计算机网络 —— 数据链路层（局域网）

我们今天会进入一系列科普知识，今天我们来看第一个知识——局域网。

什么是局域网

局域网（Local Area Network，简称LAN）是一种计算机网络，它允许在相对有限的地理区域内（如一栋建筑物、校园、办公室或家庭）的多台计算机和相关设备相互连接和通信。局域网的设计目的是为了实现资源共享和相互通信，包括共享文件、打印机、网络存储以及其他网络服务。局域网的特点包括：

1. 地理范围小：通常局限在一个房间、一栋大楼或至多几公里的范围。
2. 高数据传输速率：相比于广域网（WAN），局域网提供更快的数据传输速度，通常在10Mbps至1Gbps乃至更高。
3. 低延迟：数据传输的延迟时间短，适合实时应用如视频会议和在线游戏。
4. 低成本：建设和维护成本相对较低，因为覆盖范围小且不需要长距离的通信设施。
5. 多种拓扑结构：可以采用星型、环型、总线型或混合型等不同的网络拓扑结构。
6. 多样化的传输介质：可以使用有线（如双绞线、光纤）或无线（如Wi-Fi）技术进行连接。
7. 私有性质：大多数局域网都是私有的，仅限于特定组织、学校或家庭内部使用，具有一定的安全性和隐私性。

局域网的核心组件包括个人计算机、服务器、网络打印机、网络交换机、路由器、网卡（NIC）、网络线缆（如双绞线、光纤）以及无线接入点（对于无线局域网）。此外，局域网通常通过路由器或防火墙设备与广域网或互联网连接，使局域网内的用户能够访问外部资源。

局域网的拓扑结构

局域网（LAN）的拓扑结构是指网络中各个设备（如计算机、打印机、服务器等）和传输介质（如双绞线、光纤）之间物理和逻辑上的连接方式。常见的局域网拓扑结构包括以下几种：

1. 星型拓扑结构：这是最广泛应用的局域网拓扑。在星型结构中，每台设备都通过独立的线路连接到一个中心设备，通常是交换机或集线器。这种结构易于维护和故障定位，如果某条线路或设备出现问题，不会影响其他设备的通信。但依赖于中心设备，若中心设备故障，则整个网络受影响。
2. 总线型拓扑结构：所有设备通过一条共享的传输介质（如一条同轴电缆或双绞线）连接，数据在介质上以广播方式传输。安装成本低，但若这条主线发生故障，整个网络都会受到影响。适合小型网络。
3. 环型拓扑结构：网络中的设备首尾相连形成一个闭环，数据沿着环路单向传输。环型网络使用令牌（Token）来控制数据的发送权限，提供有序的数据传输和较高的带宽利用率。但单点故障（如环路中的某段线路损坏）可能导致整个网络中断。
4. 树型拓扑结构：树型结构是星型结构的扩展，多个星型网络通过上层的中心设备连接起来，形成一种层次结构。这种结构便于分层管理和扩展，同时保持了星型网络易于故障隔离的优点。
5. 网状拓扑结构：在复杂的网络环境中，设备之间可能存在多条路径连接，形成网状结构。这种结构提供了高度的冗余性和可靠性，即使某些路径失效，数据也可以通过其他路径传输。但复杂度和成本较高，通常用于大型企业或数据中心网络。

每种拓扑结构都有其优势和局限性，实际应用中可能会根据网络的具体需求、规模、预算和可靠性要求等因素选择或组合使用不同的拓扑结构。

局域网传输介质

局域网（Local Area Network, LAN）中常用的传输介质有以下几种：

1. 双绞线（Twisted Pair Cable）：这是最常用的局域网传输介质，包括非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair, UTP）和屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair, STP）。双绞线由两根或多根按螺旋对绞在一起的绝缘铜线组成，能够减少电磁干扰（EMI）和串扰。UTP成本较低，广泛应用于办公和住宅网络，而STP增加了屏蔽层，能更好地抵抗外部干扰，适用于工业或对干扰敏感的环境。
2. 同轴电缆（Coaxial Cable）：虽然在现代局域网中使用较少，但同轴电缆曾是局域网中重要的传输介质，尤其是早期的以太网。它由内外两层导体组成，内导体传输信号，外导体和绝缘材料构成屏蔽层，可以有效防止电磁干扰。同轴电缆分为基带同轴电缆（用于传输数字信号）和宽带同轴电缆（可传输模拟和数字信号），传输距离较双绞线远。
3. 光纤（Fiber Optic Cable）：光纤利用光脉冲传输数据，由核心、包层和保护外套组成。光纤传输距离极远，可达数十甚至数百公里，数据传输速率高，抗干扰能力强，安全性好，适合大型企业网络、数据中心互联以及需要高带宽和长距离传输的场景。但由于成本和安装复杂度较高，通常在需要高性能的局域网部分区域部署。
4. 无线传输介质：在局域网中，无线传输介质主要包括无线电波，通过Wi-Fi技术实现。Wi-Fi使用IEEE 802.11标准系列，允许设备在没有物理连接的情况下进行数据传输。无线局域网（Wireless LAN, WLAN）提供了灵活性和移动性，但可能受到干扰，并且在数据安全性和传输速度方面有时不如有线网络。

