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  • 计算机网络数据链路层之扩展以太网(含以太网交换机及虚拟局域网) 在物理层扩展以太网 使用光纤扩展 主机使用光纤(通常是一对光纤)和一对光纤调制解调器连接到集线器。 很容易使主机和几公里以外的集线器相...

    计算机网络数据链路层之扩展以太网(含以太网交换机及虚拟局域网)

    在物理层扩展以太网

    • 使用光纤扩展

      1. 主机使用光纤(通常是一对光纤)和一对光纤调制解调器连接到集线器。
      2. 很容易使主机和几公里以外的集线器相连接。
        效果图
    • 使用集线器扩展:将多个以太网端连城更大的、多级星形结构的以太网。
      效果图

      用集线器扩展以太网

      • 优点
        1. 使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
        2. 扩大了以太网覆盖的地址范围。
      • 缺点
        1. 碰撞域增大了,但总的吞吐量并未提高。
        2. 如果不同的碰撞域使用不同的数据率,那么就不能用集线器将它们互连起来。

      碰撞域

      • 碰撞域(collision domain)又称为冲突域,是指网络中一个站点发出的帧会与其他站点发出的帧产生碰撞或冲突的那部分网络。
      • 碰撞域越大,发生碰撞的概率越高。

      效果图

    在数据链路层扩展以太网

    • 扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行。
    • 早期使用网桥,现在使用以太网交换机
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    网桥与以太网交换机

    • 网桥工作在数据链路层
    • 它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。
    • 当网桥收到一个帧时,并不是向所有的接口转发此帧,而是先检查此帧的目的MAC地址,然后再确定将该帧转发到哪一个接口,或把它丢弃。
    • 1990年问世的交换式集线器(switching hub)可明显地提高以太网的性能。
    • 交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机(L2 switch),强调这种交换机工作在数据链路层

    1.以太网交换机的特点

    • 以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥
      • 通常都有十几个或更多的接口。
    • 每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连,并且一般都工作在全双工方式
    • 以太网交换机具有并行性
      • 能同时和连通多对接口,使多对主机能同时通信。
    • 相互通信的主机都是独占传输媒体,无碰撞地传输数据。

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    • 以太网交换机的接口有存储器,能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
    • 以太网交换机是一种即插即用设备,其内部的帧交换表(又称为地址表)是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
    • 以太网交换机使用了专用的交换结构芯片,用硬件转发,其转发速率要使用软件转发的网桥快很多。
    • 以太网交换机的性能远远超过普通的集线器,而且价格并不贵。

    以太网交换机的优点

    • 用户独享带宽,增加了总容量。
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      • N个用户共享集线器提供的带宽B。

      • 平均每个用户仅占有B/N的带宽。
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      • 交换机为每个接口提供带宽B。

      • N个用户,每个用户独占带宽B。

      • 交换机总带宽达BxN。

    • 从共享总线以太网转到交换式以太网时,所有接入设备的软件和硬件、适配器等都不需要做任何改动。

    • 以太网交换机一般都具有多种速率的接口,方便了各种不同情况的用户。

    以太网交换机的交换方式

    • 存储转发方式

      • 把整个数据帧先缓存后再进行处理。
    • 直通(cut-through)方式

      • 接收数据的同时就立即按照数据帧的目的MAC地址决定该帧的转发接口,因而提高了帧的转发速度。
      • 缺点就是它不检查差错就直接将帧转发出去,因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站。

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      在某些情况下,仍需要采用基于软件的存储转发方式进行交换,例如,当需要进行线路速率匹配、协议转换或差错检测时。

    2.以太网交换机的自学习功能

    • 以太网交换机运行自学习算法自动维护交换表。
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    • 以太网发交换机运行自学习算法自动维护交换表。
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      交换机自学习和转发帧的步骤归纳
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      理解以太网交换机的自学习功能
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      存在的问题:回路
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      使用交换机使用了生成书协议

