2016.6.23 计算机网络复习要点第三章之扩展的以太网

Posted 2020-07-31 小春熙子

**扩展的以太网在网络层看来仍然是一个网络；

1.在物理层把以太网扩展：

 **以太网上的主机之间的距离不能太远（例如，10BASE-T以太网的两个主机之间的距离不超过200米），否则主机信号经过铜线的传输就会衰减到使CSMA/CD协议无法正常）

**现在扩展主机和集线器之间的距离的一种简单的方法就是使用光纤和一对光纤调制解调器：

**光纤调制解调器的作用就是进行电信号和光信号的转换，由于光纤带来的时延很小并且带宽很高，因此使用这种方法可以很容易的使主机和几公里以外的集线器相连接；

**多级结构的集线器以太网的好处：

①扩大了以太网上的计算机的通信范围；

②扩大了以太网覆盖的地理范围内；

**多级结构的集线器以太网的缺点：

①扩大了碰撞域（冲突域），吞吐量没变的情况下；

②如果不同的地区使用不同的以太网技术（如数据率不同），那么就不可能用集线器将它们互连（受制于最小的数据率，大家都会工作在最小的数据率下）；

 

2.在数据链路层把以太网扩展：

**在数据链路层扩展的以太网要使用网桥；

**网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤；

**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个接口，或者把它丢弃或过滤；

（1）网桥的内部结构：

**两个以太网通过网桥连接起来后，就成为一个覆盖范围更大的以他网，而原来的每个以太网就可以成为一个网段；

**网桥依靠转发表来转发帧，转发表也叫做转发数据库或路由表；网桥是通过内部的接口管理软件和网桥协议实体来完成上述操作的；

**网桥的好处：

①过滤通信量，增大吞吐量。网桥工作在MAC子层，可以使以太网各网段成为隔离开的碰撞域；

②扩大了物理范围，增加了整个以太网上工作站的最大数目；

③提高了可靠性，当网络出现故障时，一般只影响个别网段；

④可互连不同物理层，不同MAC子层和不同速率的以太网；

**网桥的缺点：

①由于网桥对接收的帧先存储和查找转发表，然后才转发，而转发之前，还必须执行CSMA/CD算法（发生碰撞时要退避），这就增加了时延；

②在MAC子层并没有流量控制功能，当网络上的负荷很重时，网桥中的缓存的存储空间可能会不够而发生溢出，以至于帧丢失；

③网桥只适合用户不太多的（不超过几百个）和通信量不太大的以太网，否则有时会因为传播过多的广播信息而产生网络拥塞，即广播风暴；

**网桥在转发帧时，不改变帧的源地址；

 

（2）透明网桥：

**目前使用最多的网桥是“透明网桥”，“透明”是指以太网上的站点并不知道发送的帧将经过哪几个网桥，以太网上的站点时看不见以太网上的网桥；

**透明网桥还是一种即插即用设备，意思是只要网桥接入局域网，不用人工配置转发表网桥就能工作；

**当网桥刚刚连接到以太网时，转发表是空的，网桥按照自学习算法处理收到的帧；

**自学习：若从某个站A发出的帧从接口x进入了某个网桥，那么从这个接口出发沿相反的方向一定可以把一个帧传送到A，所以网桥只要每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口；在建立转发表表时，把帧首部中的源地址写在“地址”一栏；在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发，这时就把在“地址”这一栏的下面已经记下的源地址当做目的地址，而把记下的进入接口当做转发接口；

**网桥和集线器（转发器）的区别:网桥是按存储转发的方式工作的，一定要先把整个帧收下来（但集线器和转发器是逐比特转发的）再处理，而不管其目的地址是什么；

**以下是网桥的自学习和转发帧的一些步骤：

①网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目；如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址，进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目更新；

②转发帧。查找转发表中与收到的帧的目的地址有无相匹配的的项目。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；但应注意，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；

③透明网桥还使用了一个生成树算法，即互连在一起的网桥进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集。在这个子集里，整个连通的网络中不存在回路，即在任何两个站之间只有一条路径；为了避免出现帧在网络中不断兜圈子。

 

（3）源路由网桥：

**源路由网桥是在发送帧时，把详细的路由信息放在帧的首部中。

**为了发现合适的路由，源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧作为探测之用；

**发现帧将在整个扩展的以太网中沿着所有可能的路由传送。在传送过程中，每个发现帧都记录所经过的路由，当这些帧到达目的站时，就沿着各自的路由返回源站；源站得知这些路由后，从所有可能的路由中选择一个最佳路由；

**发现帧还有一个重要的作用，就是帮助源站确定整个网络可以通过的帧的最大长度。

**源路由网桥对主机不是透明的，主机必须知道网桥的标识以及连接到哪一个网段上；使用源路由网桥可以利用最佳路由；可以实现负载均衡（信息量平均的分配到每一个网桥）；

 

（4）多接口网桥--以太网交换机：

**交换式集线器常称为以太网交换机或第二层交换机，表明这种交换机工作在数据链路层。

**以太网的交换机实质上就是一个多接口的网桥，和工作在物理层的转发器，集线器有很大的差别；

**以太网交换机的每个接口都，直接，与一个单个主机或另一个集线器相连（注意：普通网桥的接口往往是连接到以太网的一个网段），并且一般都工作在全双工方式； 

**当主机需要通信时，交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能，像，独占，传输媒体那样，无碰撞地传输数据；

**以太网交换机和透明网桥一样，也是一种，即插即用，设备，其内部的帧转发表也是通过自学习算法自动逐渐建立起来的；

**虽然许多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的交换方式；直通交换不必把整个数据帧先缓存后再进行处理，而是在接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的MAC地址决定该帧的转发接口，因而提高了帧的转发速度；

 

**利用以太网交换机可以很方便的实现虚拟局域网（VLAN）：

①虚拟局域网VLAN是由一些，局域网网段，构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。

②每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站属于哪一个VLAN；

③虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型的局域网；

④在虚拟局域网上的每一个站都可以收到，同一个虚拟局域网，上的，其他成员，所发出的广播；

⑤以太网交换机不向虚拟局域网以外的工作站传送广播信息；这样虚拟局域网就限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息而引起广播风暴；

⑥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工作站属于哪一个虚拟局域网；

 

**VLAN标记字段：

①VLAN标记字段的长度是4字节，插入在以太网MAC帧的源地址字段和类型字段之间；

②VLAN标记的前两个字节总是设置为0x8100，称为IEEE802.1Q标记类型；

③当数据链路层检测到MAC帧的源地址字段后边的两个字节的值是0x8100时，就知道现在插入了4字节的VLAN标记，于是接着就检查后面两个字节的内容；最后的12位是该局域网VLAN标识符VID，它唯一地标志了这个以太网是属于哪一个VLAN；

 

**以太网交换机的种类很多，例如“具有第三层特性的第二层交换机”和“多层交换机”：前者具有某些第三层的功能；后者可根据第三层的IP地址对分组进行过滤；