第4章 数据链路层_扩展以太网

Posted 2020-09-22 浅墨浓香

4. 扩展以太网

4.1 集线器（hub）

（1）集线器组网

　　①10BASE-T双绞线以太网的通信距离短，每个站到集线器的距离不超过100m（注意，10表示10Mb/s的数据传输率，BASE表示连接线上的信号是基带信号，T代表双绞线）

　　②集线器组成的以太网中的计算机共享带宽，计算机数量越多，平分下来的带宽越低。

　　③集线器和网线一样工作在物理层，它的功能和网线一样，只是将数字信号发送到其他端口，并不能识别哪些数字信号是同步码、哪些是帧定界符、哪些是网络层数据首部。

（2）计算机数量和距离扩展和冲突域问题

 

　　①可以将多个集线器通过网线、集线器或光纤连接起来形成一个更大的以太网，这不仅可以扩展以太网中计算机的数量，也可以扩展以太网的覆盖范围。

　　②相连的集线器要求每个接口带宽要一样。教室1是10M以太网，教室2是100M以太网，连接之后只能工作10M的速率上，这是因为集线器接口不能缓存帧。

　　③多集线器组成的以太网是一个大的以太网，形成一个大的冲突域。如上图，计算机A组B发送帧时，数字信号会通过集线器之间的网线达到集线器2的所有接口，这里D和E不能通信，形成一个大的冲突域。

4.2 网桥

（1）网桥设备的引入

　　①一个接口一个冲突域，将冲突域控制在一个小范围。由于将一个大冲突域划分成多个小冲突域，所以冲突域数量增加了，但冲突减少了，优化以以太网。

　　②网桥中有个MAC地址表，该表记录了MAC地址和对应的转发接口的关系。网桥根据帧的目标MAC地址选择转发的接口，这意味着网桥能看懂链路层的首部和尾部，因此工作在数据链路层。

　　③网桥接口具有帧缓存能力，能实现帧的存储转发，但这也增加了时延。同时由于具有缓存能力，也可以连接不同的带宽。

（2）网桥转发帧

 

　　①网桥接口收到一个帧，会进行CRC检验该帧是否有错。如果出错则直接丢弃。

　　②如果没错，会利用帧的目标MAC地址去查找MAC地址表对应的出口。当MAC地址表中有相应的转发端口，则转发到该端口。如果没有，则将该帧转发到全部端口（除接收端口），而如果转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则会丢弃该帧（如A->B时，由于目标B对应的端口是E0，即该帧的入口和出口都是E0，说明不需要转发，会被丢弃）。

　　③选择好出口以后，在转发出去之前还要运行CSMA/CD协议，以防止发生碰撞或进行必要的退避，然后才能将帧发送出去。

（2）网桥的自学习（构建MAC地址的过程）

 

　　①网桥接入以太网时，MAC地址表是空的。网桥会在计算机通信过程中自动构建MAC地址表，这称为“自学习”。（注意，构建MAC地址表是根据源MAC来学习的。而转发帧是根据目标MAC地址来查找MAC地址表的转发端口的。）

　　②网桥接口收到一个帧时，会先检查MAC地址中与收到的帧的源MAC有无匹配的项目。

　　③如果没有匹配的项目，就在MAC地址表中添加该接口与该帧的源MAC地址的对应关系（用以表示该源MAC位于接口的一侧）以及进入接口的时间。同时该帧转发到网桥所有的其他接口出去（除接收帧的接口）

　　④如果有匹配项目，则对原来的项目进行更新。因为这种对应关系是临时的，有一定的时效性，这是为了适应网络中计算机发生的调整。

　　⑤完整的地址映射表如，E0接口对应的MAC地址有MA、MB，即E0左侧的计算机。E1接口对应的MC、MD、ME、MF，即E1右侧的计算机。E2接口对应的MAC地址有MA、MB、MC、MD，即E2左侧的计算机。E3接口对应ME、MF，即E3右侧的计算机，以此类推。

4.3 交换机（多接口网桥）

（1）网桥的进化：随着技术不断发展，网桥接口越来越多，网桥就可以直接连接计算机，网桥也发展成现在的交换机。

（2）交换机组网的特点（与集线器组网相比）

　　①端口独享带宽，每个端口中独享带宽。这和集线器的共享带宽不同。

　　②更安全，交换机根据MAC地址表只转发到目标端口，其他端口是收不到的，也就无法用抓包工具抓取数据。

　　③全双工通信：交换机和计算机直接连接，每个端口与一台计算机相连，不需要监听链路是否有冲突，所以不再使用CSMA/CD协议（被直接转发了，可理解为不需要协议），只有当它与集线器相连时才会工作在半双工模式。注意集线器只能工作在半双工模式。

　　④接口可以工作在不同的速率，因为端口有存储功能。

　　⑤会转发广播帧：广播帧的目标MAC地址为48位全1的二进制。注意交换机组成的网络是一个大的冲突域，这与集线器组网一样。

（3）实战：查看交换机的MAC地址表（用路由器来充当交换机，查看命令:show mac-address-table）

4.4 生成树协议

（1）双汇聚层网络架构

 

　　①双汇聚层：当企业的业务对网络要求比较高，不允许长时间网络中断。为了让网络更加可靠，可在网络中部署两个的汇聚层交换层。如此，即便一个汇聚层交换层坏掉或断掉一条链路，接入层交换机可通过另一个汇聚层访问网络。

　　②有环路，可能形成广播风暴。

　　③交换机为了避免广播风暴，使用生成树（Spainning tree）协议来阻断环路，因为树状结构是没有环的。

（2）生成树协议的算法过程：选择根网桥、选择根端口、选择指定端口。

 

　　①选择根交换机：再全网中选择一个根交换机。会选择网桥ID值最小的作为根交换机。其中的ID值由两部分组成：交换机的优先级和MAC地址（这个MAC地址是全局的，用来管理交换机用的）。如果交换机的优先级相同则比较其MAC地址，地址值越小，就被选为根交换机。（改变交换机的优先级的命令,如Switch(config)#spanning-tree vlan 1 priority 4096）

　　②选择根端口：在每个非根交换机上选择根端口。首先比较根路径成本，根路径取决于链路的带宽，带宽越大，路径成本越低，则选择该端口为根端口。其次如果根路径成本相同，则要比较所在交换机的ID值，值越小，则其优先级越高。最后比较端口ID值，该值分为两 部分：端口优先级和端口编号，值小的被选为根端口。

　　③选择指定端口：在每条链路上选择一个指定端口（注意，根交换机上所有端口都是指定端口）。首先比较根路径成本，其次比较端口所在交换机的ID值，最后比较端口的ID值。（注意，交换机上的端口有三种类型：根端口、指定端口和阻断端口。指定端口和根端口都处于转发状态。阻断端口不能转发数据帧，处于阻断状态）