      • IEEE 802.1D标准制定了一个生成树协议STP(spanning tree protocol)。

      • 要点是:不改变网络的实际拓扑,但在逻辑上则切断某些链路,使得从一台和自己到所有其他主机的路径是无环路的树状结构,从而消除了兜圈子现象。
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    3.从总线以太网到星形以太网

    • 早期,以太网采用无源的总线结构。

    • 现在,采用以太网交换机的星形结构成为以太网的首选拓扑。

    • 总线以太网使用CSMA/CD协议,以半双工方式工作

    • 以太网交换机不使用共享总线,没有碰撞问题,因此不使用CSMA/CD协议,以全双工方式工作但仍然采用以太网的帧结构
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    局域网存在的问题

    • 局域网存在的以下几个方面的问题:
      1. 扩展性
      2. 安全性
      3. 客观理性等

    总线以太网和10Base_T星形以太网

    • 所有计算机都处于同一个碰撞域(或冲突域)中和同一个广播域中。
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    广播域

    • 广播域(broadcast domain):指这样一部分网络,其中任何一台设备发出的广播通信都能够被该网络中的所有其他设备所接收。
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    采用以太网交换机的星形以太网

    • 每个接口都处于同一个独立的碰撞域(或冲突域)中,但所有的计算机都处于同一个广播域中。
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    虚拟局域网

    • 利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网VLAN(Virtual LAN)。

    • IEEE 802.1Q对虚拟局域网VLAN的定义

      虚拟局域网VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组,而这些网段具有某些某些共同的需求。每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符,指明发送这个帧的计算机是属于哪一个VLAN。

    • 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务,而并不是一种新型局域网。

    • 由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合,因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合,使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。

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    虚拟局域网的优点

    • 虚拟局域网(VLAN)技术具有以下主要优点:
      1. 改善了性能
      2. 简化了管理
      3. 降低了成本
      4. 改善了安全性

    划分虚拟局域网的方法

    • 基于交换机接口
    • 基于计算机网卡的MAC地址
    • 基于协议类型
    • 基于IP子网地址
    • 基于高层应用或服务

    基于交换机接口的方法

    • 最简单、也是最常用的方法
    • 属于第一层划分虚拟局域网的方法
    • 缺点:不允许用户移动

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    基于计算机网卡的MAC地址

    • 根据用户计算机的MAC地址划分虚拟局域网。

    • 属于第二层划分虚拟局域网的方法。

    • 允许用户移动。

    • 缺点:需要输入和管理大量的MAC地址。如果用户的MAC地址改变了,则需要管理员重新分配VLAN。

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    基于协议类型的方法

    • 根据以太网的第三个字段”类型“确定该类型的协议属于哪一个虚拟局域网。
    • 属于第二层划分虚拟局域网的方法。

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    基于IP子网地址的方法

    • 根据以太网的第三个字段”类型“和IP分组首部中的源IP地址字段确定该IP分组属于哪一个虚拟局域网。

    • 属于第三层划分虚拟局域网的方法。
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    基于高层应用或服务的方法

    • 根据高层应用或服务、或者它们的组合划分虚拟局域网。

    • 更加灵活、当更加复杂。
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    虚拟局域网使用的以太网帧格式

    • IEEE 批准了802.3ac标准,该标准定义了以太网的帧格式的扩展,以支持虚拟局域网。
    • 虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符,成为**VLAN标记(**tag),用来指明该帧属于哪一个虚拟局域网。
    • 插入VLAN标记得出的帧称为802.1Q帧或带标记的以太网帧

    效果图
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  • 扩展以太网通常都是在数据链路层进行的 网桥 工作在数据链路层,是数据链路层设备,二层设备(现已被淘汰) 对收到的帧根据其mac帧的目的地址进行检错和转发过滤 检错:先检验是否接收的mac帧出错,出错了直接丢弃...
    • 以太网逻辑上是总线结构
      因此 冲突 是物理层无法避免、无法解决的
      本节介绍在数据链路层如何解决源于物理层的冲突问题
      扩展以太网通常都是在数据链路层进行的

