局域网的拓扑

广域网使用点到点通信
局域网使用广播通信
可以随意向网络中添加设备。

• 总线网
• 星形网，使用集线器。现在多使用星形网络。
• 环状网
• 树形网
  其中匹配电阻用来吸收总线上传播的信号。

共享通信媒体

静态划分信道

频分复用、时分复用、波分复用、码分复用
可以让计算机充分使用介质来使用信号。可是这种方法太过麻烦。

动态媒体接入技术（多点接入）

• 随机接入(以太网使用)
• 受控接入

CSMA/CD协议

广播通信：所有的计算机都能收到其他计算机发送的信息（就算不是发给自己的也可以收到，但是不接受）

载波监听多点接入/碰撞检测协议：CSMA/CD协议
多点接入：许多计算机以多点接入的方式链接在一根总线上
载波监听：每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。如果有则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。

碰撞检测

• 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值会增大（互相叠加）
• 当一个站检测到信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞（冲突）。
• 发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中会付出有用的信息。
• 每一个发送数据的站一旦发现总线上出现了碰撞就要立即停止发送免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机事件再次发送。

传播时延对载波监听的影响

发送信号的计算机检测到冲突（碰撞）最多是两倍的传播时延

CSMA/CD协议的特征

• 只能半双工通信（集线器这样的设备要求网卡必须是半双工通信）
• 每个站在发送数据之后的一小段时间内（两倍传送时间）以内，均存在遭遇碰撞的可能性
• 这种不确定性导致以太网的平均通信量原小于以太网的最高数据率。

争用期

争用期就是两倍的端到端传输时延$\tau$。如果在争用期期间没有检测到碰撞就不会发生碰撞。

• 以太网的争用期取51.2微妙为争用期
• 对于10Mb/s以太网，争用期内可以发送512bit(64字节)。因此10Mb/s的以太网在发送数据时如果前64字节没有发生冲突则后续的数据就不会发生冲突
• 10Mb/s以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧 。同理，100Mb/s以太网最短有效帧长为640字节。
• 最短有效帧长与传输时延和带宽有关。因此以太网规定局域网网线长度不能超过100m

二进制指数类型退避算法

• 确定基本退避时间，一般是争用期$2\tau$
• 确定参数k:$k=min[重传次数,10]$
• 从整数集合[0,1,…$2^k-1$]中随机取出一个数，记为r。重传所需要的时延就是r倍的基本规避时间，即$2r\tau$。
• 当重传16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

以太网

只要满足CSMA/CD(载波监听多点接入/碰撞检测)协议的局域网都叫做以太网
后来将数据链路层分为两个子层。逻辑链路控制LLC子层（已经被取消了），媒体介入控制MAC子层（网卡中含有）

以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。
当接收站收到有差错的数据帧时就丢弃该帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来（传输层）决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这时一个重传的帧。

集线器

集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已经大大提升了。
使用集线器的以太网在逻辑上仍然是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD协议(载波监听多点接入/碰撞检测协议)，并共享逻辑上的总线。集线器像一个多接口的转发器，工作在物理层。集线器的带宽是被共享的。

10Base-T

通信距离稍微短，每个站到集线器的距离不超过100m。这种10Mb/s速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，及降低的成本，又调高了可靠性。是局域网发展史上一个非常重要的里程碑。

信道利用率

发送实际信息的时间占总时间的比率S
传输时延$\tau$，发送时间$T_0$
定义：$a=\frac{\tau }{T_0}$

a比较小的时候表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高。a越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，是的信道利用率明显降低。

对以太网参数的要求：

• 数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则$\tau$的数值会太大
• 以太网的帧长不能太短，否则$T_0$的值会太小，使得a值增大
  信道利用率的最大值：在理想情况下，以太网上的各占发送数据都不会发生冲突，
  这样的情况下发送一帧占用线路的时间是$T_0+\tau$而帧数据本身的发送时间是$T_0$，于是我们可以计算出理想情况下的极限信道利用率
  $$S_{m}ax=\frac{T_0}{T_0+\tau }=\frac{1}{1+a}$$

MAC层（媒体访问控制层）

MAC地址(媒体访问控制地址)

