計算機網絡：數據鏈路層(2)

1、擴展以太網

● 透明網橋

擴展以太網的一種方法是使用網橋，這是通過內部的端口管理軟件和網橋協議實體進行擴展的即插即用設備。
網橋對以太網中的主機是透明的，主機並不知道幀經過哪些網橋，因此網橋也稱透明網橋。
網橋並不是簡單的轉發幀，而是工作在數據鏈路層。它能過濾通信量，使不同端口的網段成爲隔離開的獨立碰撞域。
網橋在轉發幀之前，必須執行CSMA/CD算法。

網橋根據收到MAC幀的目的地址進行轉發和過濾，具體步驟爲：

1. 網橋收到MAC幀，並暫存在緩存中
2. 讀取MAC幀的目的地址，並查找轉發表；轉發表通過逆向學習算法建立
3. 若找不到目的地址，就向其它端口廣播這個幀
4. 如果找到目的地址，且與發送幀的主機位於不同端口，就向目的地址所在端口轉發
5. 如果目的地址與發送幀的主機位於同一端口，就丟棄這個幀(過濾)

網橋的優點：
● 過濾通信量，使各網段成爲被隔離開的碰撞域，減輕擴展以太網的通信負擔，減小幀平均時延。
● 擴大以太網的物理範圍。
● 提高以太網的可靠性。
● 可互連不同物理層、不同MAC子層和不同速率的以太網。

網橋的缺點：
● 需要儲存轉發增加時延。
● 不同MAC子層的網段會增加時延。
● MAC子層不具有流量控制功能。

網橋只適合用戶數不多，通信量不太大的局域網，否則過多的廣播信息會產生網絡擁塞。
如果以太網中使用了並行的透明網橋，則需要生成樹協議STP以切斷網絡拓撲的邏輯迴路。

● 以太網交換機(第二層交換機)

以太網交換機實質上是一個多端口的網橋，通常有十幾個端口，每個端口與一臺主機或一個以太網相連。
以太網交換機具有並行性，多對主機同時通信。一般以全雙工方式工作，主機獨佔傳輸媒體，無碰撞地傳輸數據。
以太網交換機使用交換結構芯片，轉發的交換速率遠高於使用軟件的網橋。由於它工作在數據鏈路層，故稱爲第二層交換機。
由於以太網交換機的優勢，目前網橋已經基本被淘汰。

以太網交換機的功能：

1. 建立和維護一個交換轉發表，由逆向學習算法得到
2. 在發送主機和接收主機的端口間建立虛連接
3. 完成幀的過濾和轉發
4. 執行生成樹協議STP

以太網交換機的交換模式：

1. 直接交換：檢測到目的地址字段後立即轉發，不進行差錯校驗。提高轉發速度，但缺乏智能安全性，不支持不同速率端口交換。
2. 儲存轉發：先將幀儲存在緩存中，並進行差錯檢測；確認無誤再發送，否則拋棄。可靠性高但延遲較大。
3. 改進直接交換：接收前64個字節判斷幀頭字段是否正確。

以太網交換機每個端口到主機的帶寬不變，但通信是獨佔模式而不是共享模式，N對端口的交換機總容量增加到原來的N倍。
星形以太網以以太網交換機爲交換結點，不再使用CSMA/CD，而是以全雙工方式通信，並仍使用以太網幀結構。

● 碰撞域和廣播域

碰撞域描述了一組共享網絡訪問媒體的網絡設備覆蓋的區域。如：
● 一個集線器HUB連接的網絡是一個碰撞域
● 以太網交換機和網橋的每個端口是一個獨立的碰撞域
廣播域值廣播分組能直接到達的區域。如：
● 直接相連的二層交換機位於同一個廣播域中
● 直接相連的集線器位於同一個廣播域中
透明網橋和以太網交換機都能將各個端口隔離爲獨立的碰撞域，但各端口仍位於同一個廣播域中。
隔離廣播域需要路由器。

● 逆向學習算法

以太網交換機和網橋都是即插即用的設備。其轉發表通過逆向學習算法，又稱自學習算法建立。
逆向學習算法的基本思想：如果主機A發出的幀經過端口x進入，那麼沿反方向就可以將幀送到主機A。
逆向學習算法的基本步驟：

1. 網橋每收到一個幀，就記錄源地址、目的地址和進入端口；
2. 檢查源地址是否位於轉發表中，如果不存在，就記錄下源地址與對應的端口號，並更新有效時間；
3. 檢查目的地址是否位於轉發表中，如果存在就向記錄的端口轉發；否則向所有除進入端口以外的端口廣播；

通過逆向學習算法，一段時間後，以太網交換機和網橋就能自動建立轉發表。因此它們可以即插即用而無需人工配置。

● 虛擬局域網VLAN

IEEE 802.1Q標準定義：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，這些網段有共同的需求。
虛擬局域網中每個VLAN幀都有明確的標識符，指明工作站屬於哪一個VLAN。
虛擬局域網實際上是局域網提供的一種用戶服務，而非新型局域網。
以太網交換機可以非常方便地實現虛擬局域網：

虛擬局域網限制了接收廣播信息的主機數，網絡不會因過多廣播信息引起廣播風暴而性能惡化。
虛擬局域網可以隔離廣播域。
只有在以太網交換機之間互連的線路上傳輸的是802.1Q幀，其它線路傳輸的都是普通的以太網幀。