    • 网桥
      工作在数据链路层,是数据链路层设备,二层设备(现已被淘汰)
      对收到的帧根据其 mac帧中的目的地址 进行检错 和 转发过滤
      检错:先检验是否接收的mac帧出错,出错了直接丢弃
      转发过滤:网桥接收到一个帧后,根据此帧的 目的mac地址,查找网桥中的 地址表 ,确定发往哪个接口,或是丢弃

    • 交换式集线器
      又叫 以太网交换机、交换机
      工作在数据链路层,二层设备
      替代了网桥
      交换机在二层扩展以太网
      而集线器只能在一层扩展以太网

    一、以太网交换机的特点

    • 1、以太网交换机实质上是一个多接口的网桥,工作在二层(不同于工作在一层的集线器)
      以太网交换机 每个接口 都直接与 一个单台主机另一个以太网交换机 相连,工作在 全双工方式
      以太网交换机还具有 并行性:能同时连通多对接口,多对主机能同时通信(网桥只能一次分析和转发一个帧),而且这些主机都是独占传输媒体,无碰撞传输数据(2、3两点解决物理层的碰撞问题

    • 2、以太网交换机的接口还有 存储器,能在输出端口繁忙时缓存到来的帧,以后再发送出去

    • 3、以太网交换机是一种即插即用设备,内部的地址表(帧交换表)通过 自适应学习算法 自动逐步建立

    • 4、以太网交换机使用专门的交换芯片,使用 硬件转发,速率远快于软件转发的网桥
      而且以太网交换机价格不贵,逐渐淘汰了工作在一层的集线器

    • 5、对于 10mbps 的共享式以太网,若有 10 个用户共享,则每个用户占有的平均带宽不超过 1mbps
      若使用以太网交换机来连接这些主机,每个接口到主机的带宽还是 10mbps,每个用户在通信时独占传输媒体的带宽,拥有 10 个交换机接口的总容量为 100mbps(此为交换机的最大优点

    • 6、可移植性和兼容性
      共享以太网的接入设备的软硬件、适配器等可以直接接入交换式以太网
      交换式以太网一般具有 多种速率的接口,供不同速率的用户使用

    • 7、工作方式
      a、存储转发 :(常用)收到一个帧后,先校验,再存储转发(存到缓存,再发出去)
      b、直通 :收到一个帧后不校验错误,立即按帧中的目的mac地址决定该帧的转发接口,但有可能将一些 出错帧 转发给其它的站

    二、以太网交换机的自适应学习功能

    在这里插入图片描述

    • 描述
      如上图,以太网交换机有 4 个接口,各连接一台计算机,mac 分别为 A,B,C,D
      起初,以太网交换机内部的交换表是空的
      若 A 先向 B 发送一帧,交换机收到帧后,先查找交换表寻找目的地址对应的接口(无记录),然后交换机把此帧中的源地址和端口1写入交换表中,向除接口1外的所有借口广播这个帧,C 和 D 将丢弃这个帧(目的地址不对),只有 B 收下此帧(此为过滤)
      接下来 B 向 A 发送一帧,查找表中有 A 的 mac 和 接口,此时不广播直接发往 端口3,并在交换表中新增一条记录(B,3)
      同理只要 C 和 D 通过交换向其它主机发送帧,它们的接口对应记录也会被更新到交换表中

    • 交换机自学习和转发帧的步骤归纳
      1、交换机收到一帧后先进行自学习。查找交换表中与收到帧的源地址有无匹配的记录
      若无,就在交换表中增加一条记录(源地址,进入的接口和有效时间)
      若有,则把原有的项目进行更新(进入的接口,有效时间)
      2、转发帧。查找交换表中与收到的帧的目的地址有无相匹配的记录
      若无,则向所有其它接口转发
      若有,则按交换表给出的接口进行转发
      交换表给出的接口 就是 该帧进入交换机的接口 ,则直接丢弃(此时不需要交换机的转发)

