教程图文详解 - 局域网与城城网（第四章）

一 章节分析

传统局域网（Local Area Network，LAN）是分组广播式网络，这是与分组交换式的广域网的主要区别。在广播网络中，所有工作站都要连接到共享的传输介质上，共享信道的分配技术是局域网的核心技术。

地理范围介入局域网和广域网之间的是城城网（Metropo Area Network，MAN），城城网采用的技术与局域网类似，两种网络协议都包含在 IEEE LAN/MAN 委员会制定的标准中。

本章考查的频率中等，一般为4～5分值。最常见的考点：CSMA/CD、VLAN、STP。

二 局域网技术概论

拓扑结构和传输介质决定了各种局域网的特点，决定了它们的速率和通信效率。也决定了适合于传输的数据类型，甚至决定了网络的应用领域。

本节首先概述各种局域网使用的拓扑结构和传输介质，同时介绍两种不同的数据传输系统，最后引导出根据以上特点制定的IEEE 802 标准。

2.1 拓扑结构和传输介质

1. 总线型拓扑：是一种多点广播介质，所有的站点都通过接口硬件连接到总线上。适用的传输介质主要是同轴电缆，分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。
2. 环型拓扑：由一系列首尾相连的中继器组成，每个中继器连接一个工作站。中继器是一种简单的设备，它能从一端接收数据，然后在另一端发送数据。整个环路是单向传输。
3. 星型拓扑：有一个中心节点，所有站点都连接到中心节点上。电话系统就采用了这种拓扑结构。
4. 树型拓扑：在星型网络的基础上将多个 Hub 级连起来，组成树型结构，为了延长星型的传输距离和扩大网络规模。
   

2.2 LAN/MAN 的 IEEE 802 标准

IEEE 802 委员会的任务是制定局域网和城域网标准，目前有20多个分委员会，记住下面几个就行了：

1. 802.3 研究以太网介质访问控制协议 CSMA/CD 及物理层技术规范。
2. 802.11 研究无线局域网 (WLAN）的介质访问控制协议及物理层技术规范。

由于局域网是分组广播式网络，网络层的路由功能是不需要的，所以在 IEEE 802 标准中，网络层简化成了上层协议的服务访问点 SAP。

又由于局域网使用多种传输介质，而介质访问控制协议与具体的传输介质和拓扑结构有关，所以，IEEE 802 标准把数据链路层划分成了两个子层。

1. 与物理介质相关的部分叫作介质访问控制 (Media Access Control, MAC)子层，
2. 与物理介质无关的部分叫作逻辑链路控制 (Logical Access Control, LLC)子层。

LLC提供标准的 OSI 数据链路层服务，这使得任何高层协议 （例如 TCPIP、SNA 或有关的 OSI 标准）都可运行于局域网标准之上。局域网的物理层规定了传输介质及其接口的电气特性、机械特性、接口电路的功能，以及信令方式和信号速率等。

整个局域网的标准以及与 OSI 参考模型的对应关系如图：

三 IEEE 802.3 标准

对总线型、星型和树型最适合的介质访问控制协议是 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)。

3.1 CSMA/CD 协议

CSMA 基本原理为：在发送数据前，先监听信道上是否有人在发送。若有，则信道处于繁忙中；否则信道是空闲状态，然后根据预定的策略决定是否发送。

1. 若信道空闲，是否立即发送。
2. 若信道繁忙，是否继续监听。

如果连续发送 16 次 监听都是冲突，则认为网络繁忙，不再尝试发送。

本小节较为重要，所以本节知识点是需要记住的。

监听算法不能完全避免发送冲突，但是对控制策略进行精心设计，则可以把冲突概率降到最低。有三种监听算法：

1. 非坚持型监听算法：后退随机时间由于随机时延后退，从而减少了冲突的概率。问题是因为后退而使信道闲置一段时间，这使信道的利用率降低，而且增加了发送时延。
2. 1-坚待型监听算法：继续监听，不等待有利于抢占信道，减少信道空闲时间。但是，多个站同时都在监听信道时必然会发生冲突。冲突概率和利用率都高（双高）。
3. P-坚持型监听算法：若信道空闲 ，以概率P发送，以概率(1-P)延迟一个时间单位，P大小可调整。

