扩展以太网的覆盖范围-计算机网络技术

2023-10-19 理论教育版权反馈

【摘要】：有时，用户还会有扩展现有局域网覆盖范围的需求，下面介绍几种扩展局域网覆盖范围的方法。在过去，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。图4.8网桥工作原理及内部结构通常情况下，网桥依据转发表来转发帧。表中的“帧进入网桥的时间”项可使网络保持最新的状态信息。利用交换机扩展以太网如前所述，为了提高以太网的带宽，1990年交换式集线器问世，从而产生了交换式以太网，极大地提高了以太网的性能。

随着局域网的普及，在同一个单位建设数个局域网的现象已经很常见。有时，用户还会有扩展现有局域网覆盖范围的需求，下面介绍几种扩展局域网覆盖范围的方法。

（1）利用集线器在物理层扩展局域网

以太网上主机之间的距离不能太远，否则主机发送的信号经过传输就会衰减，使得CSMA/CD 协议无法正常工作。在过去，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。目前，以太网的传输介质一般都使用双绞线，构成星形结构，在星形的中心是集线器，每一个站用两对非屏蔽双绞线与集线器相连。若要扩展主机与集线器之间的距离，最简单的方法是使用光纤和一对光调制解调器，由于光纤带来的时延很小并且带宽很高，因此可以很容易地使主机与集线器之间的距离扩大到数千米之远。

利用集线器扩展局域网通常采用堆叠式集线器，即将多个集线器堆叠在一起通过级联使用。但这种多级结构的局域网存在一些问题，主要有：所有用户共享带宽，每一个用户的可用带宽随接入用户数的增加而减少，它不允许多个接口同时工作，不能增加局域网的总吞吐量；其次，如果各局域网使用不同的以太网技术（如数据速率不同），就不能采用集线器将它们互联起来。

（2）利用网桥在数据链路层扩展局域网

在数据链路层扩展以太网主要使用网桥。网桥也称为桥接器，它工作在数据链路层，是连接两个局域网的存储转发设备。它可以截获所有的网络信息，并读取每个帧的目的MAC 地址，并根据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，首先检查此帧的地址，建立已知目标的地址表，如果帧的目的地址和源地址在同一个网段上，就没必要转发该帧，网桥就会删除该帧；如果帧的目的地址在另一个网段上，它就只向这个网段发送帧；如果网桥不知道目的网段，则网桥会将该帧广播到所有的网段。

网桥一般由接口、缓冲区、接口管理软件、网桥协议实体和转发表等组成。其中，接口的数量随网桥的复杂程度而定。网桥的工作原理及内部结构如图4.8所示。

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图4.8　网桥工作原理及内部结构

通常情况下，网桥依据转发表来转发帧。转发表也称为转发数据库，它记录着MAC 地址、接口号以及接收到帧进入该网桥的时间。假设，有六个用户使用网桥组成了局域网（如图4.9所示），在此局域网的拓扑结构下，网桥转发帧的大致工作过程描述为：若网桥从接口1 收到A发给E 的帧，则查找转发表，并将这个帧送到接口2 转发到另一个网段，使得E 能够收到这个帧；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 转发出去，而现在正是从接口1 收到的帧，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于网桥转发。

网桥依据转发表转发帧时，转发表中的记录即为帧的路由，而当网桥刚刚连接到以太网时，其转发表是空的。网桥可以根据自学习算法处理收到的每一个帧，从而逐步建立其转发表，并且按照转发表将帧转发出去。

网桥的自学习算法主要的依据有两点：第一，若从某一个站A 出发的帧从接口X 进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可以将一个帧传送到A。网桥只要收到一个帧，就进行自学习，在转发表中记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表的一项。

下面利用图4.9，以A 向B、E 向C 以及B 向A 发送帧的三种情况为例来说明自学习算法建立转发表的具体过程。

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图4.9　网桥存储转发数据过程

1）站A 向站B 发送帧(www.chuimin.cn)

