计算机网络扩展以太网本节课内容n物理层扩展以太网n在数据链路层扩展以太网n高速以太网3.5.1 在物理层扩展局域网n一个学院的三个系各有一个10BASE-T局 域网(如图5-10(a)所示)，可通过一个主 干集线器互相连接起来，成为一个更大 的扩展的局域网(如图5-10(b)所示)。图5-10 用多个集线器连成更大的局域网n优点n使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进 行跨碰撞域的通信。n扩大了局域网覆盖的地理范围。n缺点n碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。n如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能 用集线器将它们互连起来。 用集线器扩展局域网 n在数据链路层扩展局域网是使用网桥。n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。n网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时 ，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查 此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转 发到哪一个端口 3.5.2 在数据链路层扩展局域网 1. 网桥的内部结构 站表端口管理软件网桥协议实体端口 1端口 2缓存网段 B网段 A1 1 1 222站地址 端口网桥网桥n过滤通信量。 n扩大了物理范围。n提高了可靠性。n可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速 率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局 域网。 使用网桥带来的好处 n存储转发增加了时延。 n在MAC 子层并没有流量控制功能。 n具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延 更大。n网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和 通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播 过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓 的广播风暴。 使用网桥带来的缺点 用户层IPMAC站 1用户层IPMAC站 2物理层网桥 1网桥 2AB用户数据IP-HMAC-HMAC-TDL-HDL-T 物理层DLRMAC 物理层物理层DLRMAC物理层物理层LANLAN两个网桥之间还可使用一段点到点链路 R中继机制 H首部 T尾部 图5-12 两个网桥之间有点到点的链路n目前使用得最多的网桥是透明网桥 (transparent bridge)。 n“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。 n透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。 2. 透明网桥(1) 从端口 x 收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找目 的站 MAC 地址。 (2) 如有，则查找出到此 MAC 地址应当走的端口 d，然后进行(3)，否 则转到(5)。 (3) 如到这个 MAC 地址去的端口 d = x，则丢弃此帧（因为这表示不需 要经过网桥进行转发）。否则从端口 d 转发此帧。 (4) 转到(6)。 (5) 向网桥除 x 以外的所有端口转发此帧（这样做可保证找到目的站） 。 (6) 如源站不在转发表中，则将源站 MAC 地址加入到转发表，登记该帧 进入网桥的端口号，设置计时器。然后转到(8)。如源站在转发表中 ，则执行(7)。 (7) 更新计时器。 (8) 等待新的数据帧。转到(1)。网桥应当按照以下算法 处理收到的帧和建立转发表 n站地址：登记收到的帧的源 MAC 地址。n端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号。n时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。n转发表中的 MAC 地址是根据源 MAC 地址 写入的，但在进行转发时是将此 MAC 地址 当作目的地址。n如果网桥现在能够从端口 x 收到从源地址 A 发 来的帧，那么以后就可以从端口 x 将帧转发到 目的地址 A。 网桥在转发表中 登记以下三个信息 帧在网络中有可能不断地兜圈子局域网 2局域网 1网桥 2网桥 1AFF2F1不停地 兜圈子A 发出的帧 网桥 1 转发的帧 网桥 2 转发的帧网络资源白白消耗了假定帧F的目的地址均不在这两个网桥的转发表中透明网桥使用了支撑树算法n为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子 。n透明网桥使用了一个支撑树(spanning tree) 算法，即互连在一起的网桥在进行彼此通信后 ，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。n每隔几秒钟每一个网桥要广播其标识号(由 生产网桥的厂家设定的一个惟一的序号)和 它所知道的其他所有在网上的网桥。 n支撑树算法选择一个网桥作为支撑树的根( 例如，选择一个最小序号的网桥)，然后以 最短路径为依据，找到树上的每一个结点。 n当互连局域网的数目非常大时，支撑树的算 法很花费时间。这时可将大的互连网划分为 多个较小的互连网，然后得出多个支撑树。 支撑树的得出n透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。n源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路 由信息放在帧的首部中。n源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧 ，每个发现帧都记录所经过的路由。n发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源 站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出 一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的 首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。 