計算機網絡-擴展以太網

1 在物理層擴展以太網

1.1 使用光纖擴展

主機使用光纖和一對光纖調制解調器連接到集線器，很容易使主機和幾公里以外的集線器相連接

光纖：光纖是光纖通信的傳輸媒體，在日常生活中，由於光在光導纖維的傳導損耗比電在電線傳導的損耗低得多，光纖被用作長距離的信息傳遞

• 光纖的原理是使用光的全反射，如圖，光纖分爲內纖芯和外包層，由於纖芯的折射率大於包層的折射率，當光線從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時，其折射角將大於入射角。因此，如果入射角足夠大，就會出現全反射，光也就沿着光纖傳輸下去
  
  只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大於某個臨界角度，就可產生全反射
  

1.2 使用集線器擴展

將多個以太網段連成更大的、多級星形結構的以太網，如某個部門有一系，二系，三系通過集線器擴展

集線器：集線器的主要功能是對接收到的信號進行再生整形放大轉發，以擴大網絡的傳輸距離，同時把所有節點集中在以它爲中心的節點上。它工作於“物理層”

• 如下圖是具有三個接口的集線器：
  

優點：

1. 使原來屬於不同碰撞域的以太網上的計算機能夠進行跨碰撞域的通信
2. 擴大了以太網覆蓋的地理範圍

缺點：

1. 碰撞域增大了，但總的吞吐量並未提高
2. 如果不同的碰撞域使用不同的數據率，那麼就不能用集線器將它們互連起來

碰撞域：

• 碰撞域（collision domain）又稱爲衝突域，是指網絡中一個站點發出的幀會與其他站點發出的幀產生碰撞或衝突的那部分網絡
• 碰撞域越大，發生碰撞的概率越高
  

2 在數據鏈路層擴展以太網-網橋

• 擴展以太網更常用的方法是在數據鏈路層進行
• 早期使用網橋，現在使用以太網交換機
  

2.1 網橋

• 網橋工作在數據鏈路層，它根據 MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉發
• 網橋具有過濾幀的功能。當網橋收到一個幀時，並不是向所有的接口轉發此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然後再確定將該幀轉發到哪一個接口
• 網橋的內部結構如下圖
  

優點：

1. 過濾通信量，擴大了物理範圍，提高了可靠性
2. 可互連不同物理層、不同 MAC 子層和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太網）的局域網

缺點：
3. 存儲轉發增加了時延，在MAC 子層並沒有流量控制功能，具有不同 MAC 子層的網段橋接在一起時時延更大
4. 網橋只適合於用戶數不太多(不超過幾百個)和通信量不太大的局域網，否則有時還會因傳播過多的廣播信息而產生網絡擁塞。這就是所謂的廣播風暴

網橋使各網段成爲隔離開的碰撞域：

網橋和集線器不同：

1. 集線器在轉發幀時，不對傳輸媒體進行檢測
2. 網橋在轉發幀之前必須執行 CSMA/CD 算法，若在發送過程中出現碰撞，就必須停止發送和進行退避
3. 集線器工作在物理層，網橋工作在數據鏈路層

2.1.1 透明網橋

• 目前使用得最多的網橋是透明網橋(transparent bridge)
• “透明”是指局域網上的站點並不知道所發送的幀將經過哪幾個網橋，因爲網橋對各站來說是看不見的

網橋的工作原理是將接收到的幀進行過濾轉發，所以轉發表的建立是網橋中至關重要的問題，網橋應當按照以下自學習算法處理收到的幀和建立轉發表：

• 若站點A發送一個幀從網橋的某一接口x進入網橋，那麼反之從街口x沿着反方向則一定能返回到站點A
• 網橋每次收到一個幀，就記錄下發送站點的源地址和進入網橋的接口號，作爲轉發表中的一項
• 在創建轉發表時，就叫發送方的源地址寫在地址欄處，同時記錄下進入網橋的接口，在後續轉發幀時則可以查詢轉發表確定轉發的接口

