《计算机网络》第3章：数据链路层

第3章：数据链路层

3.1 数据链路层的功能

数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，其主要作用是加强物理传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路。
对于网络层而言，数据链路层的基本任务是将源机器中来自网络的数据传输到目标机器的网络层。数据链路层通常可为网络层提供的服务有：
1) 无确认的无连接服务。源机器发送数据帧时不需先建立链路连接，目的机器收到数据帧时不需发回确认。对丢失的帧，数据链路层不负责重发而交给上层处理。适用于实时通信或误码率较低的通信信道，如以太网。
2) 有确认的无连接服务。源机器发送数据帧时不需先建立链路连接，但目的机器收到数据帧时必须发回确认。源机器在所规定的时间内没有收到确认信号，就重传丢失的帧，以提高传输的可靠性。
3) 有缺人的面相链接服务和。帧传输过程分为三个阶段：建立数据链路、传输帧、释放数据链路。
有连接就一定要有确认，即不存在无确认的面向连接服务。
数据链路层链接的简历、维持和释放过程称作链路管理，是主要用于面向连接的服务。当链路两端的结点要进行通信前，必须收先确认对方已处于就绪状态，并交换一些必要的信息以对帧序号初始化，然后才能建立连接，在传输过程中则要能维持连接，而在传输完毕后则要释放该连接。
两个工作站之间传输信息时，必须将网络分组封装成帧，以帧的格式进行传送。将一段数据前后分别添加首部和尾部，就构成了帧。首部和尾部中含有很多控制信息，它们的一个重要作用是确定帧的界限，即帧定界。而帧同步指的是接收方应当能从接收到的二进制比特流中区分出帧的其实与中值。
如果在数据中恰好出现与帧定界符相同的比特组合，就要采取有效的措施解决这个问题，即透明传输。
流量控制就是限制发送方的数据流量，使其发送速率不超过接收方的接收能力。
流量控制对数据链路层来说，控制的是相邻两结点之间数据链路上的流量；而对于传输层来说，控制的是从源端到目的端之间的流量。
由于信道噪声等各种原因，帧在传输过程中可能会出现错误。用以使发送方确定接收方是否正确收到了由它发送的数据的方法称为差错控制。通常这些错误可分为位错和帧错。
位错是指帧中某位出现了错误。通常采用循环冗余校验（CRC）方式发现位错。通过自动重传请求（Automatic Request reQuest, ARQ）方式来重传出错的帧。具体做法是：让发送方将要发送的数据帧附加一定的CRC冗余检错码一并发送，接收方则根据检错码对数据帧进行错误检测，若发现错误，则丢弃，发送方超时重传该数据帧。ARQ法仅返回很少的控制信息，便可有效地确认所发送数据帧是否被正确接收。
帧错是指帧的丢失、重复或失序等错误。在数据链路层引入定时器和编号机制，可以保证每一帧都能有切仅有有一次正确地交付给目的结点。

3.2 组帧

数据链路层之所以要把比特组合成帧为单位传输，是为了在出错时只重发出错的帧，而不必重发全部数据，从而提高了效率。为了使接收方能正确地接收并检查所传输的帧，发送方必须一句一定的规则把网络层递交的分组封装成帧（称为主帧）。主帧主要解决帧定界、帧同步透明传输等问题。通常有以下几种方法实现主帧：
1) 字符计数法
字符计数法是在帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数。当目的结点的数据链路层收到字节计数值时就知道后面跟随的字节数，从而确定帧结束的位置。
2) 字符填充的首位定界符法
字符填充法使用一些特定的字符来定界一帧的开始（DLE STX）与结束（DLE ETX）。为了使信息位中出现的特殊字符不被误判为帧的首位定界符，可以再特殊字符前面甜宠一个转义字符（DLE）来加以区分，以实现数据的透明传输。接收方收到转义字符后就知道起后面紧跟的是数据信息，而不是控制信息。
3) 比特填充的首尾标志法
比特填充法允许数据帧包含人一个书的比特，也允许每个字符的编码包含任意个数的比特。它使用一个特定的比特模式，即01111110来标志一帧的开始和结束。
4) 违规编码法
在物理层比特编码时通常采用违规编码法。可以借用这些未归编码序列来定界帧的起始和终止。局域网IEEE802标准就采用了这种方法。
由于字节计数法中计数字段的脆弱性和字符填充法实现上的复杂性与不兼容性，目前较常用的组帧方法是比特填充法和违规编码法。