3.2 CSMA/CD 历年真题

1. 2011 下半年
以太网介质访问控制策略可以采用不同的监听算法，其中一种是：“—旦介质空闲就发送数据，假如介质忙，继续监听，直到介质空闲后立即发送数据〞这种算法称为（ A ）监听算法，该算法的主要特点是（ B ）。
A.1-坚持型 B. 非坚持型 C. p_坚持到 D. 0-坚持型

A. 介质利用率和冲突概率都低 B. 介质利用率和冲突概率都高
C. 介质利用率低且无法避免冲突 D. 介质利用率高且可以有效避免冲突

2. 2015 上半年
以下关于CSMA/CD协议的叙述中，正确的是（ B ）
A .每个节点按照逻辑顺序占用一个时间片轮流发送 。B. 每个节点检查介质是否空闲，如果空闲立即发送。
C. 每个节点想发就发，如果没有冲突则继续发送。 D. 得到令牌的节点发送，没有得到令牌的节点等待。

3.3 冲突检测原理

载波监听只能减少冲突的概率，不能完全避免冲突。当两个帧发生冲突后，若继续发送将会浪费网络带宽。

如果帧比较长，对带宽的浪费就更大了。为了进一步改进带宽的利用率，发送站应采用变发送并监听的冲突检测方法，即：

1. 发送期间同时接收，并把接收的数据与站中存储的数据进行比较。
2. 若比较结果一致，说明没有冲突，重复步骤 1。
3. 若比较结果不一致，说明发生了冲突，立即停止发送，并发送一个简短的干扰信号（jamming），使所有站都停止发送。
4. 发送 jamming 信号后，等待一段随机长的时间，重新监听，再试着发送。

历年真题

1. 2016 下半年
以太网出现冲突后，发送方什么时候可以再次尝试发送（ C ）。
A. 再次受到目标站的发送请求后。 B. 在jamming信号停止并等待一段固定的时间后。
C. 在jamming信号停止并等待一段随机的时间后。D. 当jamming信号指标冲突已被清除后。

3.4 最小帧长计算

牢记该公式： 最小帧长 $L_{min}$ = 2R x d/v （R：网络数据速率，d：最大距离，v：传播速度）。

历年真题

1. 2018 上半年
在 CSMA/CD 以太网中，数据速率为 100Mb/s，网段长2k，信号速率为 200m/us，则此网段的最小帧长是（ B ）比特。
A. 1000 B. 2000 C. 10000 D. 20000

解题思路：

1. 带入公式：$L_{min}$ = 2R x d/v = 2 x 100 x $10^6$ b/s x (2km / 200000km/s) = 2000bit。

四 以太网帧结构和物理层规范

4.1 MAC 帧结构

1. 前两部分：前导字段和帧起始符（8 字节）用于时钟同步，不算入帧长。
2. 数据占用46～1500字节，不够46字节则至少填充到46字节。
3. 校验位4字节，采用CRC（32位）循环冗余校验。
4. 最小帧长64字节，（6 + 6 + 2 + 46 + 4）。
5. 最大帧长1518字节，（6 + 6 + 2 + 1500 + 4）。

4.2 物理层规范

物理介质命名规范：<传输速率Mbps><信号方式><最大传输距离（百米）或介质类型>

如： 100BASET（100代表速率100Mbps，BASE代表基带传输，T表示双绞线（F 表示光纤））。

802.3 最初的标准规定了 6 种物理层传输介质，如下图所示：

4.3 快速以太网（803.2u 100M）

1995 年 100Mps 的快速以太网标准 IEEE 802.3u 正式发布，这是基于 10Base-T 和 10Base-F 技术。

历年真题

1. 2018年 上半年
下列快速以太网物理层标准中，使用 5 类无屏蔽双绞线作为传输介质的是（ C ）。
A. 100BASE-FX B. 100BASE-T4 C. 100BASE-TX D. 100BASE-T2

2. 2012年 上半年
在局域网标准中，100BASE-T规定从收发器到集线器的距离不超过（A） 米。
A. 100 B. 185 C. 300 D. 1000

4.4 千兆以太网（802.3z 和 802.3ab 1000BASE-T）

1. 千兆以太网需要 4 对双绞线，传输距离达到 100米。
2. 1000BASE-LX 标准可以使用单模和多模光纤传输。
3. 千兆以太网编码方法：4B/5B、8B/9B。