MAC（48位）地址又称作硬件地址、物理地址。尽管802标准中的地址并不是这个含义，但是大家都已经习惯了这种叫法。

• IEEE的注册管理机构RA负责向厂家分配地址字段的前三个字节（即高位24位）。因此同一个厂家的MAC地址的前三个字节都一样（代表厂家）。

局域网设计

一、以太网中数据帧结构

以太网是目前最流行的一种局域网组网技术（其他常见局域网组网技术还有令牌环局域网、无线局域网、ATM局域网），以太网技术的正式标准是IEEE 802.3标准，它规定了在以太网中传输的数据帧结构，如下图所示。

在物理层上看，一个完整的以太网帧有7个字段，事实上，前两个字段并不能算是真正意义上的以太网数据帧，它们是以太网在物理层上发送以太网数据时添加上去的。为了实现底层数据的正确阐述，物理层使用7个字节前同步码（0和1交替的56位（55-55-55-55-55-55-55））实现物理层帧输入/输出同步；使用1个字节的SFD（帧首定界符，固定为10101011）标识帧的开始。上图中剩下的5个字段是真正的以太网数据，其中包含了目的地址和源地址，它们都是6字节长度（通常每个网卡都有1个6个字节MAC地址，以在以太网中唯一地标识自己）。网卡接收数据时，通过将目的地址字段和自身的MAC地址做比较，判断是否接收该数据包。通常，将这里的6字节目的地址按照下面的格式来书写，如：00-01-02-03-04-05。这6个字节在以太网中是按照从左到右的顺序发送的，同时对每个字节来说，最先发送的是最低位bit0，最后是最高位bit7。

      在以太网帧中，目的地址可以分为三类：单播地址、多播地址和广播地址。单播地址通常与一个具体网卡的MAC地址相对应，它要求第一个字节的bit0（即最先发出去的位）必须是0；多播地址则要求第一个字节的bit0为1，这样，在网络中多播地址不会与任何网卡的MAC相同，多播数据可以被很多个网卡同时接收；广播地址的所有48位全为1（即FF-FF-FF-FF-FF-FF），同一局域网中的所有网卡可以接收广播数据包。

上图中的长度/类型具有两个意义，当这两个字节的值小雨1518时，那么它就代表其后数据字段的长度；如果这两个字节的值大于1518，则表示该以太网帧中的数据属于哪个上层协议（例如0x800，代表IP数据包；0x806，代表ARP数据包等。）

在使用网卡进行数据包的发送与接收时，网卡已为我们完成了物理层的所有工作，驱动程序要做的是，在发送数据时，将目的地址、源地址、类型/长度、数据和填充这些值写入网卡，网卡自动计算其CRC并添加在数据帧尾部，同时对数据帧进行物理层的封装，最后将数据帧发送出去；在接收数据时，网卡会自动检测并接收数据包，验证校验和并把上述四个字段的值放在内部SRAM中供控制器读取。

TCP/IP协议有自己的地址：32bit的IP地址（网络地址），网络层发送数据包时只知道目的地址的IP地址，而底层接口（如以太网驱动程序）必须知道对方的硬件地址才能将数据发送出去。

二、ARP协议

ARP的功能是在32bit的IP地址和采用不同网络技术的硬件地址之间提供动态映射，为上层将底层的物理地址差异屏蔽起来，这样上层的因特网协议就可以灵活地使用IP地址进行通信了。ARP协议的基本功能是使用目标主机的IP地址，查询其对应的MAC地址，以保证底层链路上数据包通信的进行。为了实现在网络接口物理地址与IP地址间的转换，ARP协议中引入了ARP缓存表的概念。ARP缓存表中记录了一条一条的<IP地址，MAC地址>对，他们是主机最近运行获得的关于周围其他主机的IP地址到物理地址的绑定，当需要发送IP数据包时，ARP层根据目的IP地址来查找ARP缓存表，并将匹配的MAC地址装入以太网帧首部，最后发送以太网数据。

