计算机网络读书笔记——数据链路层（5）

扩展的以太网

在物理层扩展以太网

以太网主机的距离不能太远，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。在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。那时两个网段可用一个转发器连接起来（单个网段被限制为不超过500米长），IEEE 802.3标准还规定，任意两个站之间最多可以经过三个电缆网段。但随着双绞线以太网成为以太网的主流类型，扩展以太网的覆盖范围已经很少用转发器了。

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（通常一对光纤）和光纤调制解调器，如图：



光纤调制解调器的作用就是进行电信号和光信号的转换。由于光纤带来的时延很小，并且带宽很高，因此使用这种方法可以很容易地使主机和几公里以外的集线器相连接。如果使用多个集线器，就可以连接成覆盖更大范围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，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。

这样做可以有以下两个好处。第一，使这个学院不同系的以太网上的计算机能够进行跨系的通信。第二，扩大了以太网覆盖的地理范围。例如，在一个系的10BASE-T以太网中，主机与集线器的最大距离是100米，因而两个主机之间的最大距离是200米，但在通过主干集线器相连接后，不同系的主机之间的距离就可扩展了，因为集线器之间的距离可以是100米（使用双绞线）或甚至更远（如使用光纤） 。

但这种多级结构的集线器以太网也带来了一些缺点：1）多级结构的集线器以太网的碰撞域增大，所以碰撞概率提升了。2）各个适配器数据率不同，则会按数据率较低的适配器去接收和发送数据，也就造成了浪费，比如三个系中一个是10Mb/s，一个20Mb/s，一个30Mb/s，那么用集线器连接起来后，大家都只能工作在10Mb/s的速率。集线器基本上是个多接口的转发器，它并不能把帧进行缓存。



注意：

以太网两主机之间的间距不超过200米。

以太网主机与集线器之间的距离不超过100米。

在数据链路层扩展以太网

在数据链路层扩展以太网要使用网桥。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，或者是把它丢弃（即过滤）。最简单的网桥有两个接口，复杂些的网桥可以有更多的接口。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。

网桥可带来以下好处：

1. 过滤通信量，增大吞吐量。网桥工作在链路层的MAC子层，可以使以太网各网段成为隔离开的碰撞域。如果把网桥换成工作在物理层的转发器，那就没有这种过滤通信量的功能。下图说明了这一概念，网桥B1和B2把三个网段连接成一个以太网，但它具有三个隔离开的碰撞域。



不同网段通信不会收到干扰，例如A和B通信，其他网段上的C和D以及E和F也都可以同时通信。但如果A要和另一个网段上的C通信，就必须经过网桥B1的转发，那么这两个网段上就不能再有其他的站点进行通信（但这时E和F仍然可以通信），因此若每个网段的数据率都是10Mb/s，那么三个网段合起来的最大吞吐量就变成30Mb/s。如果把两个网桥换成为集线器或转发器，那么整个网络仍然是一个碰撞域，当A和B通信时，所有其他站点都不能通信，整个碰撞域的最大吞吐量仍然是10Mb/s。

2. 扩大物理范围，网桥的使用增加了整个以太网上工作站的最大数目。

3. 提高了可靠性，当网络故障出现时，一般只影响个别网段。

4. 可互联不同物理层、不同MAC子层和不同速率（10Mb/s和100Mb/s）的以太网。

网桥的缺点：

1. 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，当检测到冲突（碰撞）时还要进行二进制指数退避，这就增加了时延。

2. 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. 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，即广播风暴。

尽管如此，网桥仍获得了很广泛的应用，因为它的优点还是主要的。

透明网桥

目前使用最多的网桥是透明网桥，其标准是IEEE802.1D。“透明”是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。透明网桥还是一种即插即用设备，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。这点很重要，因为虽然从理论上讲，网桥中的转发表可以用手工配置，但若以太网上的站点数很多，并且站点位置或网络拓扑也经常变化，那么人工配置转发表既耗时又很容易出错。当网桥刚刚连接到以太网时，其转发表是空的。这时若网桥收到一个帧，它将怎样处理呢？网桥会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。

多接口网桥——以太网交换机

1990年问世的交换式集线器可明显提高以太网性能，交换式集线器又称以太网交换机或第二层交换机，表明这种交换机工作在数据链路层。从技术上讲，网桥的接口数很少，一般只有2-4个，而以太网交换机通常都有十几个接口，因此以太网交换机实际上就是一个多接口的网桥，和工作在物理层的转发器和集线器有很大差别。此外，以太网交换机的每个接口都直接与一个单个主机或另一个集线器相连，并且一般都工作在全双工方式。当主机需要通信时，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能够像独占通信媒体那样，无碰撞地传输数据。以太网交换机和透明网桥一样，也是一种即插即用设备，其内部的帧转发表也是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。当两个站通信完成后就断开连接。

从共享总线以太网或10BASE-T以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、适配器等都不需要作任何改动。也就是说所有接入的设备继续使用CSMA/CD协议，此外只要增加集线器的容量，整个系统的容量是很容易扩充的。虽然许多以太网交换机对收到的帧采用存储转发方式进行转发，但也有一些交换机采用直通的交换方式，直通交换不必把整个数据帧先缓存后再进行处理，而是在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。

网桥与交换机的联系与区别

联系：风格都是基于帧地址进行路由。

区别：网桥每个端口连接两个或多个LAN（局域网），交换机的每个端口连接一台计算机。

高速以太网

100BASE-T以太网（快速以太网）

100BASE-T是在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE 802.3的CSMA/CD协议，它又称为快速以太网。用户只要更换一张适配器，再配上一个100Mb/s的集线器，就可很方便地由10BASE-T以太网直接升级到100Mb/s，而不必改变网络拓扑结构。所有在10BASE-T上的应用软件和网络软件都可保持不变，100BASE-T的适配器有很强的自适应性，能够自动识别10Mb/s和100Mb/s。1995年IEEE已把100BASE-T的快速以太网定为正式标准，其代号为IEEE 802.3u，100BASE-T可使用交换式集线器（交换机）提供很好的服务质量，可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此CSMA/CD协议对全双工方式工作的快速以太网是不起作用的（但在半双工方式工作时则一定要使用CSMA/CD协议）。可能有人问，不适用CSMA/CD协议为什么还能够叫作以太网呢？这是因为快速以太网使用的MAC帧格式仍然是IEEE 802.3标准规定的帧格式。然而IEEE 802.3u的标准未包括对同轴电缆的支持，这意味着想从细缆以太网升级到快速以太网的用户必须重新布线，因此现在10/100Mb/s以太网都是使用无屏蔽双绞线布线。

吉比特以太网

吉比特以太网又称千兆以太网，吉比特以太网的标准IEEE 802.3z有以下特点：

1. 允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作。

2. 使用IEEE 802.3协议规定的帧格式。

3. 在半双工方式下使用CSMA/CD协议（全双工方式不需要使用CSMA/CD协议）。

4. 与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容。

吉比特以太网可用作现有网络的主干网，也可在高带宽（高速率）的应用场合中（如医疗图像或CAD的图形等）用来连接工作站和服务器。