选择哪种传输介质取决于网络的特定需求，包括传输距离、数据速率、成本、抗干扰能力、安装便捷性和未来扩展性等因素。

局域网介质访问控制方法

局域网（LAN）介质访问控制（Medium Access Control, MAC）方法是用来管理网络中多个设备如何共享同一物理传输介质（如双绞线、光纤）进行数据传输的规则。主要的介质访问控制方法有以下几种：

1. 带有冲突检测的载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD）：

• 这是早期以太网中使用的技术，适用于共享介质环境，如传统的总线型以太网。每个设备在发送数据前会先侦听介质是否空闲，若空闲则发送数据；如果两个设备几乎同时发送，会发生冲突，此时双方都会停止发送，并等待一段随机时间后重试。

2. 令牌传递（Token Passing）：

• 包括令牌环（Token Ring）和令牌总线（Token Bus）两种形式。网络中的设备按照令牌的顺序获得数据发送权。令牌作为一种控制信号在网络中循环传递，当设备接收到令牌后，有权发送数据帧，发送完毕后再将令牌传给下一个设备。
• 令牌环（Token Ring）：在逻辑环形结构中使用，尽管物理上可能是星型的，每个设备等待接收到令牌后才开始传输数据。
• 令牌总线（Token Bus）：在总线型网络中应用，但并不像CSMA/CD那样竞争访问，而是使用令牌控制访问权限。

3. 交换式以太网（Switched Ethernet）：

• 虽然不是介质访问控制方法，但通过以太网交换机实现了每个端口成为一个独立的冲突域，实质上为每个连接设备提供了独享的带宽，从而避免了CSMA/CD中的冲突问题。每个设备与交换机之间的通信都是点对点的，因此在交换网络中，介质访问控制更多体现在交换机内部的帧转发机制。

4. 频分多路复用（Frequency Division Multiplexing, FDM）和时分多路复用（Time Division Multiplexing, TDM）：

• 这些技术虽然更多应用于广域网的传输系统中，但在某些特殊局域网应用中也可能用到，特别是在需要高效利用带宽资源的场合。FDM将可用频谱分割成多个频道，每个用户分配一个独立的频段。TDM则是在时间上将信道划分为多个时隙，每个时隙分配给一个用户使用。

每种介质访问控制方法都有其优势和局限性，适用于不同类型的网络环境和需求。现代局域网中，交换式以太网因其高效性和易管理性而成为主流，但在某些特定场合，其他方法仍可能得到应用。

局域网的分类

按照协议来划分，局域网（LAN）的分类主要关注的是网络层使用的协议栈和数据链路层的介质访问控制方法。尽管局域网本身不直接根据高层协议分类，但可以依据其底层和数据链路层协议的特点来区分不同的局域网技术。以下是一些典型的分类：

1. 以太网（Ethernet）：

• 最普遍的局域网技术，遵循IEEE 802.3标准。以太网包括多种速度规格，如10BASE-T、100BASE-TX（快速以太网）、1000BASE-T（千兆以太网）、10GBASE-T等。
• 数据链路层使用载波侦听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD）或者载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA，用于无线局域网）介质访问控制方法。

2. 令牌环（Token Ring）：

• 一种遵循IEEE 802.5标准的局域网技术，使用令牌传递的访问控制方法来管理网络上的数据传输。网络中的设备必须等待获取令牌才能发送数据。

3. Fiber Distributed Data Interface (FDDI)：

• 高速环形网络，使用光纤作为传输介质，遵循IEEE 802.8标准。FDDI也采用令牌传递协议。

4. 无线局域网（WLAN）：

• 基于IEEE 802.11标准的一系列无线网络技术，包括802.11a/b/g/n/ac/ax等，使用无线电波进行数据传输，数据链路层使用类似于以太网的CSMA/CA介质访问控制。

