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局域网与广域网协议

以太网（IEEE 802.3）

以太网是目前应用最广泛的局域网技术，由 Xerox、Intel 和 DEC 于 1975 年联合开发，后由 IEEE 802.3 委员会标准化。

MAC 地址

MAC 地址

MAC 地址（Media Access Control Address）是数据链路层使用的物理地址，用于在局域网中唯一标识一个网络接口。MAC 地址长度为 48 位（6 字节），通常表示为 12 个十六进制数，如 00:1A:2B:3C:4D:5E。

MAC 地址的结构：

  • 前 24 位（OUI，Organizationally Unique Identifier）：厂商代码，由 IEEE 分配给设备制造商
  • 后 24 位：厂商分配的设备序列号

特殊 MAC 地址：

  • 广播地址：FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示局域网内所有站点
  • 组播地址：第一字节最低位为 1，表示一组站点
  • 单播地址：第一字节最低位为 0，表示单个站点

以太网帧结构（Ethernet II 格式）

| 前导码(Preamble) | SFD | 目的MAC | 源MAC | 类型/长度 | 数据(Payload) | FCS |
|     7字节        |1字节|  6字节  | 6字节 |   2字节   |  46~1500字节  |4字节|

各字段说明：

  1. 前导码（Preamble）：7 字节，交替的 0 和 1（10101010），用于接收方同步时钟
  2. 帧起始定界符（SFD, Start Frame Delimiter）：1 字节，10101011，标志帧的开始
  3. 目的 MAC 地址：6 字节，接收方的物理地址
  4. 源 MAC 地址：6 字节，发送方的物理地址
  5. 类型/长度字段：2 字节
    • 值 ≥ 1536（0x0600）时表示类型（如 0x0800 表示 IPv4，0x0806 表示 ARP，0x86DD 表示 IPv6）
    • 值 ≤ 1500 时表示长度（802.3 原始格式）
  6. 数据字段：46~1500 字节。不足 46 字节时需要填充（Padding），这是因为以太网最小帧长为 64 字节（14 字节首部 + 46 字节数据 + 4 字节 FCS）
  7. FCS（Frame Check Sequence）：4 字节，使用 CRC-32 校验，用于检错

以太网的演进

标准速率传输介质名称由来
10BASE510 Mbps粗同轴电缆最大段长 500 m
10BASE210 Mbps细同轴电缆最大段长约 200 m（实际 185 m）
10BASE-T10 Mbps双绞线T = Twisted Pair
100BASE-TX100 Mbps5类双绞线快速以太网
1000BASE-T1 Gbps5e类双绞线千兆以太网
10GBASE-T10 Gbps6a类双绞线万兆以太网

现代以太网几乎全部使用交换机和双绞线（或光纤），工作在全双工模式下，不再使用 CSMA/CD。

虚拟局域网（VLAN）

VLAN（Virtual LAN）是在物理局域网的基础上，通过交换机配置逻辑地划分出多个独立的广播域。

  • 作用：隔离广播域，提高网络安全性和性能
  • 实现方式：在以太网帧中插入 4 字节的 VLAN 标签（802.1Q 标签），包含 VLAN ID（12 位，0~4095）
  • Trunk 端口：交换机之间连接的端口，传输带 VLAN 标签的帧
  • Access 端口：连接终端设备的端口，只属于一个 VLAN，收发不带标签的帧

无线局域网（IEEE 802.11）

无线局域网（WLAN）使用无线电波作为传输介质，最常见的标准是 IEEE 802.11 系列（商业名称为 Wi-Fi）。

802.11 标准演进

标准发布年份频段最大速率说明
802.1119972.4 GHz2 Mbps原始标准
802.11b19992.4 GHz11 Mbps第一个广泛使用的标准
802.11a19995 GHz54 Mbps不与 b 兼容
802.11g20032.4 GHz54 Mbps向下兼容 b
802.11n (Wi-Fi 4)20092.4/5 GHz600 MbpsMIMO 技术
802.11ac (Wi-Fi 5)20145 GHz3.5 Gbps更宽信道，更多 MIMO
802.11ax (Wi-Fi 6)20192.4/5 GHz9.6 GbpsOFDMA，更高密度

