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  • 数据链路层——局域网扩展

    千次阅读 2017-11-26 12:39:50
    局域网扩展扩展后的以太网在网络层看来还是一个网络局域网扩展——物理层物理层扩展的设备一般是集线器,又称Hub,在OSI模型中属于数据链路层。但由于集线器属于共享型设备,导致了在繁重的网络中,效率变得十分低下...

    局域网扩展

    扩展后的以太网在网络层看来还是一个网络

    局域网扩展——物理层

    这里写图片描述

    物理层扩展的设备一般是集线器,又称Hub,在OSI模型中属于数据链路层。但由于集线器属于共享型设备,导致了在繁重的网络中,效率变得十分低下,易产生广播风暴。所以我们在中、大型的网络中看不到集线器的身影。
    这里写图片描述

    这种多级结构的集线器以太网也带来了一些缺点:
    (1)冲突域增大,数据碰撞概率增大·
    (2)如果上图中两个系的数据率不同,那么传输速率就只能是适应他们中最低的传输速率

    局域网扩展——数据链路层

    在数据链路层扩展局域网用的设备:网桥和交换机(多接口的网桥)
    这里写图片描述

    网桥—连接不同类型的局域网
    这里写图片描述
    由于MAC不同,网桥在LLC子层过滤、转发帧。

    网桥—隔离冲突域
    这里写图片描述

    交换机——隔离冲突域
    这里写图片描述

    交换机是一种基于MAC(网卡的硬件地址)识别,能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以”学习”MAC地址,并把其存放在内部地址表中,通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径,使数据帧直接由源地址到达目的地址。
    这里写图片描述

    步骤:
    1.采用“地址学习”方法更新端口/MAC地址映射表。
    2.利用端口/MAC地址映射表和帧的目的地址决定是否转发或转发到何处。

    虚拟局域网

    虚拟局域网将一个局域网扩展为数量更多的小局域网
    这里写图片描述
    当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时,工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。
    B1 发送数据时,工作站 A1, A2 和 C1都不会收到 B1 发出的广播信息。

    虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数,使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。

    用交换机端口号定义虚拟局域网成员
    这里写图片描述
    把不同的端口划分为不同的vlan

    交换式局域网和共享式局域网

    在局域网中大量地了集线器(HUB)或交换机(Switch)这种连接设备。利用集线器连接的局域网叫共享式局域网,利用交换机连接的局域网叫交换式局域网。

    区别:

    • 共享式以太网存在的主要问题是所有用户共享带宽,每个用户的实际可用带宽随网络用户数的增加而递减。这是因为当信息繁忙时,多个用户都可能同进“争用”一个信道,而一个通道在某一时刻只充许一个用户占用,所以大量的经常处于监测等待状态,致使信号在传送时产生抖动、停滞或失真,严重影响了网络的性能。

    • 交换式以太网中,交换机供给每个用户专用的信息通道,除非两个源端口企图将信息同时发往同一目的端口,否则各个源端口与各自的目的端口之间可同时进行通信而不发生冲突。

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  • 一、在物理层扩展局域网 碰撞域 (collision domain): 三个系的局域网合起来组成了一个大的、共同的碰撞域 ,在任一时刻,只能有一个站在发送数据。换句话说,当这三个局域网通过集线器互连成一个大的局域网以后,...

    一、在物理层扩展局域网

    在这里插入图片描述

    1. 碰撞域 (collision domain): 三个系的局域网合起来组成了一个大的、共同的碰撞域 ,在任一时刻,只能有一个站在发送数据。换句话说,当这三个局域网通过集线器互连成一个大的局域网以后,总的最大吞吐量只有10Mb/s。
    2. 集线器基本上是个转发器,它并不能将帧进行缓存。

    二、在数据链路层扩展局域网

    1. 网桥

    • 工作在链路层,知道MAC帧结构
    • 根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。当一个单播帧到达时,网桥并不是向所有的端口转发此帧,而是先检查其目的MAC地址,然后再确定将该帧转发到哪一个端口。
    • 当一个广播帧到达时,网桥向所有的端口转发此帧
      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,否则有时还会产生较大的广播风暴。
    • 路由器可以阻断广播风暴。
    • 网桥转发帧借助于查站表(转发表):与路由表不同,其目的地址是MAC地址,后者的目的地址是IP地址。
      用网桥扩展的局域网
      网桥B2的转发表
      站表(转发表)
      地址:MAC地址
      时间:收到帧的时间

