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② 計算機網路技術(四)——區域網技術
摘要
傳統的乙太網是匯流排型的區域網，匯流排型結構決定了網路中所有結點共享傳輸介質，但同一拍液時間只允許一個結點以「廣播」的方式使用匯流排發送數據，其他結點以「收聽」的方式接收數據。所以，當區域網中的結點要發送數據時，首先要確定匯流排上沒有其他結點在發送數據，否則，就要等匯流排空閑下來才能發送。而由於結點發送的數據在匯流排上有傳輸延遲，有可能會出現兩個以上結點通過匯流排發送數據，造成多個數據「沖突」，無法接收正確數據。這些都是介質訪問控制（MAC）協議要解決的問題。
CSMA/CD 基本思想簡單概括為：「先監聽，再發送；邊發送，邊監聽。」
為了能在區域網中方便的找到各個結點，IEEE 802 委員會制定了一套標識規則，即用一個 48bit（6B） 二進制數作為區域網的全球地址，標識每一塊區域網適配器（網卡）。這個地址在適配器生產時就固化到其ROM中，稱為區域網適配器的物理地址或MAC地址。計算機只有安裝了區域網適配器才能接入區域網，升賀橋所以區域網適配器的MAC地址可以認為是該計算機在區域網中的地址。
區域網地址由IEEE RA 機構管理和分配，他們負責分配區域網地址6個位元組中的吵猛前3個位元組，後3個位元組由生產廠商自行分配，只要不出現重復即可。
在乙太網的MAC層，數據是以幀的形式存在的，乙太網的MAC幀格式有兩種標准：DIX Ethernet V2 標准和IEEE 802.3 標准，兩者的幀格式基本相同，唯一區別是V2幀中設置兩個位元組作為類型欄位，用於標記上一層所使用的協議類型，而802.3幀定義這兩個位元組為長度或類型欄位。目前使用最廣的是V2幀格式。
各欄位含義：
目的地址和源地址： 分別為48bit。
類型： 上層所使用的協議，如IP。
數據： 從上層接收到的數據報文，長度限定為46~1500B之間，如果最短數據不足46B，則填充到46B。
FCS： 幀檢測序列，採用循環冗餘CRC校驗對收到的MAC幀進行差錯檢測。
在實際傳輸中，發送端要在每個乙太網MAC幀前面插入8B（由硬體生成），包括7B的前導碼和1B的幀前定界符，用於告知接收端數據到了，實現接收的同步。
隨著乙太網的普及，人們需要乙太網覆蓋更廣闊的區域，容納更多的主機，這時就需要對乙太網進行擴展。擴展的方法根據使用設備所在層次的不同，分為物理層擴展和數據鏈路層擴展。物理層擴展使用的設備主要有中繼器（Repeater）和集線器（Hub），數據鏈路層擴展使用的設備主要有網橋（Bridge）和交換機（Switch）。
網橋連接示意圖：
上圖網橋中的轉發表：
轉發過程：
網橋的介面1和介面2分別連接兩個乙太網LAN1和LAN2，假如主機1要給主機5發數據，它將MAC幀廣播發送到LAN1上，與之相連的網橋也會收到該MAC幀，收到後，網橋檢查其中的目的地址並查找轉發表，發現主機5對應的介面為介面2，則將其轉發到介面2，從而廣播到LAN2中。如果主機1要向主機4發送數據，它將MAC幀廣播發送到LAN1上，網橋收到後，發現其目的地址對應的介面是介面1，與發送主機（主機1）的介面相同，說明主機1和主機4在同一個網段上，不需要轉發，將該幀丟棄。網橋的這種機制，保證了不同網段上的通信互不幹擾。如果主機1向主機8發送數據，網橋收到該幀後查詢轉發表，發現沒有目的地址為主機8的表項，則向除該MAC幀來源（介面1）外的所有介面進行轉發。
網橋內部使用 「自學習」 演算法來建立和維護轉發表。基本思想是：當一個網橋剛接入乙太網時，轉發表是張空表。當它從某介面x收到某主機a所發出MAC幀時，就把主機a的地址和介面x記錄到轉發表中，如果再收到目的地址為主機a的MAC幀，則向介面x轉發。當乙太網內的所有主機都向網橋發送過MAC幀後，每一個主機地址都會記錄在表中。
