数据通信与网络：CH15 Connecting LANs, Backbone Networks, and Virtual LANs

CH15：Connecting LANs, Backbone Networks, and Virtual LANs

15.1 Connecting Device

连接设备分为5类：

15.1.1 Passive hub

无源集线器只是个连接器，连接来自不同分支的线路。

在星型拓扑中，无源集线器只是一个来自不同站点的信号冲突点，集线器是冲突点。无源集线器工作在物理层以下。

15.1.2 Repeater

（1）工作层次

repeater仅工作在物理层。

（2）功能

• 信号的重生

中继器能够接收信号，在信号变得很弱或者北破坏前，重新生成原始的位模式，然后发送新生成的信号。中继器只重新生成信号，并不放大信号。

• 连接一个局域网的两段

**中继器实际并不能连接两个局域网，连接的是同一局域网的两个分段。**所连接的网段仍然是一个局域网的一部分。中继器不能连接采用不同协议的两个局域网。

中继器可以克服10Base5以太网标准的长度限制。使用中继器连接各个网段segement。

• 没有过滤能力

过滤帧的能力：读取帧首部信息，决定是否转发，如何转发。

中继器转发每一帧，没有过滤能力。

中继器常用于星型拓扑结构中，可以多级级联。

15.1.3 Active Hub

（1）工作层次

有源集线器是一个多端口的中继器。常用于星型拓扑中。

集线器和网线一样工作在物理层，功能和网线一样，只是将数字信号发送到其他的端口，不能识别帧首部的信息。

（2）功能

数字信号发送到其他的端口。

（3）带宽和广播域

• 带宽

集线器组建的以太网共享带宽，计算机数量越多，平均带宽就越低。

• 安全性

无论MAC地址是否是自己的，都能捕获。

• 冲突域

级联以后的以太网计算机处于一个冲突域内。增大了冲突的概率，每台计算机分到的带宽也降低了。

• 接口带宽

相联的接口带宽要一样。如果数据速率不一致，那么工作在较低的数据速率，因为集线器接口不能缓存帧。

15.1.4 Bridge

（1）工作层次

网桥工作在物理层和数据链路层。

• 用作物理设备时，重新生成接收到的信号。
• 作为数据链路层设备时，可以检查帧包含的MAC地址

（2）Filtering

网桥与中继器不同的地方在于网桥有过滤功能。

网桥具有一个用过过滤决策的表，有过滤作用。转发帧时必须指定端口。检查帧的目的地址。

（3）网桥组网的特点

网桥基于MAC地址转发帧，转发之前运行CSMA/CD算法。

网桥的一个接口是一个冲突域，冲突域的数量增加，但是冲突的概率减少。

实现帧的存储转发，增加了时延。

网桥的接口可以是不同的带宽。

（4）Tranparent Bridges

透明网桥指的是站点意识不到桥的存在。

802.1d规定了透明网桥的特点：

• 帧必须能从一个站点转发到另一个站点
• 学习帧中的地址，自动建立转发表
• 避免形成循环Loop问题

a.学习型网桥的学习过程

b. Loop Question

c. Spanning Tree

生成树是一个没有循环路径的图，用于建立到达其他的LAN的唯一路径

需要基于某种度量：最小跳数，最小延迟，最短队列，最大带宽…选择最小代价。

假设：从网桥到LAN的跳数为1，从LAN到网桥的跳数为0

• 每个网桥广播其ID，选择最小ID的网桥作为根网桥
• 找出从根网桥到其他网桥或者LAN的最短路径
• 最短路径组合生成树
• 标记转发端口和阻塞端口

端口阻塞是在软件上阻塞，物理上仍连接。提高网络的可靠性。

（5）Source Routing Bridges

防止环路的另一种方法：使用源路由网桥

在源路由算法中，发送站点指定帧必须经过的网桥。这些网桥的地址包含在帧中。帧中不仅包含了源地址和目的地址还包含了所有要经过的网桥地址。

（6）用网桥连接不同的局域网

• 帧格式
  • 有线局域网
  • 无线局域网
• 最大数据长度
  • 以太网1518bytes