    • 有效时间
      因为可能要在交换机的接口更换主机,或主机要更换其网络适配器
      此时交换表中的项目也需要改
      因此,在交换表中的每个记录都设有有效时间,过期的记录会自动被删

    • 以太网的 自学习方法 使得以太网交换机能够 即插即用,不必进行人工配置

    • 冗余链路
      为了增加网络的 可靠性
      自学习 的过程可能会导致以太网帧在网络的某个环路中无限制的兜圈子,即产生 广播风暴(会浪费网络资源)
      如下图
      起初 A 向 交换机#1 发送了一帧,交换机#1 收到此帧后就向其他接口进行广播发送
      (1,1)→(2,1)→(2,2 / 3 / 4)→(1,4)→(1,1 / 2 /3)→(1,3)→ …
      在这里插入图片描述

    • 生成树协议 (STP)
      不断检测 广播包当前通信总量 的比例,超过某个边界值即认定为产生广播风暴
      找到 根源端口从逻辑上切断相关链路,不改变网络的实际拓补,使得从一台主机到其它主机的路径都是无环路的树状结构

    三、总线以太网到星形以太网

    • 采用以太网交换机的星形结构以太网 是以太网的主流(逻辑结构仍然是总线结构)
      淘汰了传统的 总线以太网

    • 总线以太网 使用 CSMA / CD 协议,半双工
      星形以太网 不使用共享总线,无碰撞问题,不使用 CSMA / CD 协议,全双工
      (却仍然叫它以太网的原因是它的帧结构未改变,仍采用的是以太网的帧结构)

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  • 计算机网络-扩展以太网

    千次阅读 2020-03-04 16:19:59
    目录1 在物理层扩展以太网1.1 使用光纤扩展1.2 使用集线器扩展2 在数据链路层扩展以太网-网桥2.1 网桥2.1.1 透明网桥3 在数据链路层扩展以太网-交换机3.1 以太网交换机的交换方式3.2 以太网交换机的自学习功能 ...

    1 在物理层扩展以太网

    1.1 使用光纤扩展

    主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器,很容易使主机和几公里以外的集线器相连接
    在这里插入图片描述

    光纤:光纤是光纤通信的传输媒体,在日常生活中,由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多,光纤被用作长距离的信息传递

    • 光纤的原理是使用光的全反射,如图,光纤分为内纤芯和外包层,由于纤芯的折射率大于包层的折射率,当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时,其折射角将大于入射角。因此,如果入射角足够大,就会出现全反射,光也就沿着光纤传输下去
      在这里插入图片描述
      只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度,就可产生全反射
      在这里插入图片描述

    1.2 使用集线器扩展

    将多个以太网段连成更大的、多级星形结构的以太网,如某个部门有一系,二系,三系通过集线器扩展
    在这里插入图片描述

    集线器:集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大转发,以扩大网络的传输距离,同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于“物理层”

    • 如下图是具有三个接口的集线器:
      在这里插入图片描述

    优点:

    1. 使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信
    2. 扩大了以太网覆盖的地理范围

    缺点:

    1. 碰撞域增大了,但总的吞吐量并未提高
    2. 如果不同的碰撞域使用不同的数据率,那么就不能用集线器将它们互连起来

    碰撞域:

    • 碰撞域(collision domain)又称为冲突域,是指网络中一个站点发出的帧会与其他站点发出的帧产生碰撞或冲突的那部分网络
    • 碰撞域越大,发生碰撞的概率越高
      在这里插入图片描述

    2 在数据链路层扩展以太网-网桥

    • 扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行
    • 早期使用网桥,现在使用以太网交换机
      在这里插入图片描述

    2.1 网桥

    • 网桥工作在数据链路层,它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发
    • 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时,并不是向所有的接口转发此帧,而是先检查此帧的目的 MAC 地址,然后再确定将该帧转发到哪一个接口
    • 网桥的内部结构如下图
      在这里插入图片描述

