2.局域网 Local Area Network

2.1 概述

2.1.1 特点

• 网络为一个单位所拥有
• 地理范围和站点数目均有限

2.1.2 主要功能

• 资源共享和数据通信

2.1.3 优点

• 能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。从一个站点可以访问全网
• 便于系统的扩展和逐渐演变，各设备的位置可灵活的调整和改变
• 提高系统的可靠性、可用性和易用性

2.1.4 标准

IEEE于（国际电子电气工程师协会）1980年2月成立了局域网标准委员会（简称IEEE802委员会），专门从事局域网标准化工作，并制定了IEEE802标准。802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层.

LLC子层负责向其上层提供服务

MAC子层的主要功能包括数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制等。MAC子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性。

局域网标准

（1）IEEE 802.1标准

局域网体系结构、网络互连、以及网络管理和性能测试

（2）IEEE 802.2标准

逻辑链路控制LLC子层功能与服务

（3）IEEE 802.3标准

带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层规范

（4）IEEE 802.4标准

令牌总线（Token Bus）介质访问控制子层与物理层规范

（5）IEEE 802.5标准

令牌环（Token Ring）介质访问控制子层与物理层规范

（6）IEEE 802.6标准

城域网MAN介质访问控制子层与物理层规范

（7）IEEE 802.7标准

宽带网络技术

（8）IEEE 802.8标准

光纤传输技术

（9）IEEE 802.9标准

综合语音与数据局域网（IVD LAN）技术

（10）IEEE 802.10标准

可互操作的局域网安全性规范（SILS）

（11）IEEE 802.11标准

无线局域网技术

（12）IEEE 802.12标准

优先度要求的访问控制方法

（13）IEEE 802.13标准

未使用

（14）IEEE 802.14标准

交互式电视网

（15）IEEE 802.15标准

无线个人局域网（WPAN）的MAC子层和物理层规范。代表技术为蓝牙（Bluetooth）

（16）IEEE 802.16标准

宽带无线局域网网络

（17）IEEE802.20标准

移动宽带无线接入系统(MBWA，Mobile Broadband Wireless Access)

（18）IEEE 802.22标准

无线地域网络（Wireless Regional Area Networks，WRAN）

无线网络标准

中国国家无线网络标准：WAPI

Wi-Fi：无线保真（Wireless Fidelity），是Wi-Fi联盟制造商的商标做为产品的品牌认证，是一个创建于IEEE 802.11标准的无线局域网技术，Wi-Fi联盟成立于1999年，当时的名称叫做Wireless EthernetCompatibility Alliance（WECA）。在2002年10月，正式改名为Wi-Fi Alliance。

Wi-Fi 6是当前最新的WiFi技术标准，专业称呼为：802.11ax，WiFi6简单来讲就是第六代WiFi标准的意思，就和第五代移动通信标准——5G、丐帮第六代长老的意思差不多。在WiFi6之前，WiFi的名字并不是什么WiFi5、WiFi4这种简单的叫法，而是用一串非常拗口的技术型号来区分，比如WiFi5之前就叫802.11 ac，WiFi4就叫802.11 a/b/g/n，对于懂行的人来说辨别起来没问题，但对于普通用户来说就是两眼一抓瞎看谁都一样（这就好比俄罗斯大兄弟的人名：尼古拉·阿列克谢耶维奇·奥斯特洛夫斯基，一样难记）

2018年WiFi联盟自己也感觉这样叫下去不行，我们得学学别人移动通信协会3G\4G\5G那样整个简单容易记的代号，让消费者们容易区分前代与新代，刺激厂商升级更新换代。所以WiFi6的名称就诞生了！并且一改还顺便把WiFi4、WiFi5一起名字简化了，现在大家在最新的手机系统中的WiFi角标就能看到WiFi4、WiFi5、WiFi6的标识来区分你连接的是第几代WiFi技术，整的和手机信号是一样一样的