    在站表中登记帧的信息,使用逆向学习法

    网桥把所有帧都收进来,每收到一个帧,就在站表中登记以下三个信息(如果站地址及端口已登记,则仅修改时间),逆向学习法:

    • 站地址 :登记收到的帧的源MAC地址。
    • 端口 :登记收到的帧进入该网桥的端口号。
    • 时间 :登记收到的帧进入该网桥的时间。

    到达帧的路由选择:

    • 源LAN和目的LAN相同(即端口相同),则丢弃该帧。
    • 源LAN和目的LAN不同(即端口不同),则转发该帧。
    • 目的LAN未知,则进行广播。
    • 目的地址为广播地址,则进行广播。

    2. 多端口网桥——以太网交换机

    • 交换式集线器(switching hub),又称以太网交换机(switch)。
    • 以太网交换机一般都具有多种速率的端口,例如,可以具有10Mb/s,100Mb/s和 1 Gb/s的端口的各种组合,
    • 以太网交换机的转发方式:
      ------存储转发方式:将整个数据帧先缓存再进行转发。延迟较大。
      ------直通(cut-through)交换方式:不必将整个数据帧先缓存再进行处理,而是在接收到数据帧首部的目的MAC地址后就立即按目的地址决定该帧的转发端口。其交换时延可做到仅为30μs左右。
      优点:快速
      缺点:不检查CRC就直接将帧转发出去,因此有可能将一些无效帧转发给其他的站。较少发生。
    • 以太网交换机属于网桥,内部带有转发地址Cache表,根据第二层(MAC子层)的目的地址进行转发,因此它又称为第二层交换机。
    • 第三层交换机:又称路由交换机,比普通的以太网交换机具有更多的智能,了解第三层(网络层)的PDU结构,并根据网络层PDU(例如IP数据报)首部的目的IP地址,查路由表进行转发。
      用交换机扩展的局域网

    附录:
    1. 以下是集线器和交换机中每个站所能得到的带宽的例子:
    在这里插入图片描述
    集线器: 当B–>C时,所有其他计算机不能同时发送。网络总带宽为10 Mbps。平均每台节点机的最高带宽为:10/8=1.25 Mbps。
    在这里插入图片描述
    8口交换机: 当B–>C时,同时可以进行:D–>A,E–>G,H–>F。网络总带宽为10*4=40 Mbps,平均每台节点机的最高带宽为:40/8 = 5 Mbps。
    当网卡及交换机都是全双工设备时,平均每台节点机的最高带宽为: 80/8 = 10 Mbps。

    2.第二层交换机和网桥的区别:
    交换机与网桥的区别 :
    局域网交换机的基本功能与网桥一样,具有帧转发、帧过滤和生成树算法功能。但是,交换机与网桥相比还是存在以下不同:
    (1)交换机工作时,实际上允许许多组端口间的通道同时工作。所以,交换机的功能体现出不仅仅是一个网桥的功能,而是多个网桥功能的集合。即网桥一般分有两个端口,而交换机具有高密度的端口。
    (2)分段能力的区别
    由于交换机能够支持多个端口,因此可以把网络系统划分成为更多的物理网段,这样使得整个网络系统具有更高的带宽。而网桥仅仅支持两个端口,所以,网桥划分的物理网段是相当有限的。
    (3)传输速率的区别
    交换机与网桥数据信息的传输速率相比,交换机要快于网桥。
    (4)数据帧转发方式的区别
    网桥在发送数据帧前,通常要接收到完整的数据帧并执行帧检测序列FCS后,才开始转发该数据帧。交换机具有存储转发直接转发两种帧转发方式。直接转发方式在发送数据以前,不需要在接收完整个数据帧和经过32bit循环冗余校验码CRC的计算检查后的等待时间。

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  • VLAN(Virtual Local Area Network)即虚拟局域网,是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的新兴技术。IEEE于1999年颁布了用以标准化VLAN实现方案的802.1Q协议标准草案...