5. 其他专用或老式的局域网技术：

• AppleTalk、IPX/SPX（用于Novell NetWare网络）、DECnet等，这些在现代网络中已不太常见，但在特定的历史时期或特定环境下曾经广泛应用。

请注意，上述分类主要是依据数据链路层的介质访问控制方法和物理层的传输介质，而网络层及以上（如TCP/IP、IPX/SPX、AppleTalk）通常是跨网络类型使用的，不仅仅局限于某一种局域网技术。

IEEE 802标准

IEEE 802标准是由电气和电子工程师协会（IEEE）制定的一系列关于局域网（LAN）和城域网（MAN）的网络通信标准。这一系列标准涵盖了从物理层到数据链路层的网络技术规范，包括但不限于有线以太网、无线局域网（WLAN，如Wi-Fi）、蓝牙技术、令牌环、以及其它专用网络技术。以下是IEEE 802标准中一些重要部分的概述：

1. IEEE 802.1: 这一部分涉及局域网和城域网的体系结构、管理和桥接（包括VLAN、生成树协议STP和RSTP、QoS策略等），定义了不同网络之间的互操作性规范。
2. IEEE 802.2: 定义了逻辑链路控制（LLC）层协议，虽然这个层现在通常被集成进了其他标准中，该工作组目前不再活跃。
3. IEEE 802.3: 特指以太网标准，包括了多种速度规格，如10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T等，以及物理层和数据链路层的MAC子层规范。
4. IEEE 802.11: 定义了无线局域网（Wi-Fi）技术，包括802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac、802.11ax等多个版本，涵盖了无线网络的物理层和MAC层协议。
5. IEEE 802.15: 覆盖了无线个人区域网络（WPAN）技术，例如蓝牙和Zigbee，主要用于设备间的短距离无线通信。
6. IEEE 802.16: 定义了宽带无线接入（BWA）或WiMAX技术，支持城域网范围内的无线宽带连接。
7. IEEE 802.22: 专注于无线区域网络（WRAN），利用未充分利用的电视频谱提供宽带无线接入。

每个子标准都详细规定了网络设备如何访问介质、传输数据帧、处理错误和管理网络资源等，以确保不同制造商的产品间能够兼容和互操作。随着技术的发展，IEEE 802标准也在不断更新和扩展，以适应更快的数据传输速率、提高效率和安全性，以及支持新兴的网络应用场景。

MAC子层和LLC子层

数据链路层（Data Link Layer）在局域网（LAN）和其他网络通信中扮演着关键角色，它负责在两个相邻网络节点间提供可靠的传输服务。为了实现这一目标，数据链路层被进一步划分为两个子层：介质访问控制（MAC，Media Access Control）子层和逻辑链路控制（LLC，Logical Link Control）子层。

MAC子层（Media Access Control）：

• 功能：MAC子层主要负责控制网络设备如何访问共享的物理介质（如以太网线、无线电频谱等）。它定义了数据帧的格式、如何在介质上进行帧的传输和接收、以及如何解决多个设备同时尝试访问介质时的冲突问题。MAC子层还涉及到物理地址（MAC地址）的使用，这是每个网络接口卡独有的标识符，用于在网络中的设备间寻址。
• 职责：包括帧的封装与解封装、介质访问控制机制（如CSMA/CD用于以太网、令牌传递用于令牌环网络）、帧的寻址、错误检测（通常通过帧检验序列FCS实现）等。
• 位置：MAC子层位于数据链路层的最下部，直接与物理层交互。

LLC子层（Logical Link Control）：

• 功能：LLC子层则提供更高级别的数据链路层服务，它与具体的物理网络技术无关，主要关注于建立和维护两个设备间的逻辑连接。LLC子层确保数据的无差错传输，执行错误恢复、流量控制和提供多种网络层协议的支持。
• 职责：包括识别上层协议类型（如IP、IPX等）、提供面向网络层的接口、实现数据的确认与重传机制（如果需要的话）、流量控制以及提供面向连接的服务（如在某些类型的网络中）。
• 位置：LLC子层位于MAC子层之上，为网络层提供服务，同时为MAC子层提供抽象，使得上层协议可以不考虑物理网络的具体细节。
  两者的关系：MAC子层处理与物理传输媒介直接相关的功能，而LLC子层则处理更抽象的链路控制问题，两者共同作用确保数据帧在物理链路上的可靠传输。这种分层设计允许数据链路层的功能在不同的物理网络和网络层协议中保持一定程度的独立性和通用性。