网桥及以太网交换机原理

Posted 2021-01-10 zhanghx

网桥（bridge）

功能：在数据链路层扩展以太网

特征：

• 工作在数据链路层，根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发
• 具有帧过滤功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口
• 具有自学习功能

注：IEEE802系列标准把数据链路层分成LLC（Logical Link Control，逻辑链路控制）和MAC（Media Access Control，介质访问控制）两个子层。上面的LLC子层实现数据链路层与硬件无关的功能，比如流量控制、差错恢复等；较低的MAC子层提供LLC和物理层之间的接口

优点：

• 过滤通信量
• 扩大物理范围
• 提高可靠性
• 互联不同物理层、不同MAC子层、不同速率的局域网

缺点：

• 存储转发增加时延

在转发帧之前必须执行CSMA/CD算法。若在发送过程中出项碰撞，则必须停止发送和进行退避

• 在MAC子层没有流量控制功能
• 具有不同的MAC子层的网段桥接在一起时时延更大
• 当用户过多时，因传播过多的广播信息有时会引起广播风暴

 

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网桥分类为以下三种：

透明网桥

“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。

透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。

目前使用得最多的网桥。

 

生成树算法（STA）：

有时为了增加网络的可靠性，在使用交换网络时，往往会增加一些冗余链路。此时，在自学习的过程中可能产生环路，为解决此问题，设计了生成树协议STP

在物理上保持冗余线路，在逻辑上切断某些线路

STP的基本思想就是生成“一棵树”，树的根是一个称为根桥的交换机，根据设置不同，不同的交换机会被选为根桥，但任意时刻只能有一个根桥。由根桥开始，逐级形成一棵树，根桥定时发送配置报文，非根桥接收配置报文并转发，如果某台交换机能够从两个以上的端口接收到配置报文，则说明从该交换机到根有不止一条路径，便构成了循环回路，此时交换机根据端口的配置选出一个端口并把其他的端口阻塞，消除循环。当某个端口长时间不能接收到配置报文的时候，交换机认为端口的配置超时，网络拓扑可能已经改变，此时重新计算网络拓扑，重新生成一棵树。

 

归纳为以下三个步骤:

选择根网桥

1. 　　网桥ID最小

　　网桥ID：是一个8Byte的字段，前面2Byte的十进制数为网桥优先级，后6Byte是网桥的MAC地址

选择根端口

　　选择根网桥后，网络中的每台交换机要和根网桥建立关联，此时STP开始选择根端口。每个非根网桥上存在一个根端口，从而选择出一个根端口

1. 　　到根路径成本最低
2. 　　最小的直连发送方网桥ID
3. 　　最小的发送方端口ID

选择指定端口

　　选择玩根网桥和根端口后，一个树形结构初步形成，但是所有链路仍连接在一起，并可以处于活动状态，最后导致环路。为了消除这种可能，STP进行最后计算，在每一个网段上选择一个指定端口

1. 　　路径成本最低
2. 　　所在交换机网桥ID最小
3. 　　所在交换机端口ID最小

源路由网桥

 

多接口网桥（以太网交换机）

转发表（又称交换表、地址表）组成：

• 源地址
• 网桥的接口地址
• 帧进入该网桥的时间

交换表中的每个项目都设有一定的有效时间。过期的自动被删除

 

网桥按自学习算法建立转发表

原理：

若从主机A发出的帧经过接口1进入某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向可把一个帧传送到主机A。

网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。

在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。

一开始，交换表内容是空的。若A向B发送一帧，从接口1进入交换机，交换机收到帧后，查找交换表，，没有地址信息，接着，交换机吧这个帧的源地址A和接口地址1写入交换表，并向除接口1外的所有接口广播这个帧。C、D将丢弃此帧，只有B收下这个目的地址正确的帧，假定接着从B向A发送一帧，查找交换表，存在A的地址，于是将这个帧通过接口1发送出去，同时转发表中添加（B，2）项目

 

转发帧时，查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目
　　如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）进行转发
　　如有，则按转发表中给出的接口进行转发
　　若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）