【计算机网络篇】数据链路层（11）在数据链路层扩展以太网

🍔使用网桥在数据链路层扩展以太网

使用集线器在物理层扩展共享式以太网会形成更大的碰撞域，实际上，在扩展共享式以太网的时候，为了避免形成更大的碰撞域，可以使用网桥在数据链路层扩展共享式以太网。
网桥工作在数据链路层，也包含其下的物理层，而集线器仅工作在物理层

由于网桥工作在数据链路层（包含其下的物理层），因此网桥具备属于数据链路层范畴的相关能力

🥚网桥的主要结构和基本工作原理

使用网桥将2个使用集线器的共享式以太网连起来，就会形成一个覆盖范围更大，站点更多的以太网
而原来的2个共享式以太网，分别成为这个更大的以太网的一个网段，并且各自是一个独立的碰撞域

🎈网桥的主要结构

其中，转发表是网桥转发帧的依据，里面记录有网桥所知道的网络中各主机的MAC地址与自己的各接口的对应关系
网桥收到帧后，会在自身的转发表中进行查找目的帧的MAC地址，根据查找结果来转发或丢弃帧

🔎网桥转发帧的例子

假设主机A给D发送单播帧，该单播帧被集线器转发给主机B C以及网桥
主机B C中的网卡根据该单播帧首部中的目的MAC地址可知这不是发送给自己的帧，于是将其丢弃
网桥从自己的接口1收到该单播帧后，在转发表中查找主机D的目的MAC地址D，根据查找结果可知，应从接口2转发该帧，于是就把该帧从自己的接口2转发给另一个网段，使主机D能够收到该帧
主机D中的网卡根据该单播帧首部中的目的MAC地址可知，这是发送给自己的帧，于是接收该帧。而自己E和F中的网卡根据该单播帧首部的目的MAC地址可知，这不是发送给自己的帧，于是将其丢弃

🔎网桥丢弃帧的例子

假设主机A给C发送单播帧，该单播帧被集线器转发给主机B C以及网桥，主机B中的网卡根据该单播帧首部的目的MAC地址可知，这不是发送给主机的帧，于是将其丢弃。而主机C中的网卡，根据该单播帧首部的目的MAC地址可知，这是发送给自己的帧，于是接受该帧
网桥从自己的接口1收到该单播帧后，在转发表中查找主机C的目的MAC地址C，根据查找结果可知，应从接口1转发该帧
然而网桥正是从接口1收到该帧的，这表面主机C和主机A在同一个网段，主机C能够直接收到这个帧，而不需要依靠网桥的转发，因此网桥会丢弃该帧

🔎网桥转发广播帧的例子

假设主机A发送了一个广播帧，广播帧的目的MAC地址为全F，该广播帧被集线器转发给主机B C以及网桥，主机B和C中的网卡会接受该帧
网桥从主机的接口1收到该广播帧，不用查找转发表，而是会通过除接受该帧的接口的其他接口转发该广播帧，该广播帧通过集线器的转发，到达该网段中的各主机，各主机中的网卡接受该广播帧

🥚透明网桥

我们上述提到的转发表，是通过透明网桥产生的

🔎透明网桥的自学习和转发帧的流程

如图所示，使用网桥将原本独立的2个使用集线器的共享式以太网连接起来，就可以形成一个覆盖范围更大，站点数量更多的以太网
为了简单起见，我们把主机A ~ F各自网卡的MAC地址分别记为A ~ F
网桥上电启动后，其转发表是空的，网桥需要在网络中各站点相互通信的过程中，通过自学习来建立自己的转发表
假设主机A给B发送单播帧，与主机A处于同一网段中的主机B和C以及网桥的接口 1 都会收到该单播帧
主机B中的网卡根据该单播帧的目的MAC地址B可知，这是发送给自己的帧而接受该帧
自己C中的网卡根据该单播帧的目的MAC地址B可知，这不是发送给自己的帧，于是将其丢弃
网桥从接口1收到该单播帧后，实现进行自学习，也就是进行登记，登记的内容为帧的源MAC地址A和该帧进入网桥的接口号1，之后，网桥要对该单播帧进行转发，网桥在自己的转发表中，查找该单播帧的目的MAC地址B，但没有找到，只能进行盲目地转发，也就是说 网桥只能通过除接收该单播帧的接口1以外的其他接口转发该单播帧
（对于本例，其他接口只有接口2，因此，该单播帧会从网桥的接口2转发到另一个网段，该网段中的自己D E F收到该单播帧后并将其丢弃）