3.3 差错控制

传输中的操作都是由于噪声引起的，噪声分为两大类：
1) 信道所固有的、持续存在的随机热噪声；
2) 由于外界特定的短暂原因所造成的冲击噪音。
通常利用编码技术进行差错控制，主要有两类：
1) 自动重传请求（Automatic Retransmission Request，ARQ），接收端检测出差错时，就设法通知发送端重发，知道接收到正确的码字为止。
2) 向前纠错（Forward Error Correction，FEC），接收端不但能发现差错，而且能确定二进制数码的错误位置，从而加以纠正。
差错控制又可分为检错编码（Error-Detecting Code）和纠错编码（Error-Correcting code）
检错编码都是采用冗余编码技术。其核心思想是在有效数据（信息位）被发送前，先按某种关系附加上一定的冗余位，构成一个符合某一规则的码字后再发送。当要发送的有效数据变化时，相应的冗余位也随之变化，使得码字遵从不变的规则。接收端收到码字是否符合元规则，从而判断是否出错。
常见的纠错编码有：
1) 奇偶校验码：是奇校验码和偶检验码的统称，是一种最基本的检错码。由n-1位信息元和1位校验元组成，如果是奇校验码，在附加上一个校验元之后，码长为n的码字中『1』的个数为奇数；如果是偶校验码，在附加一个校验元之后，码长为n的码字中『1』的个数为偶数。它又分为垂直奇偶校验、水平奇偶校验码和水平垂直奇偶校验。
2) 循环冗余码（Cycle Redundancy Code，CRC）：又称多项式码，任何一个由二进制数位串组成的代码都可以和一个只含有0和1两个系数的多项式建立一一对应关系。
假设一个帧有m位，其对应的多项式为M(x)，则计算冗余码的步骤如下：
1) 加0.假设G(x)的阶为r，在帧的低位端加上r个0.
2) 模2除。利用模2除法，用G(x)对应的数据穿去除1)中计算出的数据穿，得到玉树即为冗余码（共r位，前面的0不可省略）。
在数据通信的过程中，解决纠错问题的一种方法是在每个要发送的数据块上附加足够的冗余信息，使接收方能推导出发送方实际送出的对应应该是什么样的比特串。最常见的纠错编码是海明码，它能发现双比特错，但只能纠正单比特错。

3.4 流量控制与可靠传输机制

流量控制涉及对链路上的帧的发送速率的控制，以使接收方有足够的缓存空间来接收每一个帧。
停止-等待流量控制基本原理：发送方每发送一帧，都要等待接收方的应答信号，之后才能发送下一帧；接收方每接收一帧，都要反馈一个应答信号，表示可以接收下一帧，如果接收方不反馈应答信号，则发送方必须一直等待。
滑动窗口流量控制基本原理：
在任意时刻，发送方都要维持一组连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口；同时接收方也维持一组连续的允许接收帧的序号，称为接收窗口。发送窗口用来对发送方进行了流量控制，而发送窗口的大小Wt表示在还没有接收到对方确认信息的情况下发送方对多还可以发送多少个数据帧。
滑动窗口有以下重要特性：
1) 只有接收窗口向前滑动时（同时接收方发送了确认帧），发送窗口才有可能（只有发送方收到确认帧才是一定）向前滑动。
2) 从滑动窗口的概念看，停止-等待洗衣、后退N帧协议和选择重传协议只在发送窗口大小和接收窗口大小上有所差别：
a) 停止-等待协议：发送窗口大小=1，接收窗口大小=1；
b) 后退N帧协议：发送窗口大小>1，接收窗口大小=1；
c) 选择重传协议：发送窗口大小>1；接收窗口大小>1；
3) 当接收窗口的大小为1时，可保证帧的有序接收。
4) 数据链路层的滑动窗口协议中，窗口的大小在传输过程中是固定的。
数据链路层的可靠传输机制通常使用确认和超时重传两种机制完成。确认是一种无数据的控制帧，这种控制帧使得接收方可以让发送方知道哪些内容被正确接收。超时重传是指发送方在发送某一个数据帧以后就开启一个计时器，在一定时间内如果没有得到发送的数据帧的确认帧，那么就重新发送该数据帧，直到发送成功为止。
信道吞吐率 = 信道吕用率 * 发送方的发送速率。