802.11 帧结构

802.11 帧比以太网帧复杂，包含最多 4 个地址字段（因为无线环境中需要区分发送方、接收方、源、目的）：

| 帧控制 | 持续时间/ID | 地址1 | 地址2 | 地址3 | 序列控制 | 地址4 | 数据 | FCS |
|  2字节 |    2字节    | 6字节 | 6字节 | 6字节 |  2字节   | 6字节 | 可变 | 4字节|
  • 地址1：接收方地址（RA，Receiver Address）
  • 地址2：发送方地址（TA，Transmitter Address）
  • 地址3：源地址（SA）或目的地址（DA），取决于帧类型
  • 地址4：仅在无线分布式系统（WDS）中使用

工作模式

  1. 基础设施模式（Infrastructure Mode）：所有站点通过 AP（Access Point，接入点）通信，AP 连接有线网络。这是最常见的模式。
  2. 自组织模式（Ad Hoc Mode）：站点之间直接通信，不需要 AP。也称为 IBSS（Independent BSS）。

WiFi 安全

  • WEP（Wired Equivalent Privacy）：最早的加密标准，使用 RC4 算法，已被破解，不安全
  • WPA（Wi-Fi Protected Access）：WEP 的改进版，使用 TKIP 加密
  • WPA2：目前的主流标准，使用 AES 加密（CCMP），安全性高
  • WPA3：最新标准，进一步增强安全性，支持 192 位加密

广域网协议

PPP 协议（Point-to-Point Protocol）

PPP 是在点对点链路上传输网络层数据的数据链路层协议，广泛用于拨号上网、DSL、专线等场景。

PPP 协议

PPP 是一种面向字节的数据链路层协议，用于在两个节点之间的点对点链路上传输数据。它支持多种网络层协议（IP、IPX 等），提供身份验证、压缩和差错检测功能。

PPP 帧结构

| 标志(Flag) | 地址(Addr) | 控制(Ctrl) | 协议(Protocol) | 数据(Payload) | FCS | 标志(Flag) |
|   1字节    |   1字节    |   1字节    |    2字节       |    可变       | 2字节|   1字节    |
  • 标志字段：0x7E，帧的定界符（与 HDLC 相同）
  • 地址字段：0xFF，广播地址（PPP 是点对点，无实际意义）
  • 控制字段：0x03，无编号帧（UI）
  • 协议字段：指示数据字段的协议类型（如 0x0021 = IPv4，0xC021 = LCP，0x8021 = IPCP）
  • FCS：通常 2 字节（也可协商为 4 字节），CRC 校验

PPP 的工作阶段

PPP 链路的建立和维护分为四个阶段：

  1. 链路建立阶段（Link Establishment）：使用 LCP（Link Control Protocol，链路控制协议） 协商链路参数，如最大接收单元（MRU）、认证协议、压缩协议等
  2. 身份验证阶段（Authentication）：可选阶段，使用 PAP（Password Authentication Protocol） 或 CHAP（Challenge Handshake Authentication Protocol） 进行身份验证
    • PAP：两次握手，明文传输密码，安全性低
    • CHAP：三次握手，使用 MD5 哈希，不传输明文密码，安全性高
  3. 网络层协议阶段（Network Layer Protocol）：使用 NCP（Network Control Protocol） 为每种网络层协议配置参数。例如 IPCP（IP Control Protocol）用于分配 IP 地址
  4. 数据传输阶段（Network Layer Protocol）：正常传输网络层数据
  5. 链路终止阶段（Link Termination）：使用 LCP 终止链路

HDLC 是 ISO 制定的面向比特的数据链路层协议，是许多其他链路层协议（如 PPP、LAPB、LAPD）的基础。

HDLC 帧结构

| 标志(Flag) | 地址(Addr) | 控制(Ctrl) | 信息(Info) | FCS | 标志(Flag) |
|   1字节    |   1字节    |   1字节    |   可变     | 2字节|   1字节    |
  • 标志字段：0x7E（01111110），使用比特填充法保证数据中不出现该模式
  • 地址字段：标识从站地址（多点连接时），点对点时通常为 0xFF
  • 控制字段：标识帧类型和序号
  • FCS：2 字节或 4 字节，CRC 校验