802.11b — WiFi 1 (1999)
802.11a — WiFi 2 (1999)
802.11g — WiFi 3 (2003)
802.11n — WiFi 4 (2009)
802.11ac — WiFi 5(2014)
802.11ax — WiFi 6(2018)

2.2 组网设备

2.2.1 网络线缆和接口

2.2.2.1 网线标准

上世纪80年代初，诞生了最早的网线标准（CAT）,这个标准一直沿用至今，主要根据带宽和传输速率来区分，从一类网线CAT1——八类网线CAT8

1、 一类网线：主要用于传输语音，不同于数据传输主要用于八十年代初之前的电话线缆，已淘汰。

2、 二类网线：传输带宽为1MHZ，用于语音传输，最高数据传输速率4Mbps，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧的令牌网（Token Ring），已被淘汰

3、 三类网线：该电缆的传输带宽16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10BASE–T，被ANSI/TIA-568.C.2作为最低使用等级 。

4、 四类网线：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps（指的是16Mbit/s令牌环）的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和 10BASE-T/100BASE-T。最大网段长为100m，采用RJ形式的连接器，未被广泛采用。

5、 五类线：可追溯到1995年，传输带宽为100MHz，可支持10Mbps和100Mbps传输速率（虽然现实中与理论值有一定差距），主要用于双绞线以太网（10BASE-T/100BASE-T），目前仍可使用，不过在新网络建设中已经很难看到。

6、 超五类线：标准于2001年被提出，传输带宽为100MHz，近距离情况下传输速率已可达1000Mbps。它具有衰减小，串扰少，比五类线增加了近端串音功率和测试要求，所以它也成为了当前应用最为广泛的网线

7、 六类线：继CAT5e之后，CAT6标准被提出，传输带宽为250MHz，最适用于传输速率为1Gbps的应用。改善了在串扰以及回波损耗方面的性能，这一点对于新一代全双工的高速网络应用而言是极重要的，还有一个特点是在4个双绞线中间加了十字形的骨架。

8、 超六类线：超六类线是六类线的改进版，发布于2008年，同样是ANSI/TIA-568C.2和ISO/IEC 11801超六类/EA级标准中规定的一种双绞线电缆，主要应用于万兆位网络中。传输频率500 MHz，最大传输速度也可达到10Gbps ，在外部串扰等方面有较大改善。

9、 七类线：该线是ISO/IEC 11801 7类/F级标准中于2002年认可的一种双绞线，它主要为了适应万兆以太网技术的应用和发展。但它不再是一种非屏蔽双绞线了，而是一种屏蔽双绞线，所以它的传输频率至少可达600 MHz，传输速率可达10 Gbps。

10、 超七类线:相对于CAT7最大区别在于，支持的频率带宽提升到了1000MHz，在国内而言，七类网线已经有很少地方使用了，超七类就更加没有广泛的进入人们的生活，目前使用范围最广的是超五类、六类等网线

11、 八类线CAT8：相关标准由美国通信工业协会 （TIA）TR-43委员会在2016年正式发布，支持2000MHz带宽，支持40Gbps以太网络，主要应用于数据中心

2.2.2.2 网线线序和规范

非屏蔽式双绞线Unshielded Twisted-Pair Cable UTP

RJ-45 Connector和Jack

UTP直通线(Straight-Through)

UTP交叉线(Crossover)

UTP 直通线和交叉线

双绞线针脚定义

注：BI=双向数据 RX=接收数据 Receive Data TX=传送数据 Transmit Data

2.2.2.3 光纤和接口 Fiber-Optic

• Short wavelength (1000BASE-SX) 最远几百米
• Long wavelength/long haul (1000BASE-LX/LH) 最远几公里
• Extended distance (1000BASE-ZX) 最远上百公里

