有线局域网

本文内容基于 2025 秋季《计算机网络》课程讲述，如有差错，欢迎指正

局域网#

定义与关系#

• 局域网 (LAN)：从链路层角度定义，指不需要网络层技术（如路由）就可以进行数据传输的网络
• 子网 (Subnet)：从网络层角度定义，指由具有相同网络地址前缀的接口组成的网络
• 结论：虽然定义角度不同，但在实际网络中，局域网 = 子网。局域网内部通信靠 MAC 地址，跨局域网通信靠 IP 地址

MAC 地址#

Mac地址是固化在网卡 (NIC) 上的 48 位 (6 字节) 标识符，用于在物理上相连的网络接口之间收发帧

• 格式：十六进制表示，如 1A-2F-BB-76-09-AD
  • 前 24 位：厂商标识，由 IEEE 分配
  • 后 24 位：厂商内部分配的序列号
• 特性：
  • 不同于 IP 的层次化，没有层次结构
  • 全球唯一（理论上）
  • 一般不可更改
• 广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF

在局域网内部，通过 ARP 协议，将已知的 IP 地址解析为对应的 MAC 地址，详见ARP协议 ↗

以太网#

以太网是目前最主流的有线局域网技术，其简单、价格低廉、易于扩展

以太网帧#

各个字段的作用

• Preamble（前同步码）：8 字节
  • 前7字节用于同步发送方与接收方之间的时钟频率
  • 第8个字节作为定界符（字节填充的定界符）
  • 一般算作物理层部分，不会上交给链路层
• 目的 MAC / 源 MAC：各 6 字节
• 类型 (Type)：2 字节。指出上层（网络层）协议类型
• 数据 (Data)：上层数据包，46 ~ 1500 字节
  • MTU：最大传输单元 1500 字节
  • 最小长度：46 字节
  • 以太网规定最短有效帧长为 64 字节（46 + 18），小于 64 字节的帧会被认为是无效帧而丢弃
  • 10Mbps以太网最大长度为2500米，最差情况下RTT约是50微秒，在这个时间内能发送500bit，加上安全余量增加至512bit，即64Bytes。详见CSMA/CD ↗
• CRC：4 字节，接收方用于校验
  • 无效帧直接丢弃，不负责重传

以太网提供的是无连接、不可靠服务

• 无连接：网卡不建立连接即可发送数据
• 不可靠：接收方进行 CRC 校验，错则丢弃，不发 ACK。重传由上层 (TCP) 负责
• 多路访问控制 (CSMA/CD)

各个版本的以太网#

经典以太网

• 最高速率10Mbps
• 设备通过收发器挂接入同轴电缆（共享总线）
• 使用中继器连接多段同轴电缆

由于当时中继器的处理能力和物理条件的限制，以太网的物理规模仍有一定限制，即5-4-3原则：

• 任意两个收发器之间距离不得超过2.5km
• 任意两个收发器之间经过的中继器不能超过4个（5段电缆）
• 使用最多3种不同的以太网技术（不同介质上实现的以太网技术）

早期以太网采用半双工的工作方式（不能同时接收和发送数据），采取CSMA/CD技术进行多路访问控制，使用二进制指数后退确定等待时间

二进制指数后退( Binary exponential backoff )的CSMA/CD：

• 确定基本退避时间槽，以太网中设为512比特发送时间$\tau$
• 定义重传次数 $k$ ，$k \leq 10$，即

$$k = \min [ \text{重传次数} , 10]$$

• 从整数集合$[0,1,\cdots, (2^k-1)]$中随机地取出一个数，记为$r$
• 等待时间就是 $r$ 倍的时间槽$\tau$
• 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧

快速以太网(Fast Ethernet)

• 带宽达到100Mbps
• 单比特传输延迟（比特时间）下降到10ns
• 保留原来的工作方式（帧格式、接口、过程、规则）
• 自动协商(autonegotiation)：根据另一端速度与双工模式，自动选择最高速度

千兆以太网(gigabit Ethernet)

• 1000Mbps(1Gbps)
• 保留原来的工作方式（帧格式、接口、过程、规则）
• 支持全双工方式，上下行隔离开互不冲突，可以同时收发数据，不需要CSMA/CD，但同时也兼容半双工
• 引入了流量控制和巨型帧（Jumbo frame）
  • 流量控制：Pause帧
  • 巨型帧：9000字节（现代线路抗干扰能力强，传更大的帧收益更大）

万兆以太网(10-Gigabit Ethernet)