HDLC 帧类型

根据控制字段的格式，HDLC 帧分为三类：

  1. 信息帧（I 帧，Information）：控制字段第 1 位为 0

    • 携带用户数据
    • 包含发送序号 N(S) 和接收序号 N(R)
    • 可捎带确认（N(R) 表示期望收到的下一帧序号）

  2. 监控帧（S 帧，Supervisory）：控制字段前 2 位为 10

    • 不携带数据，用于流量控制和差错控制
    • 四种类型：RR（接收就绪，ACK）、RNR（接收未就绪）、REJ（拒绝，GBN）、SREJ（选择拒绝，SR）

  3. 无编号帧（U 帧，Unnumbered）：控制字段前 2 位为 11

    • 不包含序号，用于链路管理
    • 如 SABM（设置异步平衡模式）、UA（无编号确认）、DISC（断开连接）等

HDLC 工作模式

  • 正常响应模式（NRM, Normal Response Mode）：主从模式，从站只有在收到主站的询问后才能发送
  • 异步响应模式（ARM, Asynchronous Response Mode）：从站可以主动发送，但仍由主站管理链路
  • 异步平衡模式（ABM, Asynchronous Balanced Mode）：对等模式，两个站地位平等，都可以发起传输。PPP 就使用类似 ABM 的模式

数据链路层设备

网桥（Bridge）

  • 工作在数据链路层，基于 MAC 地址转发帧
  • 通常只有 2 个端口，用于连接两个局域网段
  • 自学习 MAC 地址表，隔离冲突域
  • 存储转发方式，转发速度较慢

交换机（Switch）

  • 工作在数据链路层（二层交换机），本质上是多端口网桥
  • 基于 MAC 地址转发帧，每个端口是一个独立的冲突域
  • 支持存储转发和直通转发（Cut-through）两种方式
  • 支持 VLAN、QoS、端口聚合等高级功能
  • 是现代局域网的核心设备

典型例题

例题1：以太网帧填充计算

一个以太网帧的数据字段只有 20 字节，请问需要填充多少字节？该帧的总长度是多少？

参考答案(4 个标签)
以太网帧结构最小帧长填充
  1. 以太网数据字段最小为 46 字节（保证最小帧长 64 字节）
  2. 当前数据为 20 字节，需要填充：46−20=2646 - 20 = 26 字节
  3. 以太网帧首部（目的MAC+源MAC+类型）= 6+6+2 = 14 字节
  4. FCS = 4 字节
  5. 总长度 = 14（首部）+ 46（数据+填充）+ 4（FCS）= 64 字节

注意：前导码（7字节）和 SFD（1字节）通常不计入帧长。

答案：需要填充 26 字节，帧总长度为 64 字节（最小帧长）。

例题2：PPP 协议分析

PPP 链路建立过程中，LCP 和 NCP 分别负责什么？如果一个 PPP 连接只传输 IPv4 数据，需要哪些协议参与？

参考答案(5 个标签)
PPPLCPNCPIPCP链路建立

  1. LCP（Link Control Protocol）：负责数据链路层的参数协商和链路管理，包括：

    • 最大接收单元（MRU）协商
    • 认证协议协商（PAP/CHAP）
    • 压缩协议协商
    • 链路质量监控
    • 链路建立和终止

  2. NCP（Network Control Protocol）：负责网络层参数的配置，每种网络层协议对应一个 NCP：

    • IPCP（IP Control Protocol）：配置 IP 地址、DNS 等
    • IPXCP：配置 IPX 协议
    • IPv6CP：配置 IPv6

  3. 如果只传输 IPv4，需要的协议：

    • LCP：链路层参数协商
    • 认证协议（可选）：PAP 或 CHAP
    • IPCP：IP 地址分配和配置
    • IPv4：数据传输

答案：LCP 负责链路层参数协商，NCP 负责网络层参数配置。只传 IPv4 时需要 LCP、（可选的认证协议）、IPCP 和 IPv4。

例题3：MAC 地址与广播

一个以太网帧的目的 MAC 地址为 FF:FF:FF:FF:FF:FF，这是什么类型的地址？该帧会被哪些站点接收？

参考答案(4 个标签)
MAC地址广播地址以太网广播域
  1. FF:FF:FF:FF:FF:FF 是广播地址（所有位全为 1）。
  2. 广播帧会被同一个广播域内的所有站点接收和处理。
  3. 在传统的共享式以太网（集线器连接）中，所有站点都在同一个广播域和冲突域中。
  4. 在交换式以太网中，交换机默认会将广播帧从除接收端口外的所有端口泛洪（Flooding），因此所有连接在同一台交换机（或同一 VLAN）上的站点都会收到。
  5. 路由器不会转发广播帧（路由器隔离广播域），因此广播帧不会跨网段传播。