    优点:

    1. 过滤通信量,扩大了物理范围,提高了可靠性
    2. 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率(如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网)的局域网

    缺点:
    3. 存储转发增加了时延,在MAC 子层并没有流量控制功能,具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大
    4. 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,否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴

    网桥使各网段成为隔离开的碰撞域:
    在这里插入图片描述
    网桥和集线器不同:

    1. 集线器在转发帧时,不对传输媒体进行检测
    2. 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法,若在发送过程中出现碰撞,就必须停止发送和进行退避
    3. 集线器工作在物理层,网桥工作在数据链路层

    2.1.1 透明网桥

    • 目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)
    • “透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥,因为网桥对各站来说是看不见的

    网桥的工作原理是将接收到的帧进行过滤转发,所以转发表的建立是网桥中至关重要的问题,网桥应当按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表:

    • 若站点A发送一个帧从网桥的某一接口x进入网桥,那么反之从街口x沿着反方向则一定能返回到站点A
    • 网桥每次收到一个帧,就记录下发送站点的源地址和进入网桥的接口号,作为转发表中的一项
    • 在创建转发表时,就叫发送方的源地址写在地址栏处,同时记录下进入网桥的接口,在后续转发帧时则可以查询转发表确定转发的接口

    建立转发表过程举例:

    1. 如下图由网桥1和网桥2连接了三个网段LAN1,LAN2和LAN3,实现了三个网段的互联,两个网桥各有端口1和端口2
    2. 网桥1和网桥2初始的时候转发表都为空,现图中LAN1网段中的站点A向站点B发送数据帧,网桥1会从它的端口1收到该数据帧并查找转发表,此时在转发表中未找到目的地址为B的记录,此时网桥1就向除端口1以外的其他端口广播这个数据帧,那么这个帧就广播到了网桥1的端口2所连接的LAN2上,网桥1发现源MAC地址不在自己的转发表中,就将源地址A写入到自己的转发表中并记录下进入网桥1的端口号
    3. 在发送广播时,网桥2的端口1也收到了这个数据帧,就查找转发表,在转发表中也未找到目的地址为B的目的地址,此时网桥2就向除端口1之外的其他端口转发这个数据帧,此时这个数据帧就广播到了网桥2的端口2所连接的LAN3中,网桥2发现源MAC地址A不在转发表中,就将源地址A的MAC地址写入网桥2的转发表中并记录进入网桥2的端口号1
    4. 当LAN3上的站点F向LAN2上的站点C发送数据帧时,网桥2是从端口2接收到站点F发送过来的数据帧,在转发表中未找到目的地址为C的转发表项,此时端口2就向除端口2以外的其他端口转发这个数据帧,这个数据帧就广播到了网桥2的端口1所连接的LAN2,LAN2中的所有站点都可以收到这个数据帧,此时LAN2中的站点C发现这个数据帧时发给自己的就接收这个数据帧,其他站点发现不是给自己的就丢弃数据帧,网桥2发现源地址F不在转发表中,并记录下源地址F和进入网桥2的端口号,网桥1的端口2因为连接这LAN2也会受到广播F发给C的数据帧,网桥1的转发表中未找到转发表项,所以网桥1向除端口2以外的其他端口转发,这个数据帧就转发到了网桥1的端口1上,此时网桥1发现站点F不在其转发表上,就在转发表中记录下站点F的源地址和进入网桥1的端口号
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    通过上述过程我们可以发现建立转发表是通过不断的发送广播来实现的,但是若有的网络为环形网络,此时这个数据帧会一直在网络在“转圈圈”,在透明网桥中,为了避免这个问题,引入了生成树算法
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    3 在数据链路层扩展以太网-交换机

