第五章 局域网基础

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A[局域网基础] --> B[5.1 核心概念]  
A --> C[5.2 协议体系]  
A --> D[5.3 以太网技术]  
A --> E[5.4 网络设备]  
B --> B1[定义与特性]  
B --> B2[拓扑结构]  
B --> B3[技术三要素]  
C --> C1[IEEE 802标准族]  
C --> C2[帧结构与MAC]  
C --> C3[介质访问控制]  
D --> D1[10M~100G演进]  
D --> D2[编码与物理层规范]  
E --> E1[物理层设备]  
E --> E2[数据链路层设备]  

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5.1 局域网核心概念（LAN）

1. 定义与特性

特性	技术细节	实际影响
地理范围	10m~10km（单组织管理）	低延迟（<1ms）
传输速率	10Mbps~100Gbps	支持实时应用（VoIP/视频）
误码率	10⁻⁸~10⁻¹²（光纤最优）	高可靠性传输
拓扑灵活性	星型/总线/环型/树型混合	易扩展（如树型分层部署）
核心优势	广播功能+资源共享	降低IT成本（如NAS共享存储）

2. 组成与分类

硬件分层模型

┌─ 工作站（终端设备）  
├─ 服务器（数据中心）  
├─ 网卡（MAC层寻址）  
├─ 传输介质（物理层）  
│   ├─ 有线：Cat6/光纤（多模OM3/单模OS2）  
│   └─ 无线：802.11ax（Wi-Fi 6）  
└─ 互连设备  ├─ 物理层：Hub/中继器（信号放大）  └─ 数据链路层：交换机（MAC过滤）  

软件组成

软件类型	典型实例	功能定位
网络操作系统	Windows Server/Linux	资源管理与服务提供
网络协议	IEEE 802.3/IPX/SPX	数据传输规则定义
通信软件	网络浏览器 / 即时通信工具	应用层交互接口

技术三要素决定性能

要素	选项	典型应用
拓扑结构	星型（主流）、环型（工业控制）	企业网：星型+树型冗余
传输媒体	光纤（骨干）、Cat6（桌面）	数据中心：40G QSFP+光纤
媒体访问控制	CSMA/CD（以太网）、Token（确定性网络）	实时系统：TSN（时间敏感网络）

3. 拓扑结构对比

类型	冲突管理	故障影响	案例
总线型	CSMA/CD竞争	单点故障全网瘫痪	早期10Base5粗缆网络
星型	交换机集中控制	单链路故障隔离	现代企业网（90%+）
环型	Token Passing	双向环自愈	FDDI/工业环网

⚠️ 扩展：SDN（软件定义网络）通过控制器动态调整拓扑，解决传统僵化问题

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5.2 IEEE 802标准与以太网协议

1. IEEE 802协议栈分层

┌─ LLC子层（802.2，逻辑链路控制）：多路复用（SAP标识）  
│   例：IP over Ethernet → SAP=0x0800  
├─ MAC子层（介质访问控制）  
│   ├─ 802.3（CSMA/CD）  
│   ├─ 802.5（Token Ring）  
│   └─ 802.11（无线CSMA/CA）  
└─ 物理层（PHY）  ├─ 编码：4B/5B（100Base-TX）、8B/10B（1000Base-X）  └─ 介质规范：Base-T（双绞线）、Base-X（光纤）  

标准族核心映射：

标准号	技术内容	应用场景
IEEE 802.3	CSMA/CD 以太网	局域网主干
IEEE 802.5	令牌环网	早期 IBM 网络
IEEE 802.11	无线局域网（Wi-Fi）	移动设备接入
IEEE 802.1Q	VLAN 帧标记	虚拟局域网划分

2. 以太网帧结构与 MAC 地址机制

• Ethernet II帧结构
  
• 类型：表示上一层使用的协议
• MAC帧结构

| 6B 目标MAC | 6B 源MAC | 2B 类型 | 46~1500B 数据 | 4B FCS |  

• MAC地址格式：
  
• 前6位：网络制造商，后6位网卡地址
• 类型字段：
  • 0x0800=IPv4，0x86DD=IPv6，0x8100=802.1Q VLAN

3. 介质访问控制技术体系

• CSMA/CD（载波监听多路访问 / 冲突检测）：
  
  • 工作原理（★四步法则）：
    1. 先听后发：发送前检测信道是否空闲
    2. 边听边发：发送时持续检测冲突
    3. 冲突停止：发现冲突立即终止传输
    4. 随机重发：采用二进制指数退避算法（公式：时间，k为冲突次数且k≤10）
  • 冲突域：共享介质上所有节点构成一个冲突域，集线器环境下冲突频发
    
    
• 令牌环（Token Ring）：
  • 核心机制：令牌（特殊帧）循环传递，持有令牌节点才能发送数据
  • 优缺点：
    ✅ 重负载下效率高（无冲突），✅ 支持优先级
    ❌ 轻负载时存在令牌等待延迟，❌ 环路维护复杂
    

（3）令牌环 vs CSMA/CD

指标	CSMA/CD	令牌环	令牌总线
控制类型	随机争用	确定型	确定型
实时性		固定时延	固定时延
典型应用	以太网	FDDI	早期工业网络
协议复杂度	低	高，增加机位难	中

5.3 以太网技术演进

1. 速率演进与技术突破

核心驱动力：

• 编码效率提升：曼彻斯特（50%）→ 4B/5B（80%）→ 8B/10B（80%）→ PAM-4（200%）
• 全双工普及：CSMA/CD淘汰（万兆起），交换机点对点无冲突传输

