计算机网络-扩展以太网

1 在物理层扩展以太网

1.1 使用光纤扩展

主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器，很容易使主机和几公里以外的集线器相连接

光纤：光纤是光纤通信的传输媒体，在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传递

• 光纤的原理是使用光的全反射，如图，光纤分为内纤芯和外包层，由于纤芯的折射率大于包层的折射率，当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，光也就沿着光纤传输下去
  
  只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射
  

1.2 使用集线器扩展

将多个以太网段连成更大的、多级星形结构的以太网，如某个部门有一系，二系，三系通过集线器扩展

集线器：集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大转发，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于“物理层”

• 如下图是具有三个接口的集线器：
  

优点：

1. 使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信
2. 扩大了以太网覆盖的地理范围

缺点：

1. 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高
2. 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

碰撞域：

• 碰撞域（collision domain）又称为冲突域，是指网络中一个站点发出的帧会与其他站点发出的帧产生碰撞或冲突的那部分网络
• 碰撞域越大，发生碰撞的概率越高
  

2 在数据链路层扩展以太网-网桥

• 扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行
• 早期使用网桥，现在使用以太网交换机
  

2.1 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
• 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
• 网桥的内部结构如下图
  

优点：

1. 过滤通信量，扩大了物理范围，提高了可靠性
2. 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

缺点：
3. 存储转发增加了时延，在MAC 子层并没有流量控制功能，具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大
4. 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

网桥使各网段成为隔离开的碰撞域：

网桥和集线器不同：

1. 集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测
2. 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法，若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避
3. 集线器工作在物理层，网桥工作在数据链路层

2.1.1 透明网桥

• 目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)
• “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

网桥的工作原理是将接收到的帧进行过滤转发，所以转发表的建立是网桥中至关重要的问题，网桥应当按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表：

• 若站点A发送一个帧从网桥的某一接口x进入网桥，那么反之从街口x沿着反方向则一定能返回到站点A
• 网桥每次收到一个帧，就记录下发送站点的源地址和进入网桥的接口号，作为转发表中的一项
• 在创建转发表时，就叫发送方的源地址写在地址栏处，同时记录下进入网桥的接口，在后续转发帧时则可以查询转发表确定转发的接口

建立转发表过程举例：

1. 如下图由网桥1和网桥2连接了三个网段LAN1，LAN2和LAN3，实现了三个网段的互联，两个网桥各有端口1和端口2
2. 网桥1和网桥2初始的时候转发表都为空，现图中LAN1网段中的站点A向站点B发送数据帧，网桥1会从它的端口1收到该数据帧并查找转发表，此时在转发表中未找到目的地址为B的记录，此时网桥1就向除端口1以外的其他端口广播这个数据帧，那么这个帧就广播到了网桥1的端口2所连接的LAN2上，网桥1发现源MAC地址不在自己的转发表中，就将源地址A写入到自己的转发表中并记录下进入网桥1的端口号
3. 在发送广播时，网桥2的端口1也收到了这个数据帧，就查找转发表，在转发表中也未找到目的地址为B的目的地址，此时网桥2就向除端口1之外的其他端口转发这个数据帧，此时这个数据帧就广播到了网桥2的端口2所连接的LAN3中，网桥2发现源MAC地址A不在转发表中，就将源地址A的MAC地址写入网桥2的转发表中并记录进入网桥2的端口号1
4. 当LAN3上的站点F向LAN2上的站点C发送数据帧时，网桥2是从端口2接收到站点F发送过来的数据帧，在转发表中未找到目的地址为C的转发表项，此时端口2就向除端口2以外的其他端口转发这个数据帧，这个数据帧就广播到了网桥2的端口1所连接的LAN2，LAN2中的所有站点都可以收到这个数据帧，此时LAN2中的站点C发现这个数据帧时发给自己的就接收这个数据帧，其他站点发现不是给自己的就丢弃数据帧，网桥2发现源地址F不在转发表中，并记录下源地址F和进入网桥2的端口号，网桥1的端口2因为连接这LAN2也会受到广播F发给C的数据帧，网桥1的转发表中未找到转发表项，所以网桥1向除端口2以外的其他端口转发，这个数据帧就转发到了网桥1的端口1上，此时网桥1发现站点F不在其转发表上，就在转发表中记录下站点F的源地址和进入网桥1的端口号
   

通过上述过程我们可以发现建立转发表是通过不断的发送广播来实现的，但是若有的网络为环形网络，此时这个数据帧会一直在网络在“转圈圈”，在透明网桥中，为了避免这个问题，引入了生成树算法

3 在数据链路层扩展以太网-交换机

• 在第二节中所讲的网桥扩展方法是早起的一种方法，现在使用的方法是以太网交换机，以太网交换机通常都有十几个接口。因此，以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，可见交换机工作在数据链路层
• 以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式，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通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据，以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，通过硬件来转发就比靠软件转发的网桥速度快得多，所以交换机的出现很快的就淘汰掉了网桥
  
• 用户独享带宽，增加了交换机总带宽，如下图，用集线器扩展的以太网，要平分带宽，而用交换机扩展的以太网，每个站点独享带宽
  
• 在逻辑上，以集线器扩展的以太网，本质还是总线型以太网，必须采用CSMA/CD协议来处理碰撞，并且只能以半双工模式工作，而交换机采用的是星型以太网，不使用共享总线，没有碰撞问题，不必使用CSMA/CD，且采用全双工模式工作，但仍使用以太网帧的结构
  

3.1 以太网交换机的交换方式

1. **存储转发方式：**把整个数据帧先缓存后再进行处理
2. **直通 (cut-through) 方式：**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，缺点是它不检查差错就直接将帧转发出去，因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站

3.2 以太网交换机的自学习功能

交换机的转发依然是依赖于转发表，以太网交换机运行自学习算法自动维护转发表