答案：这是广播地址，会被同一广播域内的所有站点接收。路由器不转发广播帧，因此广播仅限于本地网段。

练习题

练习1

比较 PPP 和 HDLC 协议的异同。

参考答案(4 个标签)
PPPHDLC协议比较数据链路层

相同点：

  1. 都是数据链路层协议，都支持点对点连接
  2. 都使用 0x7E 作为帧定界符，使用比特填充（PPP 异步模式也支持字符填充）
  3. 都提供差错检测（FCS/CRC）
  4. 帧结构相似（标志、地址、控制、数据、FCS）

不同点：

  1. 面向方式：PPP 面向字节，HDLC 面向比特
  2. 复杂度：PPP 简单灵活，HDLC 功能更强大但更复杂
  3. 连接类型：PPP 主要支持点对点，HDLC 支持点对点和多点
  4. 身份验证：PPP 支持 PAP/CHAP 身份验证，HDLC 不支持
  5. 多协议支持：PPP 通过 NCP 支持多种网络层协议，HDLC 不关心网络层协议
  6. 序号机制：HDLC 有完整的序号和确认机制（I帧/S帧），PPP 默认不提供可靠传输（可选的可靠传输模式）
  7. 应用场景：PPP 用于拨号、DSL、专线等；HDLC 用于早期的专线网络和 Cisco 路由器的串行链路（Cisco HDLC）

练习2

以太网交换机和集线器的主要区别是什么？为什么交换机取代了集线器？

参考答案(5 个标签)
交换机集线器冲突域全双工局域网

主要区别：

  1. 工作层次：集线器工作在物理层，交换机工作在数据链路层
  2. 冲突域：集线器所有端口共享一个冲突域，交换机每个端口是独立的冲突域
  3. 工作模式：集线器只能半双工，交换机支持全双工
  4. 转发方式：集线器将信号广播到所有端口，交换机基于 MAC 地址表转发到特定端口
  5. 带宽：集线器所有端口共享总带宽，交换机每个端口有独立带宽
  6. 功能：集线器只有信号放大和转发功能，交换机支持 MAC 地址学习、VLAN、QoS 等

交换机取代集线器的原因：

  1. 性能更高：全双工、独立冲突域、并行传输，大大提高了网络吞吐量
  2. 减少冲突：每个端口独立冲突域，避免了 CSMA/CD 的冲突开销
  3. 安全性更好：单播帧只转发到目标端口，其他端口无法窃听
  4. 功能更丰富：支持 VLAN 隔离广播域、QoS 优先级、端口聚合等
  5. 成本下降：随着技术发展，交换机的价格降到了可接受的水平

术语对照表

中文术语英文术语缩写说明
介质访问控制地址Media Access Control AddressMAC48位物理地址
以太网Ethernet-最广泛的局域网技术
帧校验序列Frame Check SequenceFCSCRC校验字段
最大传输单元Maximum Transmission UnitMTU数据字段最大长度
虚拟局域网Virtual LANVLAN逻辑划分广播域
接入点Access PointAP无线局域网中心设备
点对点协议Point-to-Point ProtocolPPP点对点链路层协议
链路控制协议Link Control ProtocolLCPPPP链路参数协商
网络控制协议Network Control ProtocolNCPPPP网络层参数协商
挑战握手认证协议Challenge Handshake Auth ProtocolCHAPPPP安全认证
高级数据链路控制High-level Data Link ControlHDLC面向比特的链路层协议
服务集标识符Service Set IdentifierSSIDWiFi网络名称
载波监听多路访问/冲突避免CSMA with Collision AvoidanceCSMA/CA无线局域网MAC协议
网桥Bridge-二层转发设备（2端口）
交换机Switch-多端口二层转发设备
集线器Hub-物理层共享设备
前导码Preamble-以太网帧同步字段
帧起始定界符Start Frame DelimiterSFD以太网帧开始标志
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