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2. 物理层标准对比

标准	速率	编码	介质	最大距离	应用场景
10Base-T	10 Mbps	曼彻斯特	Cat3 UTP	100 m	早期办公网（已淘汰）
100Base-TX	100 Mbps	4B/5B	Cat5 UTP	100 m	主流桌面（2000年代）
1000Base-T	1 Gbps	PAM-5	Cat5e/6 UTP	100 m	现代企业桌面/服务器接入
1000Base-SX	1 Gbps	8B/10B	MMF（850nm）	550 m	数据中心机柜互连
10GBase-T	10 Gbps	128-DSQ	Cat6a/7 UTP	100 m	高性能工作站/服务器集群
10GBase-LR	10 Gbps	64B/66B	SMF（1310nm）	10 km	城域网骨干
100GBase-LR4	100 Gbps	64B/66B	SMF（4×WDM波长）	10 km	数据中心互联

• 10Base-T 平滑升级至 100Base-TX：
  • 替换核心交换机及服务器等核心设备
  • 更新接入层交换机与终端网卡
  • 布线升级
  • 端口速率、双工模式等的配置调整
  • 测试验证

🔍 关键技术解析：

• PAM-5编码：5电平调制（-2,-1,0,+1,+2），每符号2bit，波特率=125Mbaud（1Gbps）
• 128-DSQ：双符号编码，抗干扰增强（10GBase-T）
• 硅光技术：100G+时代核心，光电器件集成降低功耗（如Intel 100G PSM4模块）

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3. 高速以太网核心机制

（1）帧结构优化

• 巨型帧（Jumbo Frame）：
  • 传统帧：1518字节 → 巨型帧：9000字节
  • 优势：降低协议开销（帧头/帧尾占比从3.3%→0.4%）

（2）流量控制

机制	原理	适用场景
802.3x暂停帧	接收方发送PAUSE帧要求暂停发送	传统半双工环境
ECN	IP层显式拥塞通知	数据中心（RoCEv2协议）
PFC	基于优先级的流量控制（802.1Qbb）	无损网络（AI训练集群）

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4. 400G以太网与未来

（1）关键技术

• PAM-4编码：4电平调制（2bit/符号），波特率=53 GBaud（400G）
  • 代价：信噪比要求提升（较NRZ高9dB）
• CPO（共封装光学）：光引擎与交换机芯片同封装，降低功耗30%

（2）标准演进

标准	速率	介质	发布时间	应用目标
IEEE 802.3bs	400G	SMF/MMF	2017	超算中心
IEEE 802.3cm	800G	8×光纤	2022	AI训练集群
IEEE 802.3db	1.6T	硅光集成	2025+	6G骨干网

⚠️ 挑战：

• 热管理：400G交换机功耗＞1000W/机架单元
• 信号完整性：56 GBaud以上PCB布线要求＜0.5dB插入损耗

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5.4 网络设备深度解析

1. 设备分层

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2. 核心设备详解

▶ 物理层设备

• 中继器（Repeater）：
  • 功能：放大整形衰减信号，延长传输距离，遵循以太网 5-4-3 规则
  • 局限：不隔离冲突域，所有端口共享同一冲突域
• 集线器（Hub）：
  • 本质：多端口中继器，工作在物理层
  • 特点：
    ✅ 价格低廉 ❌ 所有端口共享带宽 ❌ 广播模式易导致冲突
  • 典型场景：早期小型共享式网络
    

▶ 数据链路层设备

• 网卡（NIC）：
  
  • 配置网卡
    
  • 核心功能：

 MAC地址处理 + CSMA/CD协议实现 + 数据帧封装/解封 + 串并转换

• 交换机（Switch）：
  • 工作原理：基于 MAC 地址构建转发表，实现端口间数据转发
  • 核心优势：
    ✅ 隔离冲突域（每个端口独立冲突域）
    ✅ 全双工模式下带宽翻倍（如 100M 端口实际可用 200M）
    
• 分类对比：

类型	核心特性	应用场景
二层交换机	基于 MAC 地址转发，无路由功能	接入层终端互联
三层交换机	支持 IP 路由，兼具二层转发能力	汇聚层网络互联
模块化交换机	可扩展接口模块，支持高带宽需求	数据中心核心层

• 级联 vs 堆叠：

方式	连接介质	带宽特性	管理复杂度
级联	普通网线	单链路带宽瓶颈	低
堆叠	专用堆叠线缆	高带宽聚合	高

▶ 网络层设备

• 路由器（Router）：
  • 核心功能：
    1. 网络互联（不同 IP 网段间转发）
    2. 路由选择（基于路由表最优路径计算）
    3. 广播隔离（每个端口为独立广播域）
  • 关键组件：

    路由表 + 转发引擎 + 网络接口模块
    

  • 典型场景：企业网出口、不同子网间互联

3. 设备功能对比表（

设备	OSI 层	转发依据	冲突域隔离	广播域隔离	典型带宽
集线器	物理层	广播	否	否	10/100M 共享
二层交换机	数据链路层	MAC 地址	是	否	100M/1G 独立
路由器	网络层	IP 地址	是	是	1G/10G 高速

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4. 冲突域与广播域控制

设备	冲突域数量	广播域数量	隔离能力
集线器	1（全共享）	1	无
二层交换机	每端口1个	1（默认）	隔离冲突域
VLAN交换机	每端口1个	每VLAN 1个	隔离冲突域+广播域
路由器	每端口多个	每端口1个	隔离冲突域+广播域

🔧 设计案例：
企业网架构：

接入层（VLAN隔离） → 汇聚层（L3交换） → 核心层（路由器）  

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