交換機自學習的基本原理 ：利用接收到的數據幀的源MAC地址完成學習，即學習到可以通過接收該幀的埠到達該幀的源MAC地址對應的主機。例如，若從某個主機A發出的幀通過埠x進入某交換機，就意味著從埠x出發沿相反方向一定可以把一個幀傳送到A。所以，交換機每收到一個幀，先按其源MAC地址查看轉發表的目的地址欄，如果沒有則將其源MAC地址和進入的埠標識記錄在轉發表中，完成一次學習；再按目的MAC地址查找轉發表的目的地址欄，如果有記錄，則向相應的埠轉發，如果沒有記錄，則向除幀進入交換機對應的埠外的其他所有埠轉發。
原理說明：假如某區域網拓撲結構如上圖所示，其中有9台主機，分布在三個樓層，通過3個交換機形成3個網段：網段a(a1，a2，a3)、網段b(b1，b2，b3)和網段c(c1，c2，c3)。3個網段通過路由器連接在一起。根據業務需求，現在要重新劃分工作組，將不同網段內的主機劃分成一個工作組，形成虛擬區域網。假設劃分成3個虛擬區域網：VLAN1：（a1，b1，c1）、VLAN2：（a2，b2，c2）和VLAN3：（a3，b3，c3），每個虛擬區域網中的每台主機都可以在不同的網段和樓層。
主要有3種方法：
為了標識乙太網幀所屬的不同虛擬區域網，需要對乙太網幀格式進行擴展。IEEE 802.1Q 標准規定在乙太網的幀格式中插入一個4B的標識符，稱為VLAN標記，用來指明發送該幀的主機屬於哪一個虛擬區域網。如下圖所示。
VLAN標記欄位佔4B，位於源地址和類型欄位之間，其中前16位（2B）是固定的二進制數（1000000100000000），稱為IEEE 802.1Q標記類型。當接收到MAC幀檢測到源地址後面的16位後，說明是插入了VLAN標記。後面的兩個位元組中，前3位是用戶優先順序欄位，接著是1位規范格式指示符（CFI），最後12位是虛擬區域網VLAN標識符（VID），表示該幀屬於哪一個VLAN。
由於VLAN是按照邏輯位置而非物理位置進行劃分的，因此經常遇到同一VLAN中的主機需要跨越不同的交換機進行數據通信的問題，採用的方法是在不同的交換機之間用一條骨幹鏈路連接起來，並利用VLAN標識符來識別和承載來自多個VLAN中的數據幀，如下圖所示。
在交換機1和交換機2之間用一條鏈路級聯，並將對應的埠設置位Trunk埠，這樣就可以使兩個交換機上處於同一個VLAN的主機進行通信，即a1和b1之間，a2和b2之間，a3和b3之間。
無線區域網（Wireless Local Area Network，WLAN）是區域網發展的一種新形式，通過無線方式在各種攜帶型的計算機設備之間建立數據連接。
無線區域網分兩類：
對於有固定基礎設施的無線區域網，在MAC層使用載波監聽多路訪問/沖突避免協議（CSMA/CA）。與有線乙太網的CSMA/CD協議不同，CSMA/CA協議採用的是沖突避免演算法（CA）來代替沖突檢測演算法（CD）。這樣做的原因：
1）在無線通信環境下，信號強度的動態范圍非常大，接收端不容易根據收到的信號強度判斷是否發生碰撞；
2）由於無線信號是向所有方向傳播的，當多個站點同時進行通信時，很可能 「檢測到信道空閑，其實並不空閑；檢測到信道忙，其實並不忙」 的錯誤
因此，無線區域網應該盡可能地減少碰撞的發生。
CSMA/CA基本思想
1）採用 「停止-等待」 的可靠傳輸方式，即發送方必須收到接收方的確認幀後才能繼續發送；如果在規定時間內沒有收到確認幀，則認為數據丟失，需要重發。
2）採用 「虛擬載波監聽」 機制，讓發送方將它要佔用信道的時間及時通知給其他所有站點，以便使其他站點在這一段時間內都停止發送數據，從而降低碰撞機會。
3）在信道從忙狀態轉為空閑時，各個站點要執行 「退避演算法」 ，等待一個隨機的時間段後再發送數據，目的是減少碰撞的概率。
WLAN的最小單位是基本服務集BSS，其中包括一個AP和多個移動設備。在一個BSS內，各個移動設備之間可以通信，但如果要和本BSS外的設備通信，則必須經過BSS內的AP。一個BSS可以與由乙太網、點對點鏈路或者無線網路構成的分配系統DS相連接，然後再連接其他BSS，構成覆蓋范圍更廣的擴展伺服器ESS，如下圖所示。
移動設備如何與AP建立連接？
有兩種方式建立連接：
1） 被動掃描： 由AP周期性地發出包含SSID、速率等參數的信息幀，移動設備收到這些信息幀後與AP建立連接；
2） 主動掃描： 由移動設備主動發出探測請求幀，然後等待AP發回探測響應幀進行連接。