計算機網絡原理筆記 第三章 數據鏈路層（三）

3.5 擴展的以太網

3.5.1在物理層擴展以太網

• 主機使用光纖和一對光纖調制解調器連接到集線器
• 某大學有三個系，各自有一個局域網
  
• 用集線器組成更大的局域網都在一個碰撞域中
  
  用集線器擴展局域網

優點：

• 使原來屬於不同碰撞域的局域網上的計算機能夠進行跨碰撞域的通信。

• 擴大了局域網覆蓋的地理範圍。

缺點：

• 碰撞域增大了，但總的吞吐量並未提高。
• 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。

3.5.2在數據鏈路層擴展以太網

• 在數據鏈路層擴展局域網是使用網橋。

• 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

網橋使各網段成爲隔離開的碰撞域

使用網橋帶來的好處

• 過濾通信量。

• 擴大了物理範圍。

• 提高了可靠性。

• 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：

• 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。

• 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。

網橋和集線器（或轉發器）不同

• 集線器在轉發幀時，不對傳輸媒體進行檢測。

• 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。

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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。

  • 透明網橋是一種即插即用設備，其標準是 IEEE 802.1D。
    

自學習算法

按照以下自學習算法處理收到的幀和建立轉發表

• 若從 A 發出的幀從接口 x 進入了某網橋，那麼從這個接口出發沿相反方向一定可把一個幀傳送到 A。

• 網橋每收到一個幀，就記下其源地址和進入網橋的接口，作爲轉發表中的一個項目。

• 在建立轉發表時是把幀首部中的源地址寫在“地址”這一欄的下面。

• 在轉發幀時，則是根據收到的幀首部中的目的地址來轉發的。這時就把在“地址”欄下面已經記下的源地址當作目的地址，而把記下的進入接口當作轉發接口。

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網橋在轉發表中登記以下三個信息

在網橋的轉發表中寫入的信息除了地址和接口外，還有幀進入該網橋的時間。

•這是因爲以太網的拓撲可能經常會發生變化，站點也可能會更換適配器（這就改變了站點的地址）。另外，以太網上的工作站並非總是接通電源的。

•把每個幀到達網橋的時間登記下來，就可以在轉發表中只保留網絡拓撲的最新狀態信息。這樣就使得網橋中的轉發表能反映當前網絡的最新拓撲狀態。

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網橋的自學習和轉發幀的步驟歸納

網橋收到一幀後先進行自學習。查找轉發表中與收到幀的源地址有無相匹配的項目。如沒有，就在轉發表中增加一個項目（源地址、進入的接口和時間）。如有，則把原有的項目進行更新。

• 轉發幀。查找轉發表中與收到幀的目的地址有無相匹配的項目。
  • 如沒有，則通過所有其他接口（但進入網橋的接口除外）按進行轉發。
  • 如有，則按轉發表中給出的接口進行轉發。
  • 若轉發表中給出的接口就是該幀進入網橋的接口，則應丟棄這個幀（因爲這時不需要經過網橋進行轉發）。

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透明網橋使用了生成樹算法

• 這是爲了避免產生轉發的幀在網絡中不斷地兜圈子。
  

生成樹的得出

• 互連在一起的網橋在進行彼此通信後，就能找出原來的網絡拓撲的一個子集。在這個子集裏，整個連通的網絡中不存在迴路，即在任何兩個站之間只有一條路徑。

• 爲了避免產生轉發的幀在網絡中不斷地兜圈子。

• 爲了得出能夠反映網絡拓撲發生變化時的生成樹，在生成樹上的根網橋每隔一段時間還要對生成樹的拓撲進行更新。

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源路由網橋

• 透明網橋容易安裝，但網絡資源的利用不充分。

• 源路由(source route)網橋在發送幀時將詳細的路由信息放在幀的首部中。

• 源站以廣播方式向欲通信的目的站發送一個發現幀，每個發現幀都記錄所經過的路由。

• 發現幀到達目的站時就沿各自的路由返回源站。源站在得知這些路由後，從所有可能的路由中選擇出一個最佳路由。凡從該源站向該目的站發送的幀的首部，都必須攜帶源站所確定的這一路由信息。

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多接口網橋——交換機

• 1990 年問世的交換式集線器(switching hub)，可明顯地提高局域網的性能。

• 交換式集線器常稱爲以太網交換機(switch)或第二層交換機（表明此交換機工作在數據鏈路層）。

• 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。

  交換機特點：

• 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，其交換速率就較高。

  獨佔傳輸媒體的帶寬

  • 對於普通 10 Mb/s 的共享式以太網，若共有 N 個用戶，則每個用戶佔有的平均帶寬只有總帶寬(10 Mb/s)的 N 分之一。

  • 使用以太網交換機時，雖然在每個接口到主機的帶寬還是 10 Mb/s，但由於一個用戶在通信時是獨佔而不是和其他網絡用戶共享傳輸媒體的帶寬，因此對於擁有 N 對接口的交換機的總容量爲 N´10 Mb/s。這正是交換機的最大優點。