3.5 介质访问控制

介质访问控制索要完成的主要任务是为使用介质的每个结点隔离来自同意信道上其他结点所传送的信号，以协调活动结点的传输。用来决定广播信道中信道分配的协议属于数据链路层的子层，称为介质访问控制（Medium Access Control， MAC）子层。
常见的介质访问控制方法有：信道划分介质访问控制、随机访问介质访问控制和轮询访问介质访问控制。前者是静态划分信道的方法，而后者是动态分配信道的方法。
信道划分介质访问控制将使用戒指的每个设别与来自同意通信信道上的其他设备的通信隔离开来，把时域资源合理地分配给网络上的设备。
多路复用：当传输介质的带宽超过了传输单个信号所需的带宽时，人们就通过在一条介质上同时携带多个传输信号的方法来提高传输系统的利用率，也是实现信道划分介质访问控制的途径。多路福永技术把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使多个计算机或终端设备共享心岛资源，提高信道的利用率。
信道划分介质访问控制分为4种：
1) 频分多路复用（FDM）：
频分多路复用是一种节哀那个多路基带信号调知道不同频率载波上再进行叠加形成一个复用信号的多路复用技术。
2) 时分多路复用（TDM）：
时分多路复用是将一条物理信道按时间分成若干时间片，轮流地分配给多个信号使用。每一个时间片由复用的一个信号站好用，而不像FDM那样，同一时间同时发送多路信号。
3) 波分多路复用（WDM）：
波分多路复用就是光的频分多路复用，在一根光纤中传输不同的波长（频率）的光信号，由于波长（频率）不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。由于光波处于频谱的高频段，有很高的带宽，因而可以实现很多路的波分复用。
4) 码分多路复用（CDM）：
码分复用是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。与FDM和TDM不同，它既共享信道的频率，又共享时间。
在随机访问协议中，不采用集中控制方式解决发送信息的次序问题，所有用户都可以根据自己的意愿随机地发送信息，占用信道全部速率。在总线网中，当有两个或更多用户同时发送信息时，就会产生帧的冲突（碰撞，即前面所说的互相干扰），这导致所有冲突用户的发送均以失败告终。为解决随机接入发生的碰撞，每个用户需按照一定的规则反复地重传它的帧，直到该帧无碰撞地通过。这些规则就是随机访问介质控制协议，常见的协议有ALOHA协议、CSMA协议、CSMA/CD协议和CSMA/CA协议等，它们的核心思想都是：胜利者通过争用获得信道，从而获得信息的发送权。随机访问介质控制协议又称为争用型协议。
ALOHA（Additive Link On-Line Hawaii system）协议：
1) 纯ALOHA协议：纯ALOHA的基本思想是当网络中的任何一个站点需要发送数据时，可以不进行任何检测就发送数据。如果一段时间内没有收到确认，该站点就认为传输过程中发生了冲突。发送站点需要等待一段时间后再发送数据，直至发送成功。
2) 间隙ALOHA协议：时隙ALOHA是把所有各站在时间上都同步起来，并将时间划分为一段段登场的时隙（Slot），规定只能在每个时隙开始时才能发送一帧。从而避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率。
CSMA协议：
载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）协议：每个站点在发送钱都先侦听一下共用的信道，发现信道空闲后再发送，将大大减少冲突的可能，提高信道的利用率。
根据侦听方式和侦听信道忙后的处理方式不同，有三种不同的CSMA协议。
1) 1-坚持CSMA：当一个结点要发送数据时，首先侦听信道：如果信道空闲就立即发送数据；如果信道忙则等待，同时继续侦听直至信道空闲；如果发生冲突，则随机等待一段时间后，再重新开始侦听信道。