    • 在第二节中所讲的网桥扩展方法是早起的一种方法,现在使用的方法是以太网交换机,以太网交换机通常都有十几个接口。因此,以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥,可见交换机工作在数据链路层
    • 以太网交换机的每个接口都直接与主机相连,并且一般都工作在全双工方式,交换机能同时连通许多对的接口,使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样,进行无碰撞地传输数据,以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片,通过硬件来转发就比靠软件转发的网桥速度快得多,所以交换机的出现很快的就淘汰掉了网桥
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    • 用户独享带宽,增加了交换机总带宽,如下图,用集线器扩展的以太网,要平分带宽,而用交换机扩展的以太网,每个站点独享带宽
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    • 在逻辑上,以集线器扩展的以太网,本质还是总线型以太网,必须采用CSMA/CD协议来处理碰撞,并且只能以半双工模式工作,而交换机采用的是星型以太网,不使用共享总线,没有碰撞问题,不必使用CSMA/CD,且采用全双工模式工作,但仍使用以太网帧的结构
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    3.1 以太网交换机的交换方式

    1. **存储转发方式:**把整个数据帧先缓存后再进行处理
    2. **直通 (cut-through) 方式:**接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的 MAC 地址决定该帧的转发接口,因而提高了帧的转发速度,缺点是它不检查差错就直接将帧转发出去,因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站

    3.2 以太网交换机的自学习功能

    交换机的转发依然是依赖于转发表,以太网交换机运行自学习算法自动维护转发表
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  • 扩展以太网

    2021-08-22 23:56:53
    3.4 扩展的以太网 目录 ​ 3.4.1 在物理层扩展的以太网 更换传输介质,使用光纤扩展 ...在物理层扩展以太网主要依靠两种方式:**1、更换传输介质,使用光纤扩展。2、使用集线器扩展。**以下依据

    一、在物理层扩展的以太网

    • 更换传输介质,使用光纤扩展
    • 使用集线器扩展

    二、在数据链路层扩展的以太网

    • 以太网交换机的特点

    • 以太网交换机的自学习功能

    • 从总线以太网到星形以太网

    在许多情况下,我们希望对以太网的覆盖范围进行扩展。那么,究竟如何去扩展呢?实际上,扩展的方式可以从物理层和数据链路层扩展。在物理层扩展以太网主要依靠两种方式:1、更换传输介质,使用光纤扩展。2、使用集线器扩展。以下依据这两层了解扩展以太网。

    以太网上的主机之间的距离不能太远(例如,10BASE-T以太网的两台主机之间的距离不超过200米),否则主机发送的信号经过铜线的传输就会衰减到使CSMA/CD协议无法正常工作。

    • 更换传输介质,使用光纤扩展

      现在,扩展主机和集线器之间的距离的一种简单方法就是使用光纤(通常使一对光纤)和一对光纤调制解调器。

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    • 使用集线器扩展
      如果使用多个集线器,就可以连接成覆盖范围更大的多级星型结构的以太网。例如,一个学院的三个系各有一个10BASE-T以太网(如图3-24(a)),可通过一个主干集线器把各系的以太网连接起来,成为一个更大的以太网(图3-24(b))。我们还称这种连接方式为级联
      在这里插入图片描述
      以上内容可以归纳为以下内容:

    通过集线器连接的所有用户,是处在同一个冲突域下面,集线器下面连接的用户数量越多,当前这个冲突域就越大。冲突域越大,证明当中可能发生的冲突的用户数量就越多,意味着可能发送成功的可能性越低,效率越低,退避的时间更长。

    通过集线器连接的所有用户,是处在同一个冲突域下面,集线器下面连接的用户数量越多,当前这个冲突域就越大。冲突域越大,证明当中可能发生的冲突的用户数量就越多,意味着可能发送成功的可能性越低,效率越低,退避的时间更长。

    1、在数据链路层扩展以太网

    通过在物理层扩展以太网可知,这些问题不能再物理层被解决掉,那么就需要到物理层的上一层解决——数据链路层。由上面分析可知,如果要解决冲突域的问题,那么就不能共享总线,否则仍然会发生冲突。