• 10Gbps
• 只支持全双工，不再使用CSMA/CD
• 物理层改进，光纤技术

40G-100G以太网

• 40Gbps & 100Gbps
• 联网设备可以通过可插拔模块支持不同的物理层类型
• 采用多根线缆并行化传输

链路层数据交换技术#

在局域网内部，如何根据Mac地址来决定把帧交给哪个接收方

集线器 (Hub)#

集线器本质是一个多端口的中继器，内部所有端口用一根总线联通。从一个端口收到的比特，向所有其他端口转发

• 工作在物理层
• 所有端口属于同一个冲突域，必须使用CSMA/CD协议
• 不支持全双工

交换机 (Switch)#

交换机是现在链路层的核心，又称网桥，内部通过高速背板连接所有端口。在收到帧后，检查 MAC 地址，有选择地转发。

• 工作在链路层
• 每个端口是一个独立的冲突域
• 可以实现并行传输
• 支持全双工（无冲突，不需要 CSMA/CD）

交换机内部维护了一张Mac地址表，对于每一个进来的帧，都会通过查表来确定转发端口，不需要像集线器一样广播

交换机对于网络中的站点是透明的，站点无需感受到交换机的存在

• 即插即用：无需人工配置 IP 或路由表，自动学习

逆向学习与转发#

交换机维护一张 MAC 地址表：(MAC 地址, 接口, TTL)。

考虑一个简单的场景，初始地址表为空

学习过程：

• 假设主机$A$向主机$B$发送一个帧，集线器会向所有端口广播，交换机从端口1收到该帧
• 交换机检查该帧的源 MAC 地址$A$和接收到该帧的端口1，在表中记录/更新 (MAC: A, 接口: 1)，设定一个老化时间
• 当某个表项的老化时间已到就会删除表项

转发：

• 假设交换机从端口 $x$ 收到一个发往主机 $B$ 的帧，交换机查询 MAC 表
• 情况 1 (命中)：如果 $B$ 的接口是 $y$ (且 $y \neq x$)，则单播转发到 $y$
• 情况 2 (过滤)：如果 $B$ 的接口是 $x$（目的地和源在同侧），则丢弃
• 情况 3 (泛洪)：如果表中找不到 $B$或者目的MAC是广播地址，则向除 $x$ 以外的所有接口泛洪

现代局域网中，可以直接使用交换机连接所有主机，这样不会产生冲突域，也就不再需要CSMA/CD协议

虚拟局域网(VLAN)#

VLAN 本质上是想要在同一套物理设备上（交换机）构建出多张网络。这样可以隔绝一些ARP或DHCP广播，保护隐私性的同时提高网络效率

实现方式#

基于端口的方法：

将交换机的端口分为不同组，每一组如同一个独立的交换机，即一个VLAN。端口可以进行动态配置

交换机还需要维护一个VLAN Table，记录着每个VLAN ID 对应的端口。在转发时，只向属于相同VLAN的端口进行转发

VLAN之间的数据交换需要通过路由器进行，就如同两个独立局域网一样

基于MAC地址的方法：

• 交换机记录每个MAC地址所属的VLAN ID，然后再通过VLAN ID进行转发
• 可能不够灵活，比如MAC地址变动

基于协议的方法：

• 基于网络层的协议来区分不同虚拟局域网
• 打破了网络的分层结构，还需要主机参与

基于子网的方法：

• 根据子网IP转发
• 设备需要网络层能力

跨越多台交换机的VLAN#

当VLAN的范围很大，一台交换机无法满足要求时，就需要多台交换机协作。 为了识别所属的VLAN，我们需要在帧头部添加额外标签(802.1Q协议)

通过VLAN ID识别出不同子网，然后再进行VLAN转发

生成树协议#

环路问题#

为了提高网络可靠性，减少故障带来的影响，网络中通常存在冗余链路，但这样会导致环路产生

• 对于广播帧来说，环路会产生广播风暴，无限循环，占用网络带宽
• 对于单播帧来说，环路可能导致重复帧的产生
• 重复帧来自不同端口，会导致交换机MAC表不断修改

STP 算法#

这个算法比较复杂，我们这里简单说一下

• 目标：在物理上有环路的网络中，逻辑上切断某些链路，构建一棵无环的生成树
• 机制：
  1. 选举根桥（树根节点）、根端口（交换机距离根最近的端口，父指针）、指定端口（网段距离根最近的端口，子指针）
  2. 一个网段上只会有一个指定端口，对于非指定端口进来的不会进行广播
• 动态恢复：当某个链路故障时，STP 会重新计算，激活之前的备用链路

其他局域网技术与协议#

前面所说的以太网是一个无连接的协议，下面这两个是在链路层实现面向连接的技术

PPP#

PPP协议广泛用于将用户接入运营商网络（流量计费），简单、灵活、面向连接

• 特点：
  • 封装：提供在同一链路上支持不同的网络层协议；既支持字节链路，也支持面向比特的比特链路
  • LCP (链路控制协议)：用来建立、配置和测试数据链路的链路控制协议，通信双方可协商一些选项
  • NCP (网络控制协议)：针对不同的网络层协议提供配置
  • 身份认证

PPPoE#

建立在以太网上的面向连接协议

• 虽然以太网廉价且普及，但是运营商需要 PPP 的认证和计费功能。
• 将 PPP 帧封装在以太网帧的数据部分，提供了基于用户的访问控制、计费、业务类型分类等功能
• 基于Client/Server 模型，客户端与PPPoE服务器进行通讯

Hub、Switch、Router 对比#