802.3ac標準擴展了以太網幀格式以支持VLAN。該標準允許在以太網幀格式的源地址字段與類型字段之間插入一個4字節的標識符，稱爲VLAN標記(VLAN tag)，指明計算機屬於哪一個VLAN。插入了VLAN標記的幀就是802.3Q幀。VLAN標記的前兩個字節總是設置爲0x8100，稱爲IEEE 802.1Q 標記類型。後兩個字節的前三位是用戶優先級字段，接着一位是規範格式指示符CFI，最後12位是VLAN標識符VID，它唯一標識了以太網幀屬於哪一個VLAN。
由於802.3Q幀的幀頭增加了4個字節，以太網最大幀長由1518字節(數據字段1500+原頭尾18)變成了1522字節

虛擬局域網的實現方法：

1. 按交換機端口劃分定義VLAN
2. 用MAC地址定義VLAN
3. 用網絡層地址定義VLAN

2、高速以太網

速率達到或超過100Mbps的以太網稱爲高速以太網。
高速以太網保留了統一的以太網幀格式。所有速率的以太網的幀結構幾乎都相同。
Ethernet V2是TCP/IP體系結構網絡使用的以太網幀格式。具體見MAC幀的結構。

● 引入概念：信道利用率

以太網信道的極限利用率S_max計算公式爲：S_max = T₀ / (T₀ + t) = 1 / (a+1)；
而參數a是以太網單程端到端時延t與幀的發送時間T₀之比：a = t / T₀ = (dC) / (Ls)；
爲保證以太網利用率較高，參數a應儘可能小；從以太網速率提升後，數據速率C也提升，而幀長L和傳播速率s不變。爲使a參數a不變，電纜長度d應減小。

● 100BASE-T以太網

100BASE-T以太網是在雙絞線上傳送100Mbps基帶信號的星型拓撲以太網，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD協議。
100BASE-T以太網又稱快速以太網。使用100Mbit適配器和100Mbps的集線器或交換機，就可以升級到100BASE-T。
100BASE-T快速以太網的標準是IEEE 802.3u標準。其特點爲：
● 保留傳統以太網的基本特徵
● 定義介質專用接口，將MAC層與物理層分開
● 允許在100Mbps下的全雙工和半雙工兩種工作方式
改動：
● 網段的最長電纜長度減小至100m；
● 爭用期從51.2us改爲5.12us，幀間間隔由9.6us改爲0.96us，爲傳統以太網的1/10。

100BASE-T的三種物理層標準：
● 100BASE-TX：2對UTP5類線或STP；網段最大長度100m。
● 100BASE-T4：4對UTP3類線或5類線：3對同時傳送數據，一對是碰撞檢測的接收信道；網段最大長度100m。
● 100BASE-FX：2根光纖；網段最大長度2000m。

100BASE-T以太網有速率自動協商機制，可以交換工作模式參數；選擇共有性能最高的工作模式，在500ms內完成自動協商。
選擇順序爲：100BASE-TX/FX全雙工、100BASE-T4、100BASE-TX、10BASE-T全雙工、10BASE-T。

● 吉比特以太網

1998年IEEE 802.3z成爲吉比特以太網的標準，它具有如下特點：
● 允許在1Gbps下的全雙工和半雙工兩種工作方式
● 使用802.3協議的幀格式
● 半雙工下使用CSMA/CD協議
● 對10Base-T和100Base-T技術向後兼容

吉比特以太網的物理層標準：
● 1000BASE-SX：多模光纖，最大長度550m，基於光纖通道FC技術
● 1000BASE-LX：單模/多模光纖，最大長度5000m，基於FC技術
● 1000BASE-CX：兩對STP，最大長度25m
● 1000BASE-T：4對UTP5類線，最大長度100m

爲保持網段最大長度，吉比特以太網採用了載波延伸的方法，不改變最短幀長64字節，並將爭用期增大爲512字節。
載波延伸：凡發送的MAC幀長不足512字節，在後面使用特殊字符填充；接收端刪除後再向高層交付。
分組突發：有很多個短幀發送時，第一個使用載波延伸，後面的短幀直接連續發送，形成一串分組的突發，直到1500字節左右。
只有在半雙工方式工作時才需要載波延伸和分組突發，全雙工方式工作時不使用。

● 10吉比特以太網以及更快的以太網

10吉比特以太網的特點：
● 幀格式與10Mbps、100Mbps和1Gbps的以太網完全相同。
● 保留802.3標準的以太網最小和最大幀長，便於升級。
● 只工作在全雙工方式，沒有爭用問題，不使用CSMA/CD協議。

10吉比特以太網的物理層標準：
● 10GBASE-SR：光纜；IEE802.3ae標準；300m；多模光纖
● 10GBASE-LR：光纜；IEEE802.3ae標準；10km；單模光纖
● 10GBASE-ER：光纜；IEEE802.3ae標準；40km；單模光纖
● 10GBASE-CX4：銅纜；IEEE802.3a標準；15m；4對雙芯同軸電纜
● 10GBASE-T：銅纜；IEEE802.3an標準；100m；4對6A類UTP

10吉比特以太網使以太網的工作範圍從局域網擴大到城域網和廣域網，實現了端到端的以太網傳輸。

40GE/100GE的以太網標準：IEEE802.3ba-2010和IEEE802.3bm-2015。
40GE/100GE只工作在全雙工方式，並保持了以太網的幀格式，最小和最大幀長。
40GE/100GE物理層標準：
● 40GBASE-KR4：背板；1m。
● 40GBASE-CR4/100GBASE-CR10：銅纜；7m。
● 40GBASE-SR4/100GBASE-SR10、*100GBASE-SR4：多模光纖；100m。
● 40GBASE-LR4/100GBASE-LR4：單模光纖；10km。
● *40GBASE-ER4/100GBASE-ER4：單模光纖；40km。

以太網的演變證明了以太網的優點：
● 可擴展的
● 靈活的
● 易於安裝
● 穩健性好