20世纪80年代，Ethernet、Token Bus与Token Ring三足鼎立。21世纪Ethernet得到广泛应用，成为局域网主流技术。
冲突：两个以上主机同时通过一条共享介质发送数据，则多路信号会相互干扰而使接收主机无法正确接收任何一台主机发送的数据。
解决局域网冲突的方法：①设立中心主机。由中心主机决定发送顺序，简单有效，但中心主机会成为局域网性能与可靠性的瓶颈；②采用分布式控制方法。每个主机各自决定是否发送数据，称为“介质访问控制方法”。
1. CSMA/CD(以太网)、Token Bus(令牌总线网)与Token Ring(令牌环网)的共同之处
(1) 体系结构都遵循IEEE 802层次结构模型；
(2) 传输介质主要采用同轴电缆、双绞线与光纤；
(3) 采用共享介质的方式发送和接收数据帧；
(4) 介质访问控制都采用分布式控制方法，局域网中没有集中控制的主机。
2. CSMA/CD、Token Bus与Token Ring的不同之处
(1) CSMA/CD总线型局域网
每个时刻仅有一个节点通过总线发送数据；
当一个节点以“广播”方式发送数据时，其他节点只能以“收听”方式接收数据；
节点通过竞争的方式获得发送权，因此属于随机型介质访问控制方法。
CSMA/CD算法简单、易于实现，适用于对传输实时性要求不高的办公环境，但当通信负荷增大时，冲突增多，网络吞吐率下降、传输延迟增加。
(2) 令牌总线型局域网
令牌：用来控制节点对总线访问权的特殊结构的控制帧。
限定每个节点获取令牌发送数据的最大占用时间为令牌持有时间(Token Holding Time, THT)，802.5规定为10ms。它限制了每个节点每次发送的数据量。
一个节点两次获得令牌的时间间隔ΔT=N×(THT+Tr+Tc)是确定值。它保证了数据传输的实时性。
通过令牌协调各节点间的通信关系，各节点之间不会发生冲突，在重负载情况下信道利用率高，并且支持优先级服务。但方法复杂，需维护大量逻辑环。
IEEE 802.4标准定义了总线拓扑的令牌总线介质访问控制方法与相应的物理规范。
(3) 令牌环局域网
令牌帧头有一位用于标志令牌的忙/闲，环正常工作时令牌总是沿物理环单向逐站传送。
IEEE 802.5标准定义了令牌环网介质访问控制方法与相应的物理规范。
令牌控制方式的优点：节点获取令牌发送数据时间间隔确定，能够提供优先级服务，适用于重负载、实时性要求高的领域（如工业控制）；缺点：环与令牌维护复杂、实现困难，组网成本高。
3. 高速Ethernet的发展背景
传统局域网建立在“共享介质”基础上，随着网络规模扩大，节点数增加，通信负荷大大增加，QoS显著下降。为解决网络规模与网络性能的矛盾，有以下3种方法：①提高速率；②共享方式改为交换方式；③网络互联。
IEE 802标准将数据链路层划分为逻辑链路控制子层LLC和介质访问控制子层MAC。不同局域网在MAC子层和物理层可以采用不同的协议，但LLC子层必须采用相同协议。目前许多硬件、软件厂商不再使用LLC协议，而直接将数据封装在Ethernet的MAC帧结构中。因此不再讨论LLC协议。
4个主要的MAC协议标准：
①IEEE 802.3标准：定义CSMA/CD总线MAC子层与物理层标准；
②IEEE 802.11标准：定义WLAN的MAC子层与物理层标准；
③IEEE 802.15标准：定义近距离个人区域无线网络MAC子层与物理层标准；
④IEEE 802.16标准：定义宽带WMAN的MAC子层与物理层标准。
CSMA/CD数据发送流程：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。
发送的数据采用曼彻斯特编码方式，规定总线高电平不跳变表示总线空闲状态，此时数据帧可以启动发送。
冲突窗口(争用期)：连接在一个缆段上所有节点都能够检测到冲突发生的最短时间，2τ=2D/V。Ethernet协议标准中规定的冲突窗口长度为51.2μs(由此可知Ethernet最小帧长度为64B)。
在网络环境中检测冲突的2种方法：①比较法。发送节点在发送帧的同时，与从总线接收的信号波形比较，若不一致则发生冲突。②编码违例判决法。若检查出从总线接收到的信号波形不符合曼彻斯特编码规律，说明发生了冲突。
如果发送数据过程中检测出冲突，首先发送冲突加强干扰序列(jamming sequence)，以确保有足够的冲突时间使得网络中所有节点都能检测出冲突存在。规定信号长度为32b。Ethernet规定一个帧的最大重发次数为16。
为公平解决信道争用问题，需采用后退延迟算法，典型的是截止二进制指数后退延迟算法，表示为：