此时站B 和网桥1 都能收到站A 发送的帧。网桥1 从接口1 收到此帧后，先查找转发表，由于转发表中没有A 的地址，则将地址A 和接口1 写入转发表中。接着转发此帧，即按照目的地址B 查找转发表，由于在转发表中没有地址为B 的项，于是以洪泛法将该帧转发至除接口1 以外的所有接口。这样，网桥2 也收到了此帧。网桥2 收到此帧后，也以同样的方式处理收到的帧，即网桥2 首先根据自学习算法将转发表中的内容增加一项，然后将此帧以洪泛法转发至各个接口。

2）站E 向站C 发送帧

网桥2 收到从接口2 转发的帧后，按源地址E 查找转发表，因转发表中没有E 的地址，就将地址E 和接口2 写入转发表中。再按目的地址C 查找转发表，也没有站C 的地址，则通过洪泛法转发此帧。此时，站C 和网桥1 都能收到此帧，网桥1 以同样的方式处理，将地址E 和接口2 写入转发表，并且从接口1 转发此帧。

3）站B 向站A 发送帧

站A 直接收到这个帧。但网桥1 从接口1 收到此帧，先按源地址站A 查找转发表，因为表中没有站B，就将站B 和接口1 写入转发表中。接着按目的地址站A 查找转发表，因为此时转发表中已经可以查到站A，其转发接口是1，与写入网桥的接口相同，因此将此帧丢弃不再转发。这样，网桥1 的转发表增加了一个表项，但因为网桥1 不转发，因此网桥2 的转发表中没有增加表项。

由上述过程可知，只要网络上的每一个站发送过帧，网桥就可以将它们记录在转发表中，这样就逐渐建立起了网桥的转发表中的各表项。

在转发表中，除了地址和接口之外，还有一项是帧进入网桥的时间，这是考虑到网络状态会经常发生变化而采取的措施。表中的“帧进入网桥的时间”项可使网络保持最新的状态信息。例如，可以利用接口管理软件，周期性地扫描转发表，删除某日期之前的表项，这样转发表中的项即为网络的最新状态。

在一对局域网之间可以使用多个网桥，以提高网络的可靠性，但此时应避免帧在传送过程中沿闭合环路兜圈子的现象。因此，在网桥中可以使用一种生成树算法。此算法保证互联在一起的网桥进行通信后，能找出原来的网络拓扑的一个子集，在此子集内，从源到每一个目的都只有一条路径，从而避免转发的帧在网络中不断兜圈子的问题。为了能反映网络拓扑的变化，生成树上的根网桥自动定期检查拓扑结构的变化，及时更新转发表内容。

与集线器相比，网桥最大的优点是可以限制传输到某些网段的通信量，提高网络通信效率。目前，在网络互联的设备中，网桥有了很好的替代品，即用于局域网的交换机。

（3）利用交换机扩展以太网

如前所述，为了提高以太网的带宽，1990年交换式集线器问世，从而产生了交换式以太网，极大地提高了以太网的性能。这种交换式集线器常称为以太网交换机或二层交换机，是一种即插即用的设备，可以在多个端口之间同时建立多个并发连接，其内部的转发表也是通过自学习算法自动地逐步建立起来的。从技术上讲，网桥的接口数很少，一般只有2 ～4 个，而交换机通常都有十几个接口，因此，以太网交换机实质上是一个多接口网桥。交换机也是局域网中使用得较多的网络设备。

在使用以太网交换机时，假如每一个接口到主机的数据率是10 Mbit/s，由于一个用户在通信时是独占而不是和其他用户共享传输介质带宽，因此，对拥有N 对接口的交换式以太网而言，其总容量应为N×10 Mbit/s，这是以太网的优点之一。除此之外，这种结构还有如下三个颇具吸引力的特点：

①从共享式局域网转换成交换式局域网，不需要对所有接入设备的软件和硬件作任何改动。也就是说，所有接入设备可继续使用CSMA/CD 协议。

②交换式局域网的扩充非常容易，通过增加交换机的容量，就可以接入新的设备。

③以太网交换机一般都具有多种速率（如10 Mbit/s，100 Mbit/s，1 Gbit/s）的接口，可满足各种不同类型用户的需要。

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