建立轉發表過程舉例：

1. 如下圖由網橋1和網橋2連接了三個網段LAN1，LAN2和LAN3，實現了三個網段的互聯，兩個網橋各有端口1和端口2
2. 網橋1和網橋2初始的時候轉發表都爲空，現圖中LAN1網段中的站點A向站點B發送數據幀，網橋1會從它的端口1收到該數據幀並查找轉發表，此時在轉發表中未找到目的地址爲B的記錄，此時網橋1就向除端口1以外的其他端口廣播這個數據幀，那麼這個幀就廣播到了網橋1的端口2所連接的LAN2上，網橋1發現源MAC地址不在自己的轉發表中，就將源地址A寫入到自己的轉發表中並記錄下進入網橋1的端口號
3. 在發送廣播時，網橋2的端口1也收到了這個數據幀，就查找轉發表，在轉發表中也未找到目的地址爲B的目的地址，此時網橋2就向除端口1之外的其他端口轉發這個數據幀，此時這個數據幀就廣播到了網橋2的端口2所連接的LAN3中，網橋2發現源MAC地址A不在轉發表中，就將源地址A的MAC地址寫入網橋2的轉發表中並記錄進入網橋2的端口號1
4. 當LAN3上的站點F向LAN2上的站點C發送數據幀時，網橋2是從端口2接收到站點F發送過來的數據幀，在轉發表中未找到目的地址爲C的轉發表項，此時端口2就向除端口2以外的其他端口轉發這個數據幀，這個數據幀就廣播到了網橋2的端口1所連接的LAN2，LAN2中的所有站點都可以收到這個數據幀，此時LAN2中的站點C發現這個數據幀時發給自己的就接收這個數據幀，其他站點發現不是給自己的就丟棄數據幀，網橋2發現源地址F不在轉發表中，並記錄下源地址F和進入網橋2的端口號，網橋1的端口2因爲連接這LAN2也會受到廣播F發給C的數據幀，網橋1的轉發表中未找到轉發表項，所以網橋1向除端口2以外的其他端口轉發，這個數據幀就轉發到了網橋1的端口1上，此時網橋1發現站點F不在其轉發表上，就在轉發表中記錄下站點F的源地址和進入網橋1的端口號
   

通過上述過程我們可以發現建立轉發表是通過不斷的發送廣播來實現的，但是若有的網絡爲環形網絡，此時這個數據幀會一直在網絡在“轉圈圈”，在透明網橋中，爲了避免這個問題，引入了生成樹算法

3 在數據鏈路層擴展以太網-交換機

• 在第二節中所講的網橋擴展方法是早起的一種方法，現在使用的方法是以太網交換機，以太網交換機通常都有十幾個接口。因此，以太網交換機實質上就是一個多接口的網橋，可見交換機工作在數據鏈路層
• 以太網交換機的每個接口都直接與主機相連，並且一般都工作在全雙工方式，交換機能同時連通許多對的接口，使每一對相互通信的主機都能像獨佔通信媒體那樣，進行無碰撞地傳輸數據，以太網交換機由於使用了專用的交換結構芯片，通過硬件來轉發就比靠軟件轉發的網橋速度快得多，所以交換機的出現很快的就淘汰掉了網橋
  
• 用戶獨享帶寬，增加了交換機總帶寬，如下圖，用集線器擴展的以太網，要平分帶寬，而用交換機擴展的以太網，每個站點獨享帶寬
  
• 在邏輯上，以集線器擴展的以太網，本質還是總線型以太網，必須採用CSMA/CD協議來處理碰撞，並且只能以半雙工模式工作，而交換機採用的是星型以太網，不使用共享總線，沒有碰撞問題，不必使用CSMA/CD，且採用全雙工模式工作，但仍使用以太網幀的結構
  

3.1 以太網交換機的交換方式

1. **存儲轉發方式：**把整個數據幀先緩存後再進行處理
2. **直通 (cut-through) 方式：**接收數據幀的同時就立即按數據幀的目的 MAC 地址決定該幀的轉發接口，因而提高了幀的轉發速度，缺點是它不檢查差錯就直接將幀轉發出去，因此有可能也將一些無效幀轉發給其他的站

3.2 以太網交換機的自學習功能

交換機的轉發依然是依賴於轉發表，以太網交換機運行自學習算法自動維護轉發表