τ=2^k×R×a，k=min(n, 10)
最大可能延迟时间为1023个时间片。
Ethernet V2.0规范定义是帧结构称为DIX帧结构，IEEE 802.3标准称为802.3帧结构。它们的差别主要在于以下两点。
(1) 前导码部分
DIX帧是前8B的前导码，每字节都是10101010序列。
802.3帧前7B是56位10101010……10101010序列，后面是10101011帧前定界符，保证了接收电路在接收目的字段前进入稳定状态。
(2) 类型字段与长度字段
DIX规定了一个2B的表示网络层协议的类型字段，例如0x0800表示IPv4，0x8106表示ARP，0x86DD表示IPv6。
802.3规定该字段为长度字段，数据长度字段长度在46~1500之间。
Ethernet帧校验字段采用32位CRC校验，校验范围：目的地址、源地址、长度、LLC数据等字段。生成多项式：
G(X)=X^32+X^26+X^23+X^22+X^16+X^12+X^11+X^10+X^8+X^7+X^5+X^4+X^2+X+1
1. Ethernet节点只要不发送数据帧就应该处于接收状态。
2. 如果没有发生冲突，则节点接收完一帧后首先应检查帧的目的地址。若不符，丢弃。
3. 地址匹配成功后进行CRC校验。若CRC校验正确且帧长度正确，向网络层报告成功接收后进入帧接收结束状态；否则有3种可能情况：帧长度错；帧校验错；帧比特位错。
4. IEEE 802.3规定帧间最小间隔为9.6μs，保证网卡能够连续正确处理接收帧。
Ethernet连接设备包括：网卡(NIC)、收发器和收发器电缆。
Ethernet物理地址EUI-48有48位。注意：全球统一分配的Ethernet物理地址有2^47位，因为第1字节的次低位是Global/Local标志位。(第一字节最低位为I/G标志位：I/G=0表示单播地址，I/G=1表示多播地址，48位全1(FF-FF-FF-FF-FF-FF)表示广播地址；次低位为G/L标志位：G/L=0表示本地管理的物理地址，G/L=1表示全局管理的物理地址)
Ethernet物理地址表示方法：前3字节由IEEE为网卡生产厂商分配，后3字节由厂商为每块网卡分配，16进制表示，“-”连接。
IEEE 802.3 X Type-Y/Name
X：数据传输速率(Mbps)
Type：传输方式(Base为基带)
Y：网段最大长度，单位100m
Name：线缆类型(T为双绞线，F为光纤)
1. 交换式局域网的基本概念
交换式局域网的核心设备是局域网交换机(LAN Switch)。交换机是工作在数据链路层，根据接入交换机帧的MAC地址过滤、转发数据帧的一种网络设备。通过交换机可将多台计算机以星型拓扑结构形成交换式局域网。
交换机的4个基本功能：①建立和维护一个表示MAC地址与交换机端口号对应关系的映射表；②在发送主机与接收主机端口之间建立虚连接；③完成帧的过滤与转发；④执行生成树协议，防止出现环路。
交换机的端口号/MAC地址映射表记录端口号与节点MAC地址的对应关系，并通过地址学习建立和维护地址表，为表项加上时间戳可以及时删除不再使用的表项，维护一个动态的地址表。
由于交换式局域网不存在冲突，不采用CSMA/CD控制方法，但帧结构不变。
2. 交换机的交换方式
(1) 直接交换方式(交换延迟时间短，但缺乏差错检测能力)
(2) 改进直接交换方式(检测帧前64B是否正确，交换延迟与直接交换方式接近)
(3) 存储转发交换方式(具有帧差错检测能力，支持不同输入输出速率端口间的帧转发，但交换延迟时间长)
3. 交换机的数据交换能力
交换机交换带宽(背板线速带宽)=端口号×相应端口速率(全双工×2)
背板带宽：交换机接口处理器、接口卡和数据总线之间单位时间内能够交换的最大数据量。背板带宽标志了交换机总的数据交换能力。
实际组建局域网时为方便局部移动，产生了结构化布线技术和虚拟局域网(VLAN)技术。
VLAN是一种新的局域网服务，而不是一种新的局域网。
VLAN的划分方法(软件方式)：
(1) 基于交换机端口的VLAN划分方法(最常用)
(2) 基于节点MAC地址的VLAN划分方法
(3) 基于网络层地址或协议的VLAN划分方法
VLAN标准是IEEE 802.1Q。用4B扩展Ethernet帧，第一字段是2B的标记协议标识符TPID，取值为0x8100，第二字段是2B的标记控制信息TCI。TCI分为优先级(3b)、规范格式指示符CFI(1b)和VLAN标识符VID(12b)。
VLAN中继端口支持IEEE 802.1Q，普通端口不支持。
