的接口外的其他所有接口转发
丢弃：不应该转发，直接丢弃
如果网桥收到有误的直接丢弃
如果网桥收到无误的广播帧，不用查表，直接从除接口以外的其他接口转发
转发表中的每条记录都有其有效时间，到期自动删除 ： 由于各站点的MAC地址与网桥接口对应关系不是永久性的 eg：站点更换网卡

避免广播帧在环路中永久绕圈，使用生成树协议（STP）
交互网桥协议单元（BPDU），找出原网络拓扑的一个连通子集（即生成树）

结语

局域网作为现代网络生态的“毛细血管”，以多元拓扑与创新协议编织出高效、灵活的数据通路。从以太网的总线逻辑到令牌环的时序流转，从双绞线的星型互联到光纤的双环冗余，每一种介质与结构的组合都在诠释着“连接”的多样可能。无论是CSMA/CD的冲突退避，还是VLAN的广播域分割，抑或STP的环路消除，技术的精妙设计始终服务于一个目标：在共享与隔离、效率与安全之间找到最优解。

以太网的演进史，是一部带宽与可靠性的突破史——从10Base-T的百米星型到万兆光纤的全双工飞跃，从曼彻斯特编码的时钟同步到802.1Q帧的VLABEL扩展，每一次标准升级都在为数字化转型夯实根基。交换机的自学习智慧、透明网桥的动态转发表、PPP协议的严谨握手流程，无不彰显着数据链路层“承物理之基，启网络之智”的桥梁作用。

参考资料

1.王道考研课程
2.湖科大计算机网络课程
3.计算机网络（第八版）