『1-坚持』的含义是指：当侦听信道忙后，继续坚持侦听信道；当侦听信道空闲后，发送帧的概率为1，即立即发送数据。
2) 2-非坚持CSMA：当一个结点要发送数据时，首先侦听信道：如果信道空闲就立即发送数据；如果信道忙就放弃侦听，等待一个随机的时间后再重复上述过程。
非坚持CSMA协议在帧听到信道忙后就放弃侦听，这样就减少了多个结点等待信道空闲后同时发送数据导致冲突的概率。信道利用率的提高是以增加数据在网络中的延时时间为代价的。
3) p-坚持CSMA：当一个结点要发送数据时，首先监听信道：如果信道忙，则等待下一个时隙再监听；如果信道空闲，便以概率p发送数据，以概率1-p推迟到下一个时隙；如果在下一个时隙信道仍然空闲，则仍以概率p发送数据，以概率1-p推迟到下一个时隙；这个过程持续到数据发送成功或者因其他借点发送数据而检测到信道忙完为止，若是后者，则等待一个随机的时间后再重新开始侦听。
CSMA/CD协议：
载波侦听多路访问/碰撞检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）协议是CSMA协议的改进方案，适用于总线型网络或半双工网络环境。
CSMA/CD的工作流程：『先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发』
1) 适配器从它的父节点活得一个网络层数据报，准备一个以太网帧，并把该帧放到适配器缓存区中。
2) 如果适配器监听到信道空闲，它开始传输该帧。如果适配器侦听到忙，它将等待直至真听到没有信号能量，然后开始传输该帧。
3) 在传输过程中，适配器检测来自其他适配器的信号能量的出现。如果这个适配器传输了整个帧，而没有检测到来自其他适配器的信能量，这个适配器完成该帧的传输。否则，适配器就必须停止传输它的帧，取而代之传输一个48比特的拥塞信号。
4) 在终止（即传输拥塞信号）以后，适配器采用截断二进制指数退避算法来等待一段随机时间后返回到底2）步。
CSMA/CA协议
802.11标准定义了广泛应用于无线局域网的CSMA/CS协议，对CSMA/CD进行修改，把碰撞检测改为碰撞避免CA（Collision Avoidance）。碰撞避免并不是指协议可以完全避免碰撞，而是指协议的设计要尽量减少碰撞发生的概率。
CSMA/CA还是用预约信道、ACK帧、RTS/CTS帧等三中机智来实现碰撞避免。
1) 预约信道。发送方在发送数据的同时向其他站点通知自己传输数据需要的时间长度，以便让其他站点在这段时间内不发送数据，从而比买呢碰撞。
2) ACK帧。所有站点在正确接收到发给自己的数据帧（除噶滚泊镇和组播帧）后，都需要向发送方发回一个ACK帧，如果接收失败则不采取任何行动。发送方在发送一个数据帧后，在规定的时间内如果没有收到ACK帧，则认为发送失败，将进行该数据帧的重发，知道收到ACK帧或者达到规定重发次数为止。
3) RTS/CTS帧。是可选的碰撞避免机制，主要用于解决无线网络中的『隐蔽站』问题。
前两者是必须实现的，RTS/CTS帧是可选的。
CSMA/CD与CSMA/CA主要有如下区别：
1) CSMA/CD可以检测冲突，但无法避免；CSMA/CA发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，本结点处没有冲突并不意味着在接收结点处就没有冲突，只能尽量避免。
2) 传输介质不同。CSMA/CD用于总线式以太网，而CSMA/CA则用于无线局域网802.11a/b/g/n等。
3) 检测方式不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测；而CSMA/CA采用能量检测、再拨检测和能量载波混合检测三种检测信道检测空闲的方式。
4) 在本借点出有（无）冲突，并不一定意味着在接收结点处就有（无）冲突。
CSMA/CA协议的基本思想就是在发送数据时先广播告知其他结点，让其他结点在某短时间内不要发送数据，以免出现碰撞。CSMA/CD协议的基本思想就是发送前侦听，边发送边侦听，一旦出现碰撞马上停止。