VLAN技术的优点：
(1) 可以通过软件设置方式灵活组织逻辑工作组，极大方便了局域网的管理；
(2) 限制了局域网中的广播通信量，有效提高了局域网系统的性能；
(3) 网络管理员可以通过制定交换机转发规则，提高局域网系统的安全性。
FE保持了传统Ethernet的帧格式与最大、最小帧长度等特征。
802.3u定义了介质专用接口MII，将MAC层与物理层分开。
目前，100Base-T主要有以下3种物理层标准：
(1) 100Base-TX：2对5类UTP或2对1类STP，1对发送，1对接收。全双工系统。
(2) 100Base-T4：4对3类UTP，3对数据传输，1对冲突检测。半双工系统。
(3) 100Base-FX：2芯多模或单模光纤。全双工系统。主要用于高速主干网。
全双工模式不存在争用问题，因此MAC子层不采用CSMA/CD方法。为提高与10Mbps的兼容性，具有自动协商机制，自动协商仅涉及物理层，协议规定协商应在500ms内完成。协商过程中按照性能从高到低的选择排序为：100Base-TX全双工或100Base-FX全双工；100Base-T4；100Base-TX；10Base-T全双工；10Base-T。
GE保持了传统Ethernet的帧格式与最大、最小帧长度等特征。
802.3z定义了千兆介质专用接口GMII，将MAC层与物理层分开。
目前流行的GE物理层标准如下：
(1) 1000Base-CX：2对STP，最大长度550m。(已广泛应用于云计算)
(2) 1000Base-T：4对5类UTP，最大长度100m。
(3) 1000Base-SX：多模光纤，最大长度550m。
(4) 1000Base-LX：单模光纤，最大长度5km。
(5) 1000Base-LH：单模光纤，最大长度10km。
(6) 1000Base-ZX：单模光纤，最大长度70km。(已用于宽带城域网和广域网)
10GE保持了传统Ethernet的帧格式与最大、最小帧长度等特征。
802.3ae定义了十千兆介质专用接口10GMII，将MAC层与物理层分开。
10GE局域网物理层标准：
(1) 10GBase-SR：多模光纤，最大长度300m。
(2) 10GBase-LRM：多模光纤，最大长度220m。
(3) 10GBase-LX4：单模光纤，最大长度10km。
(4) 10GBase-LR：单模光纤，最大长度25km。
(5) 10GBase-ER：单模光纤，最大长度40km。
(6) 10GBase-ZR：单模光纤，最大长度80km。
(7) 10GBase-CX4：6类UTP/STP，最大长度15m。
(8) 10GBase-T：6类UTP/STP，最大长度100m。
10GE广域网物理层标准：
(1) SONET/SDH光纤通道技术，符合OC-192/STM-64标准。
(2) 光纤密集波分复用DWDM
10GE比同样规模的SONET和ATM网造价小。
目前100GE物理接口主要有以下3种类型：
(1) 10×10GE短距离互联的LAN接口技术(技术成熟)
(2) 4×25GE中短距离互联的LAN接口技术(性价比高)
(3) 10m铜缆接口和1m系统背板互联技术(并行互联)
1. 中继器
10Base-5规定，粗同轴电缆的一个缆段最大长度为500m，实际接入的节点数不超过100个。为增加同轴电缆长度与节点数量，可利用中继器(Repeater)将信号放大、整形后继续传输。
中继器工作在物理层，不涉及帧结构，不属于网络设备，它连接的缆段仍属于一个局域网，连接不同缆段的节点共享一个冲突域。
2. 集线器
基于10Base-T标准，使用集线器、RJ-45接口与UTP成为以太网基本组网方法。
连接在集线器上的所有节点属于同一个冲突域(或广播域)。
典型的单一集线器一般支持4~24个RJ-45端口，超过该数量可以采用级联结构，通常使用双绞线通过集线器的RJ-45端口，或使用同轴电缆或光纤通过集线器的上联端口实现级联。连接在级联结构中多个集线器的所有节点仍属于同一个冲突域。
根据具体网络规模与布局，采用合适的两级或三级网络结构。网络主干部分使用高性能GE/10GE主干交换机，网络分支部分使用GE交换机，楼层或部门一级使用100Mbps的FE交换机，用户端使用10/100Mbps网卡接FE交换机。
完整的结构化布线系统一般由户外系统、垂直竖井系统、平面楼层系统、用户端子区、机房子系统与布线配线系统6部分组成。
结构化布线系统主要应用于建筑物综合布线系统、智能大楼布线系统、工业布线系统3种环境。
