3.5 扩展的以太网

1 在物理层扩展以太网

• 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协议无法正常使用。
• 过去，广泛使用粗缆或细缆以太网时，常使用工作在物理层的转发器来扩展以太网的地理覆盖范围。现在，双绞线以太网成为以太网的主流类型，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(通常是一对光纤)和一对光纤调制解调器。
• 光纤调制解调器的作用，是进行电信号和光信号的转换。

 

　　此图将各有一个10BASE-T以太网的三个集线器通过一个主干集线器把各系的以太网连接起来，这样做可以使不同集线器上的计算机可以互相通信，也扩大了以太网覆盖的地理范围，集线器之间的距离可以是100m（使用双绞线），甚至更远（使用光纤）

但是这样也存在一些缺点：

　　（1）以前每一个集线器都是一个独立的碰撞域，三个碰撞域的最大吞吐量总共为30Mb/s，当三个集线器通过集线器互连起来后，三个碰撞域合成了一个碰撞域，那么最大吞吐量也变成了10Mb/s。

　　（2）如果不同的集线器使用不同的以太网技术（如数据率不同），那么就不能用集线器将它们互联起来。如果数据率不一样，则只能在小数据率的情况下工作，这是因为集线器接口并不能缓存帧

2 在数据链路层扩展以太网

　　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或过滤。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发这个帧，而是检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或者是把它丢弃(即过滤)。

　　1、网桥的内部机构

　　最简单的网桥有两个接口，复杂些的网桥可能有更多的接口。两个以太网通过网桥连接起来后，就成为一个覆盖范围更大的以太网，而原来的每个以太网就可以称为一个网段(segment)。

 　　　　

　　网桥通过转发表来转发帧。转发表也称为转发数据库或路由目录。

　　网桥的工作原理是通过内部的接口管理软件和网桥协议实体来完成以下操作的：

　　　　(1)若网桥从接口1收到A发给E的帧，则在查找转发表后，把这个帧送到接口2转发到另一个网段，使E能够收到这个帧。

　　　　(2)若网桥从接口1收到A发给B的帧，就丢弃这个帧，因为转发表指出，转发给B的帧应当从接口1中转发出去，而现在正是从接口1收到这个帧，这说明B和A处在同一个网段上，B能够直接收到这个帧而不需要借助网桥的转发。

　　使用网桥的好处：

　　（1）过滤通信量，增大吞吐量

　　　　网桥工作在数据链路层的MAC子层，可以使以太网各网段成为隔离区的碰撞域。

　　　　

　　（2）扩大了物理范围

　　　　扩大了物理范围，因而也增加了整个以太网上工作站的最大数目。

　　（3）提高了可靠性

　　　　提高了可靠性，当网络出现了故障时，一般只影响个别网段。

　　（4）可互连不同物理层，不同MAC层和不同速率的以太网

　　当然，网桥也有一些缺点：

　　　　（1）增加了时延

　　　　　　由于网桥对接收的帧要先存储和查找转发表，然后才转发，而转发之前，还必须执行CSMA/CD算法(发生碰撞时要退避)，这就增加了时延。

　　　　（2）没有流量控制功能

　　　　　　在MAC子层并没有流量控制功能。当网络上的负荷很重时，网桥中的缓存的存储空间可能不够而发生溢出，以致产生帧丢失的现象。

　　　　（3）广播风暴

　　　　　　网桥只适用于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的以太网，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。

　　两个网桥之间有点对点的链路

 　　　　

　　2、透明网桥

　　　　透明：指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，以太网上的站点都看不见以太网上的网桥。

　　　　透明网桥：是一种即插即用设备(plug-and-play device)，意思是只要把网桥接入局域网，不用人工配置转发表，网桥就能工作。

　　　　透明网桥的自学习算法：当网桥刚刚接入到以太网时，其转发表是空的。这时若网桥收到一个帧，网桥就按照自学习算法处理收到的帧(这样就逐步建立起转发表)，并且按照转发表把帧转发出去。

　　　　自学习原理：网桥收到一帧后先进行自学习，查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如果没有，就在转发表中增加一个项目(源地址、进入的接口和时间)；如果有，则把原有的项目进行更新。转发帧，查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。如果没有，则通过所有其他接口(但接入网桥的接口除外)进行转发。如果有，则按转发表中给出的接口进行转发。但应注意，若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃这个帧。

          

　　　　① 当 A 向 B 发送帧时，连接在同一个局域网上的站点B和网桥1都能收到A发送的帧。网桥 1 会先按源地址 A 查找转发表。如果在网桥 1 中没有 A 的地址，就会把 A 和收到此帧的接口 1 写入转发表。接着再按目的地址 B 查找转发表，转发表中没有 B 的地址，就会把 B 用另一个接口 2 转发出去。网桥 2 收到这个发过来的帧，采用同样的方式处理收到的帧。网桥 2 的转发表中没有 A 的地址，因此会在转发表中写入地址 A 和接口 1，网桥 B2 的转发表中没有 B 的地址，因此网桥 2 通过接口 2发送此帧。

　　　　② F向C发送帧，则网桥2收到该帧。网桥2按上述过程处理（记录，转发）后把帧转发出去，此时，站点C和网桥1都能收到该帧。网桥1再按照上述过程处理此帧（记录，转发）

　　　　③ B向A发送帧，则站点A和网桥1都能收到该帧。网桥1先按源地址B查找转发表，没有，则把地址B和收到此帧的接口1，记录到表中。再按目的地址查找转发表，查到A，其转发接口为1，就是收到该帧的接口，于是网桥1知道，不需要转发这个帧，直接丢弃。

　　　　优点：即插即用，方便，无需手动配置转发表

　　　　缺点：网络资源的利用还不充分

　　　　透明网桥还使用了一个生成树算法，让互联在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集。在这个子集里，整个联通的网络中不存在回路，即在任何两个站之间只有一条路径。

　　　　产生出这样一个生成树，就是为了避免产生转发的帧在网络中不断兜圈子。如下图，假如F发出的帧的目的地址在网桥1、2中都没有，那么这个帧就会在网络中不停的兜圈子，从而使网络资源不断地白白消耗了。

 　　　　

　　　　为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生成树，在生成树上的根网桥每隔一段时间还要对生成树的拓扑进行更新。

　　3、源路由网桥

　　　　　　源路由网桥是在发送帧时，把详细的路由信息放在帧的首部中。

　　　　　　那么，要如何获得路由呢？

　　　　　　就是通过先发送一个发现帧，从返回的各个路由中选择一个最佳路由，以后，凡是从这个源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。

　　　　　　源路由网桥对于主机不是透明的，主机必须知道网桥的标识以及连接到哪一个网段上。

　　4、多接口网桥——以太网交换机

　　　　交换式集线器又称为以太网交换机或第二次交换机，工作在数据链路层

　　　　交换机是一个市场名词，市面上的交换机多混杂网桥和路由器的功能。（以前上大学宿舍只有一个网孔，就买了一个交换机，现在用无线路由器了，因此手机，平板也能上网）

　　　　以太网交换机实质是一个多接口网桥，工作在数据链路层（集线器工作在物理层）

　　　　网桥的接口很少，而交换机的很多

　　　　网桥一般连接网段，而交换机连接主机或集线器

　　　　当主机通信时，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，无碰撞的传输数据。若数据传输率为10Mb/s，对于拥有N对接口的交换机的总容量为N*10Mb/s。这是交换机最大的优点

　　　　交换机有多种速率的接口。