3.6 局域网

局域网（Local Area Network，LAN）是在一个较小的地理范围那日将各种计算机等、外部设备和数据库系统通过双绞线、同轴电缆等连接介质互相连接起来，组成资源和信息共享的计算机互联网络。
特点：
1) 为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
2) 所有的站供销较高的总带宽（即较高的数据传输速率）。
3) 较低的时延和较低的误码率。
4) 各站为平等关系而不是主从关系。
5) 能进行广播和组播。
局域网的特性主要由三个要素决定：拓扑结构、传输介质、介质访问控制方式，最重要的是介质访问控制方式，决定着局域网的技术特性。
常见的局域网拓扑结构主要有四大类：
1) 星形结构
2) 环形结构
3) 总线形结构
4) 星形和总线形的复合结构
局域网可以使用双绞线、铜缆和光纤，其中双绞线为主流传输介质。
局域网的介质访问控制方法主要有：CSMA/CD、令牌总线和令牌环。前两种方法主要用于总线型局域网，令牌环主要用于环形局域网。
三种特殊局域网的拓扑实现：
1) 以太网（目前使用最广泛的局域网）：逻辑拓扑是总线型结构，物理拓扑是星形或扩展星形结构结构。
2) 令牌环（Token Ring，IEEE802.5）：逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是星形结构。
3) FDDI（光纤分布数字接口，IEEE802）：逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是双环结构。
IEEE802.3标准是一种基带总线型局域网标准，描述物理层和数据链路层的MAC子层的实现方法。以太网逻辑上采用总线型拓扑结构，以太网中所有计算机共享同一条总线，信息以传播方式发送。
以太网的传输介质有4中：粗缆、细缆、双绞线和光纤。
计算机与外界局域网的连接是通过主机箱内插入一块网络接口板，又称网络适配器（Adapter）或网络接口卡（Network Interface Card，NIC）。
每一块网络适配器（网卡）有一个地址，称为MAC地址，也称物理地址。
高速以太网：速率到到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网。
1) 100BASE-T以太网：是在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星形拓扑结构以太网，使用CSMA/CD协议。
2) 吉比特以太网：又称千兆以太网，允许在1Gb/s下用全双工或半双工两种方式工作。
3) 10吉比特以太网
IEEE 802.11是无线局域网的一系列协议标准，包括802.11a和802.11b等。它们制定了MAC层协议，运行在多个物理层标准上。
无线局域网可分为：
1) 有固定基础设施的无线局域网：
2) 无固定基础设施设施的无线局域网自组网路（Ad Hoc Network）
令牌环网的媒体接入控制采用的是分布式控制模式的循环方法。

