网桥与以太网交换机：功能与区别解析

在传统的共享式局域网中，所有站点共享一个公共的传输媒体。随着局域网规模的扩大、网络中站点数目的不断增加，这样的网络通信负载加重，网络效率急剧下降。随着技术的发展、交换技术的成熟和成本的降低，具有更高性能的交换式局域网在有线领域已完全取代了传统的共享式局域网。本节，我们先从扩展局域网的角度，讨论在物理层扩展以太网存在的问题和在数据链路层扩展以太网的数据链路层分组交换设备——网桥，然后讨论使用以太网交换机的全双工交换式以太网。

在物理层扩展以太网

以太网两站点之间的距离不能太远（例如，10BASE—T以太网每个站点到集线器的距离不超过100m），否则站点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。IEEE802.3标准还规定，任意两个站点之间最多可以有三个电缆网段。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很少使用转发器了。

现在，扩展站点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就是进行电信号和光信号的转换。由于信号在光纤中衰减和失真很小，使用这种方法很容易使站点和千米以外的集线器相连接。

单个集线器能连接的站点数非常有限，如果使用多个集线器，就可以连接成覆盖更大范围、连接更多站点的多级星形结构的以太网。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。

但这种多级结构的集线器以太网也有一些缺点：

1. 冲突域扩大：在三个系的以太网互连起来后，三个冲突域变成了一个冲突域，而这时的最大吞吐量仍然是一个系的吞吐量10Mbit/s。
   

2. 数据率不一致：如果不同的系使用不同的以太网技术（如数据率不同），用集线器将它们互连起来后，大家都只能工作在最慢速率。

总之，在物理层扩展的以太网仍然是一个冲突域，不能连接过多的站点，否则平均吞吐量太低，且会导致大量的冲突。同时，不论是利用转发器、集线器还是光纤在物理层扩展以太网，都仅仅相当于延长了共享的传输媒体，由于以太网有争用期对端到端时延的限制，因此并不能无限扩大地理覆盖范围。

在数据链路层扩展以太网

用网桥可以在数据链路层扩展以太网。网桥工作在数据链路层，采用存储转发方式，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。网桥的主要功能包括：

1. 过滤通信量，增大吞吐量：网桥可以使以太网各网段成为隔离开的冲突域。
   

2. 扩大了物理范围：隔离冲突域后，网络覆盖范围不受端到端传播时延的限制。

3. 提高了可靠性：网络故障一般只影响个别网段。

4. 互连不同物理层和速率的以太网。

网桥的内部结构：网桥依靠转发表来转发帧。转发表记录了每个接口所能到达的各站点的MAC地址。网桥通过内部的接口管理软件和网桥协议实体来完成操作。

网桥的不足：

1. 增加时延：网桥对接收的帧要先存储和查找转发表，然后再转发。
2. 无流量控制功能：当网络负荷重时，网桥中的缓存可能溢出，导致帧丢失。
3. 广播风暴：网桥会转发所有广播帧，不适合于用户数太多和通信量大的以太网。

透明网桥

透明网桥是通过一种自学习算法来逐步建立起自己的转发表的。透明网桥的工作原理包括：

1. 自学习：每收到一个帧，就将其源地址和进入网桥的接口号记录到转发表中。
2. 转发策略：如果目的地址在转发表中，则向相应接口转发；否则向所有其他接口转发。

生成树协议：透明网桥使用生成树协议（STP）来避免环路。通过生成树协议，网桥找出网络拓扑的一个连通子集，确保不存在环路。

以太网交换机

交换式集线器（Switching Hub）提高了以太网的性能。以太网交换机工作在数据链路层，具有以下特点：

1. 多接口：交换机通常有十几个接口，每个接口可以直接连接计算机或集线器。
2. 全双工方式：交换机直接与计算机或交换机连接时可以以全双工方式工作，无须使用CSMA/CD协议。
3. 自学习：交换机通过自学习算法建立MAC地址表。
4. 高效转发：交换机使用专用交换结构芯片，能实现多对接口的高速并行交换。

交换机的优点：

1. 提高带宽利用率：每个用户在通信时是独占带宽。
2. 易于扩展：增大交换机的容量，系统容量容易扩充。
3. 多速率接口：交换机具有多种速率的接口，如10Mbit/s、100Mbit/s和1Gbit/s。

虚拟局域网（VLAN）

虚拟局域网技术解决了广播风暴和安全问题。通过逻辑配置在一个物理局域网上建立多个逻辑上独立的虚拟网络：

1. 简化网络管理：站点迁移时只需调整VLAN配置，无需改变网络布线。
2. 控制广播风暴：将广播报文限制在本VLAN内，防止广播风暴。
3. 增强网络安全性：根据用户需求隔离VLAN间的通信。

VLAN划分：可以根据交换机接口、MAC地址、IP地址等进行划分。最常用的方法是基于交换机接口的VLAN划分。交换机的MAC地址表中除了MAC地址和接口号外，还有一个VLAN号。

VLAN中继技术（Trunk） ：通过Trunk接口跨越多个交换机，多个VLAN可以共享同一条中继链路。IEEE 802.1Q标准允许在以太网帧中插入4字节的VLAN标记，用来指明帧的VLAN归属。

总结：交换式以太网和虚拟局域网技术极大地提升了网络性能和管理效率，解决了传统共享式以太网的许多问题，是现代局域网发展的重要方向。
图文来源：《计算机网络教程》