    在数据链路层扩展以太网,最初人们使用的是网桥。网桥对接受到的帧根据其MAC帧的目的地址进行转发过滤(即丢弃)。当网桥收到一个帧时,并不是向所有的接口转发此帧,而是根据此帧的目的MAC地址,查找网桥中的地址表,然后确定将该帧转发到哪一个接口。或者是把它丢弃(即过滤)。

    后来诞生的交换式集线器,很快就淘汰了网桥。交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或者第二层交换机,强调这种交换机工作在数据链路层。但是“交换机“并无准确的定义和明确的概念,后来广泛接受了一个新的名词——以太网交换机。下面简单介绍以太网交换机的特点。

    1.1、以太网交换机的特点

    • 以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥

      • 通常都有十几个或更多的接口。
    • 每一个接口都有直接与一台主机或者另一个以太网交换机相连,并且一般都工作在双全工方式

    • 以太网交换机具有并行性

    • 能够同时连通多对接口,使多对主机能同时通信。

    • 相互通信的主机都是独占传输媒体的,无碰撞地传输数据。

    归纳:物理层产生的冲突,因为共享总线照成的问题,在数据链路层,由以太网交换机通过全双工方式和并行的由目的地转发方式,使得冲突被解决。

    • 以太网交换机的接口有存储器,能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。

    • 以太网交换机是一种即插即用的设备,其内部的帧交换表(又称地址表)是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。

    • 以太网减缓及使用了专用地交换结构芯片,用硬件转发,其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。

    1.2、以太网交换机的优点

    • 用户独享带宽,增加了总容量
      • 对于普通10Mbit/s的共享式以太网,若共有N个用户,则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10Mbit/s)的N分之一。
      • 使用以太网交换机时,虽然在每个接口到主机的带宽还是10Mbit/s,但是由于一个用户在通信时时独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽,因此对于拥有N个接口的交换机的总容量为N×10Mbit/s。
    • 从共享总线以太网转到交换式以太网时,所有接入设备的软件和硬件、设配器等都不需要做任何改动。
    • 以太网交换机一般具有多种速率的接口,方便了各种不同情况的用户。

    1.3、以太网交换机的交换方式

    • 存储转发方式

    • 把整个数据帧先缓存后在进行处理。

    • 直通方式

      • 接受数据帧的同时就立即按数据帧的目的MAC地址决定该帧的转发接口,因而提高了帧的转发速度。
      • 缺点是他不检查差错就直接将帧转发了出去(只检查帧的目的MAC地址是否正确。但是,例如目的MAC地址等就不会检测),因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站。

    2、以太网交换机地自学习功能

    以太网交换机中的交换表

    假设主机A向B发送信息,帧头中表示源地址是A,目的地址是B。
    第一步:通过主机A将帧从以太网交换机的接口1发送给以太网交换机。以太网交换机在收到A发送的帧的时候,发现从一号接口进来地来自于MAC地址是A的帧,则推断,如果从一号接口"出去"(接口到主机),就能到达MCA地址A,这就意味这MAC地址A是与一号接口有关系。一旦得到这样的信息,立即记录在交换表里面。
    第二步:将信息发送给B,立即在交换表中查找B连接在哪一个接口上面,但是此时交换表是空的,没有记录过关于B的任何信息,甚至不知道B是否连接在这个以太网交换机上面。如果找不到B,则将这个帧将通过广播的方式传递给每一个接口,即二号接口、三号接口、四号接口都收到这个帧。如果B连接在某个接口上面,根据以太网的工作方式可知,收到帧时,并且发现这个帧就是B,则把这个帧留下来。其他用户也会收到这个帧,但是其目的MAC地址不匹配,会将这个帧丢弃。由于这种默认存在工作方式,因此通过广播进行传递。如果B不在这个交换机上面,则这次广播无效。此时交换机仍然不知道B在哪个接口(接口到主机)。此时,当B发给A信息时,B的帧就从某一个接口"进入"以太网交换机了。以太网交换机不关注这个帧地目的MAC地址,只关注这个帧是从哪里发过来的,因此可以根据这个特性来确定这个帧的MAC地址。以太网交换机在收到B发出的帧地时候,发现了从三号接口进来了来自于MAC地址是B的帧,则倒回去推断可知,如果从三号接口出去,就能到达MCA地址B,这就意味这MAC地址B是与三号接口有关系。一旦得到这样的信息,立即记录在交换表里面。因为B发往A,检查交换表里面是否有关于A的信息,发现不久之前,A是连接在一号接口上面的,那么此时发送的方式不再是广播,而是直接发送给A即可。在这个过程中,C和D不知道这个过程,因为它们收不到来自B发个A的帧(交换机已经告诉了A在哪里了),一对一的过程。如果交换表里面的数据完整,就不再需要通过广播这种方式传播帧了。