3.7 广域网

广域网通常是指覆盖范围很广（远远超过一个城市的范围）的长距离网络。广域网是因特网的核心部分，其任务是通过长距离运送主机所发送的数据。连接广域网各借点交换机的链路都是高速链路，其距离可以是几千公里的光缆线路，也可以是几万公里的点对点卫星链路。因此广域网首要考虑的问题是通信容量必须足够大，以便支持日益增长的通信量。
广域网由一些结点交换机以及连接这些交换机的链路组成。结点交换机执行将分组存储转发的功能。结点交换机将执行分组存储转发的功能。结点之间都是点到点连接，但为了提高网络的可靠性，通常一个结点交换机往往与多个结点交换机相连。
如果两个结点要进行数据交换，借点出了要给出数据意外，还要给数据『包装』上一层控制信息，用于实现检验纠错等功能。如果这层控制信息是数据链路层协议的控制信息，那么就称使用了数据链路层协议，如果这层控制信息是网络层的控制信息，那么就是用了网络层协议。
PPP协议和HDLC协议是目前最常用的两种广域网数据链路层控制协议。
PPP（Point-to-Point Protocol）是使用串行线路通信的字面字节的协议，该下一应用在直接连接两个结点的链路上。设计的目的主要是通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共同的解决方案。
PPP有三个组成部分：
1) 链路控制协议LCP：一种扩展链路控制协议，用于建立、配置、测试和管理数据链路。
2) 网络控制协议NCP：PPP允许同事才用多种网络层协议，每隔不同的网络层协议要用一个相对应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。
3) 一个将IP数据报封装到串行链路的方法。IP数据报在PPP帧就是其信息部分。这个信息部分的最大长度受最大传送但愿MTU的限制。
注意事项：
1) PPP提供差错检测但不提供纠错功能，只保证无差错接收（通过硬件进行CRC校验）。它是不可靠的传输协议，因此也不是用序号和确认机制。
2) 它仅仅支持点对点的链路通信，不支持多点线路。
3) PPP只支持全双工链路。
4) PPP的两段可以运行不同的网络层协议，但仍可使用同一个PPP进行通信。
5) PPP是面向字节的，当信息字段出现和标志字段一致的比特组合时，PPP有两种不同处理方法：如果PPP在用异步线路（默认）时，采用五字节填充法；如果PPP用在SONET/SDH等同步路线时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和HDLC做法一样）。
HDLC协议：高级数据链路控制（High-level Data Link Control，HDLC）协议是ISO制定的面向比特（PPP协议是面向字节）的数据链路层协议。该协议不依赖与任何一种字符编码集；数据报问可透明传输，用语实现透明传输的『0比特插入法』易于硬件实现；全双工通信，有较高的数据链路传输效率；所有帧采用CRC检验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重发，传输可靠性高；传输控制功能与处理功能分离，具有较大灵活性。
HDLC可适用于链路的两种基本配置：非平衡配置和平衡配置。
1) 非平衡配置的特点是一个主站控制整个链路的工作。
2) 平衡配置的特点是链路两段的两个站都是复合站，每个复合站都可以平等地发起数据传输，而不需要得到对方复合站的允许。
HDLC有3种站类型：
1) 主站：负责控制链路的操作，主站发出的帧为命令帧；
2) 从站：从站受控于主站，按主站的命令进行操作，发出的帧为响应帧；
3) 复合站：既具有主站的功能又具有从站的功能，可以发出命令帧和响应帧。
HDLC的三种数据操作方式：
1) 正常响应方式：是一种非平衡结构操作方式，即主站向从站传输数据，从站进行响应传输，但是从站只有在收到主站的许可后，才进行响应。
2) 异步平衡方式：是一种平衡结构操作方式，在这种方式中，每一个复合站都可以进行对另一站的数据传输。
3) 异步响应方式：是一种非平衡结构操作方式，在这种方式中，从站在没有接收到主站的允许下就可以进行传输。
HDLC的帧格式由标志、地址、控制、信息和帧校验序列（FCS）、标识等字段构成。HDLC协议采用比特填充的首位标志法实现透明传输。
PPP帧和HDLC帧格式的不同点：
1) PPP是面向字节的，HDLC是面向比特的。
2) PPP帧比HDLC帧多一个2字节的协议字段。当协议字段值为0x0021时，表示信息字段是IP数据报。
3) PPP不使用序号和确认机制，只保证无差错接收，而端到端差错检测由高层协议负责。HDLC协议的信息帧使用了编号和确认机制，能够提供可靠传输。