历年真题

2. 2019 下半年
下列千兆以太网标准中，传输距离最长的是（D）。
A. 1000BASE-T B. 1000BASE-CX C. 1000BASE-SX D. 1000BASE-LX

解题思路：传输距离远到近：Z > L > S > T > C

4.5 万兆以太网（802.3ae）

1. 支持10Gbps，可以用光纤或双绞线传输。
2. 应用于点到点线路，不共享带宽、没有冲突检测，载波监听和多路访问技术也不再重要。和千兆以太网采用一样的帧结构。
   
   

历年真题

1. 2011 下半年
以下属于万兆以太网物理层标准的是（D）。
A. IEEE 802.3u B. IEEE 802.3a C. IEEE 802.3e D. IEEE 802.3ae

五 虚拟局域网（VLAN）

虚拟局域网（Virtual Local Area Network, VLAN），根据管理功能、组织机构或应用类型对交换局域网分段而形成的逻辑网络。

虚拟局域网工作站可以不属于同一个物理网段，任何交换端口都可以分配给某个VLAN，属于同一个 VLAN 的所有端口构成一个广播域。不同 VLAN 通信必须经过三层设备（路由器、三层交换机、防火墙）。

冲突域和广播域：一个中继线和集线器构成一个冲突域，一个 VLAN 构成一个广播域，交换机的一个接口构成为一个冲突域。

VLAN 划分方式：基于端口、MAC地址、策略、协议

5.1 交换机 VLAN 划分

静态划分VLAN：基于交换机端口。
动态划分VLAN：基于 MAC地址、策略、网路层协议、IP 地址。

5.2 VLAN 功能

1. 控制网络流量。一个VLAN 内部的通信（包括广播通信）不会转发到其他VLAN中去，而是有助于控制广播风暴，减少冲突域，提高网络带宽的利用率。
2. 提升网路完全性。可以通过配置VLAN之间的路由来提供广播过滤、安全和流量控制等功能。不同VLAN 间通信受到限制，提高了网络的安全性。
3. 灵活网络管理。VLAN 机制使得工作组可以突破地址位置的限制而根据管理功能来划分。

5.3 交换机端口类型

1. Access 接口：只能传送单个 VLAN 数据，一般用于连接PC/摄像头等终端。
2. Trunk 接口：能传送多个 VLAN 数据，一般用于交换机之间互联。
3. Hybrid 接口：包含 access 和 trunk 接口特性的混合接口。
4. QinQ：一般用于运营商城域网。

5.4 802.1q

本小节经常最为为考点出现，所以牢记。

802.1q 定义了 VLAN 帧标记的格式，在原来的以太帧中增加了 4 个字节的标记（Tag）字段，如下图所示。其中，标记控制信息（Tag Control Infomation, TCL）包含Priority、CFI 和 VID 3个部分。

注意：VID 最多只能配置 4094 个VLAN，0号用于设别优先级，4095 保留。

5.5 本节 历年真题

1. 2017 下半年
以下关于VLAN标记的说法中，错误的是（C）。
A. 交换机根据目标地址和 VLAN 标记进行转发决策。 B. 进入目的网段时，交换机删除 VLAN 标记，恢复原来的的帧结构。
C. 添加和删除 VLAN 标记的过程处理速度较慢，会引起太大的延迟。D. VLAN 标记对用户是透明的。

2. 2017 下半年
以下关于 VLAN 的叙述中，错误的是（C）。
A. VLAN 把交换机划分为多个逻辑上独立的区域。 B VLAN 可跨域交换机。
C. VLAN 只能按交换机端口进行划分。 VLAN 隔离了广播，可以缩小广播风暴的范围。

3. 2018 上半年
VLAN 之间通信通过（C）实现。
A. 二层交换机 B. 网桥 C. 路由器 D. 中继器

六 生成树协议 STP

本节经常作为考点出现， 需要理解涉及知识点。

6.1 技术背景

交换机单链上如果出现单点故障，线路和设备都不具备冗余性。任何一个链路或设备故障，网络将面临中断。

6.2 二层环路

为了避免单点故障导致网路中断，所以引入了冗余拓扑，但是冗余拓扑带来一个二层环路问题。实际网路环境中，经常产生二层环路从而引起网络故障。

1. 广播风暴
二层环路中一段出现广播数据帧，这些数据帧将北交换机不断的转发（死循环）造成广播风暴。将严重消耗CPU资源和网络带宽。

出现广播风暴的现象：网络慢、指示灯高速闪烁、CPU使用率高居不下、CLI 卡顿。

2. MAC 表震荡

电脑PC向服务器Server发生数据帧，SW-1 没有目的MAC 表项，于是将数据帧进行泛洪。SW-2 和 SW-3 都收到这个帧并学习源MAC，同时将数据帧进一步泛洪。SW-1 将重 GEO/0/1 和 GEO/0/2 都收到这个帧并学习源MAC ，更新MAC 地址表。