    一、VLAN的定义 


    究竟什么是VLAN呢? VLAN(Virtual Local Area Network)即虚拟局域网,是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的新兴技术。IEEE于1999年颁布了用以标准化VLAN实现方案的802.1Q协议标准草案。 


    VLAN是为解决以太网的广播问题和安全性而提出的,它在以太网帧的基础上增加了VLAN头,用VLAN ID把用户划分为更小的工作组,限制不同工作组间的用户二层互访,每个工作组就是一个虚拟局域网。虚拟局域网的好处是可以限制广播范围,并能够形成虚拟工作组,动态管理网络。 


    既然VLAN隔离了广播风暴,同时也隔离了各个不同的VLAN之间的通讯,所以不同的VLAN之间的通讯是需要有路由来完成的。 


    二、VLAN的划分 


    1.根据端口来划分VLAN 


    许多VLAN厂商都利用交换机的端口来划分VLAN成员。被设定的端口都在同一个广播域中。例如,一个交换机的1,2,3,4,5端口被定义为虚拟网AAA,同一交换机的6,7,8端口组成虚拟网BBB。这样做允许各端口之间的通讯,并允许共享型网络的升级。但是,这种划分模式将虚拟网限制在了一台交换机上。 


    第二代端口VLAN技术允许跨越多个交换机的多个不同端口划分VLAN,不同交换机上的若干个端口可以组成同一个虚拟网。 


    以交换机端口来划分网络成员,其配置过程简单明了。因此,从目前来看,这种根据端口来划分VLAN的方式仍然是最常用的一种方式。 


    2.根据MAC地址划分VLAN 


    这种划分VLAN的方法是根据每个主机的MAC地址来划分,即对每个MAC地址的主机都配置它属于哪个组。这种划分VLAN方法的最大优点就是当用户物理位置移动时,即从一个交换机换到其他的交换机时,VLAN不用重新配置,所以,可以认为这种根据MAC地址的划分方法是基于用户的VLAN,这种方法的缺点是初始化时,所有的用户都必须进行配置,如果有几百个甚至上千个用户的话,配置是非常累的。而且这种划分的方法也导致了交换机执行效率的降低,因为在每一个交换机的端口都可能存在很多个VLAN组的成员,这样就无法限制广播包了。另外,对于使用笔记本电脑的用户来说,他们的网卡可能经常更换,这样,VLAN就必须不停地配置。 


    3.根据网络层划分VLAN 


    这种划分VLAN的方法是根据每个主机的网络层地址或协议类型(如果支持多协议)划分的,虽然这种划分方法是根据网络地址,比如IP地址,但它不是路由,与网络层的路由毫无关系。 


    这种方法的优点是用户的物理位置改变了,不需要重新配置所属的VLAN,而且可以根据协议类型来划分VLAN,这对网络管理者来说很重要,还有,这种方法不需要附加的帧标签来识别VLAN,这样可以减少网络的通信量。 


    这种方法的缺点是效率低,因为检查每一个数据包的网络层地址是需要消耗处理时间的(相对于前面两种方法),一般的交换机芯片都可以自动检查网络上数据包的以太网帧头,但要让芯片能检查IP帧头,需要更高的技术,同时也更费时。当然,这与各个厂商的实现方法有关。 


    4.根据IP组播划分VLAN 


    IP 组播实际上也是一种VLAN的定义,即认为一个组播组就是一个VLAN,这种划分的方法将VLAN扩大到了广域网,因此这种方法具有更大的灵活性,而且也很容易通过路由器进行扩展,当然这种方法不适合局域网,主要是效率不高。 

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  • 这几天想把几台电脑联网,组建一个Windows家庭组,但是局域网中有两台路由器,都有连接设备,网络拓补图是这样的: 网上找了一下扩展网络的方式,有两种 1、将上图路由器B的LAN口与路由器A的LAN口相连接,取消...

      这几天想把几台电脑联网,组建一个Windows家庭组,但是局域网中有两台路由器,都有连接设备,网络拓补图是这样的:


    网上找了一下扩展网络的方式,有两种

    1、将上图路由器B的LAN口与路由器A的LAN口相连接,取消路由器B的DHCP功能。(这是有线扩展的方式,无线就叫WDS)

    2、将上图路由器B的WAN口与路由器A的LAN口相连接,将路由器B设置为自动获取IP

    这两种的区别在于:

    使用第一种方法时,路由器B就相当于一个Hub(或AP),起到扩展网络的作用,因为关闭了路由器B的DHCP功能,所以当有设备连接路由器B时,实际上是连接到了路由器A,整个局域网所有设备的IP地址都将由路由器A进行分配,两台路由器连接的设备能互通。网络拓补图如下:


    而使用第二种方案时,由于两台路由器都开启了DHCP功能,又因为路由器B的WAN口接到了路由器A的LAN口上,并且路由器B的IP设置为自动获取,所以连接路由器B的设备的IP地址将由路由器B进行分配,而不是路由器A,因此在局域网中IP可能会出现冲突,相当于把网络一分为二(LAN1和LAN2),这样两部分的机器是不能互通的。网络拓补图如下:


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