3.8 数据链路层设备

网桥的基本特点：
1) 网桥必须具有寻址和路径选择能力，以确定帧的传输方向；
2) 从源网络接收帧，以目的网络的介质访问控制协议向目的的网络转发该帧；
3) 网桥在不同或想同类型的LAN之间存储并转发帧，必要时还要进行链路层上的协议转换；
4) 网桥对所接收到的帧不做任何修改，或只对帧的封装格式做很少的修改；
5) 网桥可以通过执行帧翻译互联不同类型的局域网，即把袁协议的信息段的内容作为另一种协议的信息部分封装在帧中；
6) 网桥应有足够大的缓冲空间，因为在短时间内帧的到达速度可能高于转发速度。
网桥的优点：
1) 过滤通信量；
2) 扩大物理范围；
3) 可使用不同的物理层；
4) 可互联不同类型的局域网；
5) 提高了可靠性；
6) 行能得到改善。
网桥的缺点：
1) 增加时延；
2) MAC子层没有流量控制功能（流量控制需要用到编号机制，编号机制的实现在LLC子层）；
3) 不同MAC子层的网段桥接在一起时，帧格式的转换；
4) 网桥只适用于用户数不多和通信量不太大的局域网，否则有时还会因为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。
桥必须具有路径选择功能，当接收到帧后，要决定正确的路径，将该帧转送到响应的目的局域网站点。根据路径选择算法的不同，可将网桥分为透明网桥和源路由网桥。
透明网桥（选择的不是最佳路由）：以混合方式工作，它接收预支链接的所有LAN的每一帧。到达帧的路由选择过程取决于源LAN和目的LAN：
1) 如果源LAN和目的LAN相同，则丢弃该帧；
2) 如果源LAN和目的LAN不同，则转发该帧；
3) 如果目的LAN未知，则扩散该帧。
当网桥连接到以太网时，其转发表是空的，网桥按照自学习算法处理收到的帧。
为避免转发的帧在网络中不断地『兜圈子』，透明网桥使用了一种生成树算法（无环），以确保每个源到目的地只有唯一的路径。生成树使得整个局域网在逻辑上形成树形结构，所以工作起来逻辑上没有环路，但生成树一般不是最佳路由。
源路由网桥：路由选择由发送数据帧的源站负责，网桥只根据数据真正的路由信息对帧进行接收和转发。源路由网桥对主机是不透明的，主机必须知道网桥的标识以及连接在哪个网段上。路由选择由发送帧的源站负责。
发送帧可以帮助源站确定整个网络可以通过的帧的最大长度。由于发现帧的数量指数增加，可能会使网络严重拥塞。
两种网桥的比较：使用源路由网桥可以利用最佳路由。若在两个以太网之间使用并联的源路由网桥，还可以使通信量较平均地分配给每一个网桥。用透明桥则只能生成树，而使用生成树一般并不能保证所使用的路由是最佳的。
以太网交换机是一个多端口的网桥，工作在数据链路层。交换机能经济地将网络分成小的冲突域，为每个工作站提供更高的带宽。
以太网交换机对工作站是透明的，这样管理开销低廉，简化了网络结点接口的增加、移动和网络变化的操作。
以太网交换机的原理：它检测从一台端口来的数据帧的源和目的地的MAC（戒指访问层）地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据帧的MAC地址不再查找表中，则将改地址加入查找表中，并将数据帧发送给相应的目的端口。
以太网交换机的特点：
1) 以太网交换机的每隔端口都直接与单个主机相连（普通网桥的端口往往是连接到以太网的一个网段），并且一般都工作在全双工方式。
2) 以太网交换机能同时联通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，无碰撞地传输数据。
3) 以太网交换机也是一种即插即用的设备（和透明网桥一样），其内部的帧的转发表也是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
4) 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，交换速率较高。
5) 以太网交换机独占传输媒体的带宽。
以太网交换机主要采用两种交换模式：
1) 直通式交换机只能检查帧的目的地址，这使得帧在接收后能马上被传出去。这种方式速度很快，但缺乏智能性和安全性，也无法支持具有不同速率的端口的交换。
2) 存储转发式交换机先将接收到的帧缓存到高速缓存器中，并检查拘束是否正确。确认无误后通过查找表转换成输出端口将该帧发送出去。如果发送帧有错，就将其丢弃。存储转发式的优点是可靠性高，并能支持不同速度端口间的转换，缺点是延迟较大。