6.3 STP 基本概念

采用生成树（Spanning-tree）技术，能够在网络中存在二成环路时，通过逻辑阻塞（Block）特定的端口，从而打破环路，并且在网络出现拓扑变更时及时收敛，保障网络冗余性。

桥ID（Bridge ID）
桥ID一共 8个字节，由 2 个字节优先级和6个字节的MAC地址构成，桥优先级默认为 32768。

路径开销（Path Cost）
路径开销是一个端口量，是STP/RSTP 协议用于选择链路的参考值。端口路径开销的默认值和取值范围由选定的路径开销算法决定，路径开销域端口带宽成反比。

以华为设备为例：其开销标准有 802.1d-1998、802.1t 和 私有的legacy，默认为 802.1t标准。

STP 操作步骤（重点来了）：

1. 确定一个根桥（Root Bridge），选优先级或MAC地址或桥ID最小的桥。
2. 确定其他网桥的根端口（Root Port），非根桥的端口到根桥最近的端口。
3. 每个网段选择一个指定端口（Designated Port），先选指定桥，指定桥上的为指定端口。
4. 选出非指定端口（NotDesignated Port）。

上图解答：

1. SW-1 具有最低根路径端口，所以选为根桥。
2. 非根桥的端口到根桥最近的端口选为根端口，故选择SW-3 左端口、SW-2 上端口。
3. 指定端口具有最小路径开销，带宽越大开销越小，所以SW-2 的下端口为指定端口。
4. 所以SW-3 右端口为非指定端口，则将北阻塞。

案例分析：

下图中之所以选择SW-4 左端口为根端口，是因为左端口连接的SW-2 优先级高于右端口的SW-3，

6.4 常见生成树协议

1. 生成树协议：802.1d STP（拓扑收敛需要30s~50s）。
2. 快速生成树协议：802.1w RSTP (6s内完成收敛)。
3. 多生成树协议 802.1s MSTP（实现多个VLAN 负载均衡）。

6.5 本节 历年真题

1. 2015 下半年
根据STP协议，网桥ID最小的交换机被选举为根网桥，网桥ID由 (A）字节的优先级和6字节的（B）组成。
A. 2 B. 4 C. 6 D. 8
A. 用户标识 B. MAC地址 C. IP地址 D. 端口号

七 城域网（E-LAN）

城城网比局域网的传输距离远，能覆盖整个城市范围。E-LAN 原理是802.1Q的VLAN帧标记双层标记，大了两层VLAN标签。这种技术被定义为IEEE 802.1ad，也称之为 QinQ 技术。

QinQ 实际上就是把用户VLAN 嵌套在城域网以太网的VLAN 中传送，还有种城域网技术 IEEE802.1ad，称之为 PBB，也称之为 MAC-IN-MAC 技术。

7.1 本节 历年真题

城域以太网在各个用户以太网之间建立多点第二层连接，IEEE802.lad定义运营商网桥协议提供的基本技是在以太网帧中插入（A）宇段，这种技术被称为（A）技术。
A. 运营商VLAN标记 B. 运营商虚电路标识 C. 用户VLAN标记 D. 用户帧类型标记
A. Q-in-Q B. IP-in-IP C. NAT-in-NAT D. MAC-in-MAC

八 章节总结

本章重点为以下知识点：

1. 802标准：802.3以太网、802.11无线局域网 WLAN。
2. CSMA/CD：以太网介质访问控制协议，原理;先听后发，边听边发，若有冲突，立即停止。
3. 监听算法：非坚持型，1-坚持型（双高），P-坚持型。
4. 最小帧长：$L_{min}$=2R * d/v。
5. MAC帧结构，以太网传输介质，VLAN技术，STP计算过程。
6. STP 协议，找出非指定端口。