数据链路层3.4 扩展的以太网

Posted 2020-12-10 beautiful7

3.4 扩展的以太网

对以太网的覆盖范围进行扩展，扩展后的以太网仍然是一个网络

 

3.4.1 在物理层扩展以太网

以太网的主机之间的距离不能太远，非则发送的信号经过铜线的传输就会衰减到使CSMA/CD协议无法正常工作。

目前扩展主机和集线器距离最简单的办法是使用光纤和光纤调制解调器

光纤调制解调器的作用是进行电信号和光信号的交换。光纤的时延小，带宽大，所以可以很容易让主机和远处的集线器连接。

使用多个集线器，就可以连接成覆盖范围大的多级星型结构以太网

这样做的优点

扩大地理范围，不同星型结构可以互相访问

缺点：

1.每一个系的以太网，都有一个独立的碰撞域（又叫冲突域），也就是在任一时刻，每一个碰撞域中只能由一个站在发送数据。每一个系的以太网最大吞吐量是10Mbit/s，因此三个系的总吞吐量共有30Mbit/s。在三个系得以太网通过集线器互连起来后，九八三个碰撞域变成一个碰撞域，但是这个时候最大吞吐量仍然是一个系的吞吐量10Mbit/s。也就是说只能一个站通信

2.如果不同的系使用不同的以太网技术，那么就不能用集线器来互联。大家的传输速率都是一样，集线器基本上是个多接口的转发器，并不能把帧进行缓存。

 

3.4.2 在数据链路层扩展以太网

在数据链路层来扩展以太网是最常用的办法。

最初人们使用网桥（bridge）来对收到的帧根据MAC帧的目的地址进行转发和过滤。当网桥收到帧的时候，根据帧目的MAC地址，查找网桥中的地址表，确定帧转发到的接口或者过滤掉。

1990年出现了交换式集线器（switching hub），淘汰了网桥。交换式集线器常被称为以太网交换机（switch）或第二层交换机（L2 switch）

交换机并没有准确的定义和概念。

以太网交换机的特点：

以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥。和物理层的集线器转发器差别很大。以太网交换机的每个接口都直接与一个单态主机或另一个以太网交换机相连。交换机还具有并行性，能同时连通多对接口，使多对主机可以同时通信。相互通信的主机独占传输媒体，无碰撞地传输数据。

以太网交换机地接口还有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存，然后再发送出去。

以太网交换机是一种即插即用设备，内部的帧交换表（又叫地址表）是通过自学习算法自动建立

以太网交换机性能远超集线器价格也不高所以物理层集线器逐渐退出市场

以太网交换机的接口使用是不会互相影响，每个接口有自己的传输数据，总容量很大。

大多数以太网交换机对收到的帧采用存储转发方式进行转发，但也有一些交换机采用直通（cut-through）的交换方式，直通交换不用缓存数据帧，而是接收到数据帧同时直接按数据帧的MAC地址转发。但是这种就会导致一些有错误的帧也直接传输了，所以在某些情况下仍然需要用基于软件的存储转发方式进行交换。

以太网交换机的自学习功能

简单描述，就是会自动添加端口号，和MAC到交换表里面，然后会定期更新清空交换表。

交换机的自学习功能保证以太网交换机可以即插即用，不用配置。

但是为了增加网络的可靠性，在使用以太网交换机组网时，往往会增加一些冗余的链路，为了防止兜圈子，IEEE802.1D指定了生成树协议STP消除这种现象

从总线以太网到星型以太网

总线以太网使用CSMA/CD协议，以半双工方式工作。但以太网交换机不使用共享总线，不适用CSMA/CD协议，而实采用全双工方式工作。仍然采用以太网的帧结构

随着以太网上的站点数目增多，使得星型结构的以太网交换机可以做得既便宜又可靠。这是采用以太网交换机的星型结构成为了首选。

 

3.4.3 虚拟局域网

利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网VLAN(Virtual LAN)

在IEEE 8021Q标准中，对虚拟局域网VLAN的定义如下：

VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，这些网段具有共同需求，每一个VLAN的帧都有明确的标识符，指明发送这个帧属于那一个VLAN。

虚拟局域网是一种服务而不是新的技术。

每一个VLAN中的计算机可以在不同的局域网和不同的交换机中。

虚拟局域网是用户和网络资源之间的逻辑组合，根据设备和资源组合。

1988年IEEE比批准了802.3ac标准，定义了以太网的帧格式的扩展来支持虚拟局域网，虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为VLAN标记，用来指明发送该帧的计算机属于哪一个VLAN，插入VLAN标记的帧称为802.1Q帧。VLAN标记字段常位4戒子，插入在MAC帧的源地址字段和类型字段见，前两个字节设置位0x8100，称为IEEE802.1Q标记类型

后面两个字节中，前3位是用户优先级字段，接着是规范格式指示符CFI，最后12位是VLAN标识符VID（VLAN ID），唯一地标志了以太网帧属于地VLAN，以太网帧增加了4个字节，从1518变到了1522