    归纳:每次交换机收到一个帧的时候就会去判断接受这个帧的来源(原MAC地址)和接口之间的对应关系。如果没有关系,则记录。如果有关系,则判断目的地址有没有在交换机的交换表里面记录过,如果记录过,那就对应的接口去转发。如果没有记录,则通过广播的方式发送这个帧。

    2.1、交换机使用生成树协议STP

    • 按交换机自学习和转发方法,该帧的某个走向如下:离开交换机#1的接口3→交换机#2的接口1→接口2→交换机#1的接口4→接口3→交换机#2的接口1→…。这样就无限制地循环兜圈子下去,白白消耗了网络资源
      在这里插入图片描述
    • IEE802.1D标准制定了一个生成树协议STP
    • 其要点是:不改变网络的实际拓扑,但在逻辑上则切断某些链路,使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构,从而消除了兜圈子现象。

    三、虚拟局域网

    • 在物理位置上,不在一个交换机下面,但是在逻辑关系上,和我们所希望取得的资源方面,像一个局域网用户一样。例如,权限相同、具有同样的网络资源等等。
      在这里插入图片描述

    举个栗子:将上面的三个以太网交换机当作是三个楼层,A₁、A₂、A₃、A₄分别都是教务处的人员。A₁、A₂在一楼工作,A₃和A₄分别在二楼和三楼工作,由于四人都是教务处工作人员,则他们四人的权限应当是一样的。但是从物理位置上来看,四个人连接在了三个不同的交换机上面。

    一、二、三号的交换机连接在同一个以太网交换机上面,那么我们可以通过一些配置使得这些用户在跨交换机的情况下,仍然处在一个网络(虚拟局域网)当中的,他们具有同样的网络资源、权限,并且彼此之间相互访问时不会有任何的障碍。

    VLAN虚拟局域网实际上是在帧头前面增加了VLAN编号(VLAN标记或者VLAN-ID)。如果VLAN编号不同,即使是连接在同一个以太网交换机上面,但是实际上是两拨不同的用户。例如A₄和B₃,虽然处在同一层,但是确实两拨不同的用户。VLAN的作用是在检查MAC地址之前要检测VLAN标签。如果VLAN标签不一样,即使他们的MAC地址一一对应,都不可以保留。检测完VLAN标签以后,除了自己以外,和自己不同的所有的VLAN标签的]地所有用户全部排除在外。所以它所有的数据包不论是单播还是广播,VLAN₂和VLAN₃的用户的数据包一到交换机或者要发出去的时候,检测出VLAN标签不一样,那么所有数据包则全部被丢弃,所能传递的数据包是和VLAN₁标签一样的。

    重要结论:工作在数据链路层的交换机已经没有办法保证让不同的网络之间的用户能够通信。

    总结

    自己第一次学习写博客,难免存在一些地方不足,希望各位能够及时与作者联系。自己将会从底层开始,同时中间也会穿插着Python相关知识,与大家分享自己所学知识,和大家共同进步,希望对大家有所帮助,也希望自己在计算机这条道路上越走越远。

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