网桥是实现多个局域网互联的网络设备。主要功能有：端口号与对应MAC地址表的转发表生成与维护；帧接收、过滤与转发。
按照转发表的建立方法分为2种：
(1) 源路由网桥
由发送帧的源节点进行路由选择。源主机以广播方式发送发现帧，尝试所有可能路由传送，从目的节点的返回帧中选择跳数最小者为路径。
(2) 透明网桥
采用自学习方式建立和维护转发表，网桥对主机透明，是一种即插即用的局域网互联设备。
(1) 学习过程
当网桥收到数据帧时，先与转发表记录数据比较，若改变，更新转发表；否则网络拓扑无变化，不需要修改。
(2) 帧转发过程
首先判断帧目的MAC地址是单播地址、多播地址还是广播地址。若源MAC地址与目的MAC地址属于同一个局域网，则丢弃该帧。
1. 生成树协议的研究背景
透明网桥和交换机使用生成树协议STP以防止出现环路，同时提供传输路径的备份功能。
2. 生成树协议的基本概念
根网桥：生成树协议执行的第一步是选择根网桥。用网桥端口号最小的MAC地址作为网桥地址，同时为每个网桥分配一个优先级，优先级最低且MAC地址最小的为根网桥。选择根网桥时考虑以下几个因素：根网桥一般选择在网络中心位置，便于向各个网桥发送和接收BPDU帧；根网桥一般位于主干网，且传输速率足够高；根网桥设备配置高，可靠性好，便于维护。
桥优先级：
路径成本：生成树协议希望形成一个传输延迟最小的帧传输路径。
端口优先级：默认值为32。选择优先级小的端口，其它的作为备份，以防止出现环路。
网桥将互联的局域网分割成多个冲突域，隔离了局域网之间的流量，改善了互联局域网的性能与安全性。但发送多播或广播帧时易造成“广播风暴”。
表1 中继器、集线器、网桥与交换机的比较
应用领域：作为传统局域网的扩充；建筑物之间的互连；移动Internet漫游访问；无线自组网。无线局域网协议IEEE 802.11，后来出现两个版本：802.11b定义了FHSS，传输速率为1Mbps、2Mbps、5Mbps与11Mbps；802.11a将传输速率提高到54Mbps。
跳频扩频通信FHSS使用2.4GHz的ISM频段，频率范围在2.400~2.4835GHz，数据传输速率为1Mbps或2Mbps。IEEE 802.11规定驻留时间为400ms。
直接序列扩频通信DSSS是扩频技术另一种常用方法，也使用2.4GHz的ISM频段，数据传输速率为1Mbps或2Mbps。
在无线通信中，实现两个节点之间正常通信需满足两个基本条件：发送信号频率在接收机接收频带之内；在接收机位置能够接收的发送信号功率大于接收机的接收灵敏度。
隐藏节点：不在范围内的节点向目的节点发送数据时无法检测到信道忙，该节点是隐藏节点。
暴露节点：无线电波覆盖范围内有其它节点正发送数据时，检测到信道忙而不能向范围外的目的节点发送数据，该节点为暴露节点。
IEEE 802.11采用CSMA/CA的冲突避免方法，具有分布协调功能DCF。在有基站情况下支持基本服务集BSS和扩展服务集ESS两种基本结构单元。
Ad hoc采用对等模式，网络中不存在基站，MAC层工作在DCF(CSMA/CA)模式。
无线局域网节点分3种类型：不迁移型、BSS迁移型和ESS迁移型。IEEE 802.11协议支持不迁移型和BSS迁移型节点，不支持ESS迁移型节点。
1. 帧间间隔的规定
IEEE 802.11规定了4种帧间间隔：短帧间间隔SIFS(发送控制帧或一个分片)、点协调功能帧间间隔PIFS(发送PCF帧)、分布协调功能帧间间隔DIFS(发送DCF帧)和扩展帧间间隔EIFS(报告坏帧)。帧间间隔的长短取决于发送帧的类型，高优先级帧等待时间短，帧间间隔短。
2. CSMA/CA基本工作原理
DCF支持2种工作模式：基本模式与可选的RTS/CTS预约模式。
基本模式的工作原理：信道监听、推迟发送、冲突退避。
IEEE 802.11采用二进制指数退避算法。第i次退避在2^(i+1)个时间片中随机选择一个。
3. RTS/CTS预约机制
通过设定网络分配向量NAV值预约节点发送时间，以主动避免冲突发生。
4. 分片传输
为解决无线信道帧长度越长误码率越高的问题，IEEE 802.11允许分片传输以减小帧长度，分片单独编码和确认。
5. DCF与PCF共存状态
通过设定不同的帧间间隔实现。
(1) SIFS：与物理层相关。用于分隔一次对话的各帧。
(2) PIFS：SIFS+50μs。
(3) DIFS：PIFS+50μs。
(4) EIFS：最长的扩展帧间间隔。优先级最低。
原文地址：http://blog.csdn.net/hellofuture10/article/details/43942201
