计算机网络（三）——局域网和广域网

一、局域网

       特点：覆盖较小的地理范围；具有较低的时延和误码率；使用双绞线、同轴电缆、光纤传输，传输效率高；局域网内各节点之间采用以帧为单位的数据传输；支持单播、广播和多播（单播指点对点通信，广播指点对全部通信，多播指点对一部分通信）。

    1.有线局域网（以太网）

       目前在使用的以太网一种是以双绞线为传输介质的交换机以太网，中间采用交换机连接，在物理和逻辑上都是星型拓扑，支持全双工或半双工通信（全双工指双方可以同时向对方发送数据，半双工指可以向对方发送数据但不能同时发送）；在半双工模式下会使用CSMA/CD协议来进行介质访问控制，全双工模式下由于允许同时发送数据，所以不需要介质访问控制。

       另一种是使用光纤为传输介质的以太网，光纤通常用于中继器、交换机、集线器之间的传输，不会直接连接设备。这种以太网通常在两个节点中至少使用两条光纤来实现全双工通信，因此不需要介质访问控制。

        在以太网中使用曼彻斯特编码的数字信号传输数据。

        以太网适配器：设备通过以太网适配器与外界以太网进行连接，包括ROM和RAM芯片，ROM存储了在一台网上的一个全球唯一的MAC物理地址，RAM用作帧缓冲，设备和外界网络收发消息的滑动窗口机制就是在这里面进行的。

    2.无线局域网（WiFi/802.11）

       WiFi为星型结构，各个设备连接的是无线接入点AP，AP负责和网络通信，然后将数据传输给各个设备。采用CSMA/CA协议实现介质访问控制。

        在无线网中使用电磁波的模拟信号传输数据。

       无线网络适配器：用于和外界无线局域网连接，也包括ROM和RAM芯片，ROM存储了在无线局域网中的一个全球唯一的MAC物理地址，RAM用作帧缓冲。

    3.虚拟局域网VLAN

        实现VLAN技术的三种方式：

        ①通过将交换机上每个接口的编号划分给不同的VLAN来实现。如果使用这种方式，那么无法保证一个VLAN中的设备不能访问另一个VLAN中的设备：由于VID只和接口编号绑定，可以通过将设备接入不同的接口来接入不同的VLAN。

       ②通过将MAC地址划分到不同VLAN来实现。这种方式直接将设备的MAC地址和VID进行绑定，由于MAC地址是唯一的，所以设备不会改变它所处的VLAN。

       ③通过将IP地址划分到不同VLAN来实现。在一个局域网中每台设备都有自己的IP地址，通过IP地址与VID绑定就可以划分VLAN了。这种方式还可以让VLAN跨越不同的局域网，即不同局域网下的设备可以同属于一个VLAN。因为用到了IP地址，所以使用这种方式需要交换机能够实现网络层的一些功能。

       标准以太网帧：包括6个字节的目的地址、源地址，2个字节要指明这个帧需要网络层的哪个协议处理，然后是数据部分，最后是4个字节的校验码。

       802.1Q帧：会在源地址和协议之间加上一个4字节的VLAN标签，其中前2个字节是固定的值，用于标明这个帧是802.1Q帧，后面的4个比特没有实际意义可以随便添加，最后的12个比特则是VID。

二、广域网

       特点：通常跨接很大的地理范围，主要使用分组交换技术实现资源共享。

       PPP协议和HDLC协议是广域网中数据链路层的两个协议。PPP协议和HDLC协议都只支持全双工链路，都可以实现透明传输，都会进行差错检测，但都不纠错。

       PPP协议是面向字节的，有两个字节的协议字段，没有序号和确认机制，是不可靠的；HDLC协议是面向比特的，没有协议字段，有编号和确认机制，是可靠的。

三、补充

       网络适配器（又称网卡）的作用 

       ①负责将数据帧发送到局域网中。将分组封装成数据帧的步骤在有些系统中是通过主机完成的，在有些系统中是通过网络适配器完成的。

       ②负责接收局域网发送过来的帧。如果收到的帧目的地址和自己的MAC地址相同且无差错，就会接收这个帧到RAM的帧缓冲中，然后给主机的CPU发送中断信号，此时CPU会告诉要把这个帧放到主存的哪个位置，然后网络适配器再将这个数据帧放到指定位置；如果收到的帧目的地址和自己的MAC地址不同或者数据有差错则会直接丢弃。

       ③需要根据接入的局域网类型来实现不同的物理层和数据链路层的功能。以太网和无线网的标准是不同的。 

       ④需要实现数据的串并行通信转换。主机和网络适配器之间是利用I/O总线并行通信的，即每次传输多个bit；网络适配器和以太网之间采用串行通信，每次只能传输单个bit。

       串行通信和并行通信的对比

       串行通信使用一条数据线，每次传输单个比特，传输速率较低，信号干扰少，硬件成本低，适合低速长距离传输。

       并行通信使用多条数据线同时发送或接收多个比特，传输速率高，但数据线之间可能会存在信号干扰，硬件成本高，适合高速短距离传输，如图像、视频处理等。

       路由器、交换机、集线器的对比

       路由器工作在网络层，用于连接两个不同的网络；能够隔绝冲突域和广播域，一个终端发送的广播信号只能在自己所处的网络中广播，并不会广播到其他网络上。路由器还支持路径决策，能够选择合适的路线传输数据。路由器之间传输的是IP数据报。路由器为点到点通信。自身包括物理层、数据链路层、网络层，具有IP地址和MAC地址。采用网状等复杂拓扑结构。

       交换机工作在物理链路层，通常用于局域网内的通信；能够过滤短帧和碎片，具有更高的数据转发速率和网络带宽利用率。采用点到点通信。自身包括物理层和数据链路层，具有MAC地址。采用星型等较复杂拓扑结构。对于普通的交换机只能隔绝冲突域，对于支持VLAN的交换机既可以隔绝冲突域，也可以隔绝广播域。

       集线器工作在物理层，负责数据的同步、整型、放大，并会简单地将收到的数据广播给所有端口，没有对数据的差错检查能力，安全性较差。由于集线器只有物理层，所以既没有IP地址也没有MAC地址。采用总线型等简单的拓扑结构。

       同轴电缆仅支持半双工通信，双绞线既支持半双工也支持全双工通信，光纤支持全双工通信。