用交換機擴展局域網：

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虛擬局域網：

虛擬局域網 VLAN 是由一些局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組。

• 這些網段具有某些共同的需求。
• 每一個 VLAN 的幀都有一個明確的標識符，指明發送這個幀的工作站是屬於哪一個 VLAN。

虛擬局域網其實只是局域網給用戶提供的一種服務，而並不是一種新型局域網。

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虛擬局域網使用的以太網幀格式

• 虛擬局域網協議允許在以太網的幀格式中插入一個 4 字節的標識符，稱爲 VLAN 標記(tag)，用來指明發送該幀的工作站屬於哪一個虛擬局域網。
  

3.6高速以太網

3.6.1 100BASE-T以太網

• 速率達到或超過 100 Mb/s 的以太網稱爲高速以太網。

• 在雙絞線上傳送 100 Mb/s 基帶信號的星型拓撲以太網，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 協議。100BASE-T 以太網又稱爲快速以太網(Fast Ethernet)。

特點

• 可在全雙工方式下工作而無衝突發生。因此，不使用 CSMA/CD 協議。

• MAC 幀格式仍然是 802.3 標準規定的。

• 保持最短幀長不變，但將一個網段的最大電纜長度減小到 100 m。

• 幀間時間間隔從原來的 9.6 ms 改爲現在的 0.96 ms。

三種不同的物理層標準

100BASE-TX

• 使用 2 對 UTP 5 類線或屏蔽雙絞線 STP。

100BASE-FX

• 使用 2 對光纖。

100BASE-T4

• 使用 4 對 UTP 3 類線或 5 類線。

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3.6.2 吉比特以太網

• 允許在 1 Gb/s 下全雙工和半雙工兩種方式工作。

• 使用 802.3 協議規定的幀格式。

• 在半雙工方式下使用 CSMA/CD 協議（全雙工方式不需要使用 CSMA/CD 協議）。

• 與 10BASE-T 和 100BASE-T 技術向後兼容。

吉比特以太網的物理層

1000BASE-X 基於光纖通道的物理層：

• 000BASE-SX SX表示短波長

• 1000BASE-LX LX表示長波長

• 1000BASE-CX CX表示銅線

1000BASE-T

• 使用 4對 5 類線 UTP

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全雙工方式

• 當吉比特以太網工作在全雙工方式時（即通信雙方可同時進行發送和接收數據），不使用載波延伸和分組突發。

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吉比特以太網的配置舉例

3.6.3 10吉比特以太網

• 10 吉比特以太網與 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太網的幀格式完全相同。

• 10 吉比特以太網還保留了 802.3 標準規定的以太網最小和最大幀長，便於升級。

• 10 吉比特以太網不再使用銅線而只使用光纖作爲傳輸媒體。

• 10 吉比特以太網只工作在全雙工方式，因此沒有爭用問題，也不使用 CSMA/CD 協議

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吉比特以太網的物理層

• 局域網物理層 LAN PHY。局域網物理層的數據率是 10.000 Gb/s。

• 可選的廣域網物理層 WAN PHY。廣域網物理層具有另一種數據率，這是爲了和所謂的“Gb/s”的 SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相連接。

  • 爲了使 10 吉比特以太網的幀能夠插入到 OC-192/STM-64 幀的有效載荷中，就要使用可選的廣域網物理層，其數據率爲 9.95328 Gb/s。

端到端的以太網傳輸

• 10 吉比特以太網的出現，以太網的工作範圍已經從局域網（校園網、企業網）擴大到城域網和廣域網，從而實現了端到端的以太網傳輸。

• 這種工作方式的好處是：

  • 成熟的技術
  • 互操作性很好
  • 在廣域網中使用以太網時價格便宜。
  • 統一的幀格式簡化了操作和管理。

以太網從 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演進

以太網從 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演進證明了以太網是：

• 可擴展的（從 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。

• 靈活的（多種傳輸媒體、全/半雙工、共享/交換）。

• 易於安裝。

• 穩健性好。

3.6.4 使用高速以太網進行寬帶接入

• 以太網已成功地把速率提高到 1 ~ 10 Gb/s ，所覆蓋的地理範圍也擴展到了城域網和廣域網，因此現在人們正在嘗試使用以太網進行寬帶接入。

• 以太網接入的重要特點是它可提供雙向的寬帶通信，並且可根據用戶對帶寬的需求靈活地進行帶寬升級。

• 採用以太網接入可實現端到端的以太網傳輸，中間不需要再進行幀格式的轉換。這就提高了數據的傳輸效率和降低了傳輸的成本。