3. 源路由网桥n4多端口网桥以太网交换机n1990年问世的交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。交换式集线器常称为以太网交 换机(switch)或第二层交换机(表明这种 交换机工作在数据链路层)。n “交换机”并无准确的定义和明确的概念，而现在的很多交换机已混杂了网桥和路由器的功能。n以太网交换机实质上就是一个多端口的 网桥。交换机原理n交换机和网桥的工作原理是一样的。即 查询MAC地址表转发。有一显著不同： 交换机是基于硬件的转发，可以实现更 高的端口密度和更快的转发速率。n交换机解决了冲突的问题，也解决了网 络带宽利用率的问题。共享式以太网与交换式以太网区别n共享以太网是一种广播网络，A发送数据 到B时，HUB本身没有智能，它会转发A 信息给网上的所有计算机，而C、D是不 需要的，是被动的。n对于普通10 Mbit/s的共享式以太网， 若共有N个用户，则每个用户占有的平均 带宽只有总带宽(10 Mbit/s)的N分之一。n交换机则是一个智能设备，通过查表进行转发，网上 可同时有多台计算机通信而互不干扰，互不影响。比 如机器A发送给机器B，与此同时，机器C可以发送数 据给机器D。就达到了网络带宽增加并避免了冲突的效 果。 交换式以太网功能交换式以太网地址学习功能n当网络络第一次使用时时 ，机器A发发送数据给给机 器C，当发发送数据通过过 交换换机的时时候，交换换 机是不知道机器C的地 址的，但是交换换机却 知道机器A的源地址， 据此，交换换机可以智 能的学习习到机器A的地 址表项项。智能转发n当机器A要转发转发 数据 至机器C的时时候，交 换换机可以检查检查 机器A 传传出的以太帧帧里的目 的MAC地址，查查表， 找到目的地址的端口 ，为为E2，然后交换换机 将机器A发发送的帧帧直 接发发至E2端口，而不 打扰扰E1和E3端口。这这 就是交换换机的智能转转 发发。交换机的转发与过滤 n机器A将数据发 送到机器C,从 e0端口上接收 到的帧会从e2 端口上送出来 ，这个过程叫 转发；而在这 个过程中不包 括对e1和e3的 操作，这个过 程叫过滤。 防止回路n靠stp（spanning-tree protocol-生 成树协议，STP协议是一个二层的链路 管理协议，它在提供链路冗余的同时防 止网络产生环路。）树实现。冲突域n在以太网中，如果某个CSMA/CD网络上的两台计算 机在同时通信时会发生冲突，那么这个CSMA/CD网 络就是一个冲突域。如果以太网中的各个网段以中继 器连接，因为不能避免冲突，所以它们仍然是一个冲 突域。n冲突域就是连接在同一导线上的所有工作站的集合,或 者说是同一物理网段上所有节点的集合,或以太网上竞 争同一带宽的节点集合 nHUB、网桥、交换机冲突域nHUB是无智能的信号驱动器，有入必出，整个 由HUB组成的网络是一个冲突域。 n用 网桥划分多个缆段，多个缆段之间没有冲突 ，但一个缆段中有冲突（各个缆段中用HUB连 接），一个缆段中的一个冲突是一个冲突域， 一个冲突域（即同一缆段中的）都能收到所有 被发送的帧，因为HUB是完全复制的n交换机的一个接口下的网络是一个冲突域，所 以交换机可以隔离冲突域。 交换机中每一个接口下的网络是一个冲突域。 它是由交换机隔开的一个个缆段或说网段 交换机广播域n是一个更大的概念，是指广播信息所能达到的 范围。比如一台机器发送一条以太广播信息， 最远能传到的地方，也就是广播域的范围。在 网络中，hub中继广播，桥和交换机中继广播 ，路由器不中继广播，也就是说，只要网络中 不经过路由器的以太广播都可以无限制的传播 。广播域是由路由器隔开的一个个网络。 n路由器的一个接口下的网络是一个广播域。所 以路由器可以隔离广播域。 广播域与冲突域n广播域(Broadcast Domain)是一个逻辑上的计算机组,该组内的 所有计算机都会收到同样的广播信息。n冲突域：在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的 帧n广播域：网络中能接收任一设备发出的广播帧的所有设备的集合n冲突域是基于第一层（物理层），广播域是基于第二层（数据链 路层）n广播域就是说如果站点发出一个广播信号后能接收到这个信号的 范围。通常来说一个局域网就是一个广播域。冲突域：一个站点 向另一个站点发出信号。除目的站点外，有多少站点能收到这个 信号。这些站点就构成一个冲突域。nHUB 所有端口都在同一个广播域，冲突域内。nSwitch所有端口都在同一个广播域内，而每一个端口 就是一个冲突域。nRouter的每个端口属于不同的广播域。n广播域消耗带宽浪费资源，比如A，B，C三台主机处 于同一个广播域，此时A需要向B发送数据包，但同时 C也可以收到该数据包，此时C需要进行处理判断之后 才能摒弃该数据包，这已经浪费了资源和带宽。 交换机特性n交换换机每个端口所连连接的缆缆段或说说网段都是 一个独立的冲突域。n交换换机所连连接的设备设备 仍然在同一个广播域内 ，也就是说说，交换换机不隔绝绝广播（唯一的例外 是在配有VLAN的环环境中）。n交换换机是依据帧头帧头 的信息进进行转发转发 ，因此交 换换机是一个工作在第二层层的网络设备络设备 。它不 检查检查 ip地址， 不检查检查 上层层的端口号，仅检查仅检查 以太帧帧的目的MAC地址。n数据转发转发 的分类类。1、直通转发转发 2、存储转发储转发n 在使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的数据率还是10 Mbit/s，但由于一个用户在通信时是独占的，而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽 ，因此，对于拥有N对端口的交换机的总 容量为N 10 Mbit/s。n 图5-14所示为一个以太网交换扩展局域网的例子。图5-14 用以太网交换机扩展局域网以太网交换机扩展局域网 广播风暴n以太网交换机使得冲突域被缩小到交换机的每 一个端口。但这些主机属于同一个广播域。网 络中任一台主机发送广播报文将转发给该广播 域内所有主机，这样网络利用率就会大大下降 。网络中传播过多广播信息而引起网络性能恶 化现象称为广播风暴。n为避免广播风暴，可减小广播域内的主机数， 也就是将大的广播域隔离成多个较小的广播域 ，这样主机发送的广播报文只能在自己所属的 某个小广播域内传送，从而提高整个带宽利用 率。n虚拟局域网，是一种通过将局域网内的设备逻辑 地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟 工作组的技术 n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。n这些网段具有某些共同的需求。n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是