ARP缓存表的建立与ARP数据包是密切相关的。在以太网中，ARP数据包和IP数据包是两个独立的部分，它们都封装在以太网帧中发送。ARP数据包的种类有两种：一是ARP请求包，它是通过以太网广播的方式发送的，用于向具有某个IP地址的主机发送请求，希望该主机返回其MAC地址；二是ARP应答包，收到ARP请求的主机会比对该数据包中的IP地址与自己的IP地址是否符合，若是，则该主机向源主机返回一个ARP应答包。向源主机报告自己的MAC地址。源主机通过提取ARP应答包中的相关字段来更新ARP缓存表。在Windows控制台上输入arp -a，可以查看操作系统中使用的ARP缓存表。

举一个简单的例子来看看ARP的功能。假如我们的主机（192.168.1.11）需要向开发板（192.168.1.37）发送一个IP数据包，当发送数据时，主机会在自己的ARP缓存表中寻找是否有目标IP地址。如果找到了，也就知道了目标MAC地址为（04-02-35-00-00-01），此时，主机直接把目标MAC地址写入以太网首部发送就可以了；如果在ARP缓存表中没有找到相对应的IP地址，此时比较不幸，我们的数据需要被延迟发送，随后主机会先在网络上发送一个广播（ARP请求，以太网目的地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF），广播的ARP请求表示同一网段内所有主机将会收到这样一条信息：“192.168.1.37的MAC地址是什么？请回答”。网络IP地址为192.168.1.37（开发板）的主机接收到这个帧后，它有义务做出这样的回答（ARP应答）：“192.168.1.37的MAC地址是（04-02-35-00-00-01）”。这样，主机就知道了开发板的MAC地址，先前被延时的数据包就可以被发送了，此外，主机将这个地址对保存在缓存表中，以便后续数据包发送时使用。

ARP协议的核心就是对ARP缓存表的操作。发送数据包时，查找缓存表以得到目的MAC地址，此外，ARP还需要不断地处理ARP请求包和ARP应答包，以保证缓存表中各个表项的有效性。ARP的实质就是对缓存表的建立、更新、查询等操作。

2.2 ARP报文

要在源主机上建立关于目标主机的IP地址与MAC地址对应表项，则源主机和目的主机的基本信息交互式必须的，简单地说就是，源主机如何告诉目的主机：我需要你的MAC地址；而目的主机如何回复：这就是我的MAC地址。这时ARP报文（ARP数据包）就派上用场了。

ARP请求和ARP应答都是被组装在一个ARP数据包中发送的，ARP包的组成结构如下图所示。需要注意的是：ARP包时被封装在以太网帧中发送的，所以在图中也列出了以太网帧头部。

      以太网帧头部中的前两个字段是以太网的MAC地址和源MAC地址，目的地址为全1的特殊地址是以太网广播地址。在ARP表项建立前，源主机只知道目的主机的IP地址，并不知道其MAC地址，所以在数据链路上，源主机只有通过广播的方式将ARP请求数据包发送出去，同一网段上的所有以太网接口都会接收到广播的数据包。

       两个字节长的以太网帧类型表示帧中数据的类型。对于ARP包来说，该字段值为0x0806；对IP包来说，该字段的值为0x0800。接下来就是ARP数据包部分了，第一个硬件类型字段表示发送方想要知道的硬件接口类型，对于以太网MAC地址，它的值为1.协议类型字段表示要映射的协议地址类型，它的值为0x0800时，即表示要映射为IP地址，该值与以太网数据帧头中的类型字段的值使用相同的一组值。

接下来的两个单字节长度的字段，称为硬件地址长度和协议地址长度，它们分别指出硬件地址和协议地址的长度，长度单位为字节。对于以太网上ARP请求或应答来说，它们的值分别为6和4，代表MAC地址的长度和IP地址的长度。在ARP协议包中流出硬件地址长度和协议地址长度字段可以使得ARP协议在任何网络中被使用，而不仅仅只在以太网中。

      操作字段op指出ARP数据包的类型，它们可以使ARP请求（值为1）、ARP应答（值为2）。

      接下来的四个字段是发送端的以太网MAC地址、发送端的IP地址、目的端的以太网MAC地址和目的端的IP地址。

在广域网中，针对用户连接ISP进行上网时，使用点对点的链路，用到的协议就是PPP点对点协议。

在局域网中，针对使用总线和Hub形成的局域网，则使用的是广播信道，在数据链路层使用的协议是CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）