之后，假设主机D给A发送单播帧，与主机D处于同一网段的主机E和F以及网桥的接口2都会收到该单播帧，主机E和F中的网卡根据该单播帧的目的MAC地址A可知，这不是发送给自己的帧，而将其丢弃
网桥从接口2收到该单播帧后，实现进行自学习，也就是进行登记，登记的内容为：帧的源MACQ地址D和该帧进入网桥的接口号2。
之后，网桥要对该单播帧进行转发，网桥在自己的转发表中，查找该单播帧的目的MAC地址A，可以找到相应的记录
从记录的接口号部分可知，应从接口1转发该帧，这属于明确地转发
该单播帧从网桥的接口1转发到另一个网段，该网段中的主机A收到并接受该单播帧，而主机B和C收到该单播帧后并将其丢弃

之后，假设主机C给A发送单播帧，与主机C处于同一网段中的主机A和B以及网桥的接口1都会收到该单播帧
主机A中的网卡根据该单播帧的目的MAC地址A可知，这是发送给自己的帧而接受该帧
主机B中的网卡根据该单播帧的目的MAC地址A可知，这不是发送给自己的帧而丢弃该帧
网桥从接口1收到该单播帧后，首先进行自学习，也就是进行登记，登记的内容为帧的源MAC地址C和该帧进入网桥的接口号1
之后，网桥要对该单播帧进行转发，网桥在自己的转发表中查找该单播帧的目的MAC地址A，可以找到相应的记录，从记录的接口号部分可知，应从接口1转发该帧，然而网桥正是从接口1接收的该帧，这表面主机A与C在同一个网段，A能够直接收到该帧，而不需要借助于网桥的转发，因此网桥丢弃该帧

在本例中，如果网络中的各主机陆续都发送了帧，则网桥会逐步建立起完整的转发表，即网桥的每个接口，都与网络中哪些主机的MAC地址对应

🗒️小结

🔎透明网桥的生成树协议STP

为了提高以太网的可靠性，有时需要在2个以太网之间使用多个透明网桥来提供冗余链路
如下图所示，E1和E2是两个独立的共享总线型以太网，使用网桥B1将它们互联起来，就形成了一个更大的以太网
为了提高该以太网的可靠性，还使用了一个冗余的网桥B2，将E1和E2进行了连接
很显然，添加B2后，以太网中出现了环路

如果以太网的E1或E2中的某个主机发送了一个广播帧，则该广播帧就会在网桥B1和B2构成的环路中按顺时针和逆时针2个方向永久兜圈

很显然，会永久兜圈，造成广播帧充斥整个网络，网络资源被白白浪费，而网络中的主机之间无法正常通信

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通过本例可以看出

📒生成树协议STP

为了避免广播帧在环路中永久兜圈，透明网桥使用生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP），可以在增加冗余链路提高网络可靠性的同时，又避免环路带来的问题。
不管网桥之间连接成了怎样复杂的带环拓扑，网桥之间通过交互网桥协议单元（Bridge Protocol Data Unit，BPDU），找出原网络拓扑的一个连通子集（即生成树），在这个子集里整个连通的网络中不存在环路。
如下图所示
网桥B1和B2通过交互BPDU找出了一个连通以太网E1和E2并且不存在环路的生成式，而网桥B2和以太网E2连接的接口并不在该生成式链路上
网桥B2关闭该接口，这样，以太网E1和E2是通过网桥B1连通的

当首次连接网桥或网络拓扑发生变化时（人为改变或出现故障），网桥都会重新构造生成树，以确保网络的连通。
例如网桥B1与以太网E1之间的链路出现了故障，网桥B1和B2通过交互BPDU重新构造了一个可以连通以太网E1和E2的生成树
主要网桥B2重新开启自己与以太网E2的连接接口即可
这样，以太网E1和E2重新通过网桥B2连通