2.2.2 网络适配器

作用

• 进行串行/并行转换
• 数据缓存
• 在计算机操作系统中安装设备驱动程序
• 实现以太网协议

类型
（1）按总线接口类型进行分类

分为ISA网卡、PCI网卡、PCI-X 网卡、PCMCIA网卡、PCI-E和USB网卡等几种类型

（2）按传输介质接口分类

细同轴电缆的BNC接口网卡、粗同轴电缆AUI接口网卡、以太网双绞线RJ-45接口网卡、光纤F/O接口网卡、无线网卡等

（3）按传输速率（带宽）分类

10Mbps网卡、100Mbps以太网卡、10Mbps/100Mbps自适应网卡、1000Mbps千兆以太网卡、40Gbps自适应网卡等

2.2.3 中继器和集线器

2.2.3.1 中继器 repeater

实际上是一种信号再生放大器，可将变弱的信号和有失真的信号进行整形与放大，输出信号比原信号的强度将大大提高,中继器不解释、不改变收到的数字信息，而只是将其整形放大后再转发出去

优点

（1）易于操作

（2）很短的等待时间

（4）价格便宜

（5）突破线缆的距离限制来扩展局域网段的距离

（6）可用来连接不同的物理介质

缺点

（1）采用中继器连接网络分支的数目要受具体的网络体系结构限制

（2）中继器不能连接不同类型的网络

（3）中继器没有隔离和过滤功能，无路由选择、交换、纠错／检错功能，一个分支出现故障可能会影响到其他的每一个网络分支

（4）使用中继器扩充网络距离是最简单最廉价的方法，但当负载增加时，网络性能急剧下降，所以只有当网络负载很轻和网络时延要求不高的条件下才能使用

2.2.3.2 集线器 hub

集线器（Hub）工作在物理层，是中继器的一种形式，是一种集中连接缆线的网络组件，可以认为集线器是一个多端口的中继器，集线器提供多端口连接，主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上
Hub并不记忆报文是由哪个MAC地址发出，哪个MAC地址在Hub的哪个端口

Hub的特点：

• 共享带宽
• 半双工

2.2.4 网桥和交换机

2.2.4.1 网桥 Bridge

网桥（Bridge）也叫桥接器，是连接两个局域网的一种存储/转发设备，根据MAC地址表对数据帧进行转发，可隔离碰撞域

网桥将网络的多个网段在数据链路层连接起来，并对网络数据帧进行管理

网桥的内部结构


优点

• 过滤通信量
• 扩大了物理范围
• 提高了可靠性
• 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网

缺点

• 存储转发增加了时延
• 在MAC 子层并没有流量控制功能
• 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大
• 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴

2.2.4.2 交换机 switch

交换机是工作在OSI参考模型数据链路层的设备，外表和集线器相似

它通过判断数据帧的目的MAC地址，从而将数据帧从合适端口发送出去

交换机是通过MAC地址的学习和维护更新机制来实现数据帧的转发

内部结构

工作原理

（1）交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，并将其写入MAC地址表中

（2）交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定由哪个端口进行转发

（3）如数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发。这一过程称为泛洪（flood）

（4）广播帧和组播帧向所有的端口转发

2.2.4.3 集线器与交换机的比较

（1）交换机属于数据链路层设备，而集线器属于物理层设备

（2）集线器在转发帧时，不对传输介质进行检测，交换机在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。所以交换机能隔离冲突，而集线器却只能增加冲突

（3） 交换机的每个端口可提供专用的带宽，而集线器的所有端口只能共享带宽

（4）集线器只能实现半双工传送，而交换机可支持全双工传送

（5）集线器和交换机都无法隔离广播域

2.2.5 路由器 router

路由：把一个数据包从一个设备发送到不同网络里的另一个设备上去。这些工作依靠路由器来完成。路由器只关心网络的状态和决定网络中的最佳路径。路由的实现依靠路由器中的路由表来完成

路由器功能：

• 分隔广播域和冲突域
• 选择路由表中到达目标最好的路径
• 维护和检查路由信息
• 连接广域网