接下来针对局域网做重点分析：

局域网的特点

网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限

局域网具有的一些优点

• 具有广播功能，可以从一个站点很方便地访问全网，局域网的主机可共享连接在局域网上的各种硬件资源和软件资源。
• 便于系统的扩展和逐渐的演变
• 提高了系统的可靠性、可用性和生存性

局域网按网络拓扑进行分类：

图中的总线网两端的匹配电阻吸收在总线上传播的电磁波信号能量，避免在总线上产生有害的电磁波反射。

为了能够使众多用户能够合理而方便地共享通信媒体资源，所以需要考虑共享信道的问题。

在技术上有两种实现方法:

• 静态划分信道

  • 频分复用
  • 时分复用
  • 波分复用
  • 码分复用

• 动态媒体接入控制（多点接入）

  • 随机接入：用户可随机发送信息，但是如果多个用户在同一时刻发送信息，那么再共享媒体上就要产生碰撞（冲突），似的这些用户都发送失败，所以必须要有解决碰撞的网络协议。
  • 受控接入：用户不能随意发送信息，必须服从一定的控制，比如有分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探询（轮询）

采用静态划分信道可以解决问题，用户只要分配到了信道就不会和其他用户发生冲突。但是这种划分信道的方法代价高，不适合局域网使用

对于不同速率以太网的一般叫法：

• 传统以太网：10Mb/s速率的以太网
• 快速以太网：100Mb/s速率的以太网
• 吉比特以太网：1Gb/s速率的以太网
• 10吉比特以太网：10Gb/s速率的以太网

以太网的两个标准

• DIX Ethernet V2 标准
• IEEE 802.3 标准

以太网的起源

以太网是施乐公司于1975年研制成功的。那时，以太网是一种基带总线局域网，当时的数据率为2.94Mb/s。以无源电缆作为总线来传送数据帧，并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太来命名。1976年7月，Mercalfe和Boggs发表了他们的以太网里程碑论文。1980年9月，DEC公司和英特尔公司还有施乐公司联合提出了以太网规约的第一版 DIX V1，后来经过1982年的修改成了一直沿用至今的 DIX Ethernet V2 标准。（DIX为三家公司名称的首字母缩写)

在此基础上，IEEE 802委员会的802.3工作组于1983年制定了第一个IEEE的以太网标准。即，IEEE 802.3 标准，速率为10Mb/s。

由于有关厂商在商业上的竞争，IEEE 802委员会未能形成统一的最佳局域网标准，所以被迫指定了几个不同的局域网标准，比如802.4令牌总线网，802.5令牌环网等。为了使数据链路层适应比较多的局域网标准，IEEE 802委员会就把局域网的数据链路层拆成了两个子层，即逻辑链路控制LLC子层和媒体接入控制MAC子层。

与接入到传输媒体（传输线）有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输没图无关，不管采用何种传输媒体，MAC子层相对于LLC子层来说都是透明的。

到了20世纪90年代后，竞争激烈的局域网市场逐渐明朗，以太网在局域网市场中获得了垄断地位，并且由于Internet的快速发展而TCP/IP系统经常使用 DIX Ethernet V2 标准的局域网，所以现在基于IEEE 802.3的局域网已经基本消失了。所以LLC协议基本失去作用，很多厂商的适配器上只装有MAC协议。

适配器

计算机与外界局域网是通过通信适配器来进行连接的。这个适配器就是我们常说的网络接口卡（NIC）即网卡。适配器和局域网之间通信是通过电缆或者双绞线一串行方式进行的，适配器和计算机之间的通信是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行的。所以网卡一个重要功能就是进行数据串行传输和并行传输的转换。

适配器在接收和发送各种帧时不使用计算机的CPU，当网卡收到错误的帧时，直接丢掉，当收到正确的帧时，通过中断方式告诉CPU并将数据交付网络层。

注：计算机的硬件地址（MAC地址）就在网卡中，而计算机的逻辑地址——IP地址，则在计算机的存储器中。