• 数据速率
• 位顺序
• 安全
• 多媒体支持

15.1.5 Two-Layers Switches

两层交换机是一个拥有许多端口并且有更好更快性能的网桥。

多端口的网桥可以给每个站点分配唯一的端口，每个站点都作为独立的实体。没有冲突。

（1）两层交换机的特点

• 端口独享带宽，Hub是共享带宽
• 安全：交换机根据MAC地址只转发到目标端口
• 全双工通信
• 不再使用CSMA/CD
• 接口可以工作在不同的频率，交换机使用存储转发技术
• 转发广播帧：转发除了发送端口以外的其他端口

（2）二层交换机的类型

a.存储转发式 Store and forward

从输入线路上接收帧，缓存，通过路由选择将其发送到适当的输出线路上。发送方和接收方存在延迟，增进了网络的整体一致性。

b.直通式 Cut through

利用了目的地址总是出现在MAC帧的最前面的特点。交换机识别出目的地址后就将帧转发到适当的输出线路能够达到很高的吞吐量。

15.1.6 Routors

路由表中包含了下面的信息：

• 目的地址
• 掩码
• 输出接口
• 下一跳的IP地址：说明IP数据报所经由的下一个路由器的接口地址

15.1.7 Three Layers Switches

三层交换机是路由器，但是更快且更复杂

15.1.8 Gateway

网关在网络层实现互联，是复杂的网络互联设备。

15.2 Backbone Networks

连接设备可以用来在主干网中连接局域网。

主干网允许连接多个局域网，站点不直接连到主干上，站点是局域网的一部分，有主干连接这些局域网。

主干网本身也是使用局域网协议的。
$$\{\begin{array}{l}BusBackbone\\ StarBackbone\end{array}$$

15.2.1 Bus Backbone

如果一个站点要向同一个LAN中的另一个站点发送帧，相应的网桥阻塞该帧，到达不了主干。

如果一个站点要向另一个LAN中的站点发送帧，网桥将帧传送到主干网，由适当的网桥接收。

15.2.2 Star Backbone

15.3 Virtual LAN

15.3.1 VLAN的概念

通过软件而不是物理线路来配置一个局域网，称为虚拟局域网。

VLAN以局域网交换技术为基础，通过交换机内部软件功能，实现将网络中的主机按照功能，应用或者部门等因素构成的工作组或者逻辑网段，将这些逻辑网段有独立的冲突域和广播域。

15.3.2 VLAN的特点

• 一个LAN可以划分为多个VLAN，每个VLAN是一个工作组。
• 允许连接在不同的交换机上的站点组成一个VLAN。
• 同一个VLAN中的站点通信时，就像他们属于同一个物理网段一样。
• VLAN将属于一个或者多个物理站点的LAN分组到一个广播域中。

15.3.3 VLAN的划分方式

基于端口：使用交换机的端口

基于MAC地址：使用48位MAC地址，规定某个MAC地址的主机属于某个VLAN

基于IP地址：32位IP地址

基于多播IP地址

15.3.4 默认VLAN

默认VLAN是交换机初始就有的VLAN，通常ID为1，所有的接口都处于这个VLAN下，这就是所有设备连接到交换机上就能相互通信的原因。

VLAN ID最多有$2^{12}$个，VLAN0和VLAN4095保留。

15.3.5 交换机的三种链路类型

• access模式：与计算机端口直连
• trunk模式：允许多个VLAN帧通过
• hybrid模式

地址，规定某个MAC地址的主机属于某个VLAN

基于IP地址：32位IP地址

基于多播IP地址

15.3.4 默认VLAN

默认VLAN是交换机初始就有的VLAN，通常ID为1，所有的接口都处于这个VLAN下，这就是所有设备连接到交换机上就能相互通信的原因。

VLAN ID最多有$2^{12}$个，VLAN0和VLAN4095保留。

15.3.5 交换机的三种链路类型

• access模式：与计算机端口直连
• trunk模式：允许多个VLAN帧通过
• hybrid模式