计算机网络：数据链路层 —— 扩展共享式以太网

共享式以太网

共享式以太网是当今局域网中广泛采用的一种通信协议标准，它定义了局域网（LAN）中电缆的类型和信号处理方法。

共享式以太网中的所有节点都共享一段传输信道，并通过该信道传输信息。采用带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）机制。当以太网中的一台主机要传输数据时，会先侦听信道上是否有其他设备正在传输，如果信道空闲，则开始传输数据；如果侦听到冲突，则等待一段时间后再次尝试传输。

关于共享式以太网的相关介绍：数据链路层 —— 共享式以太网

共享式以太网存在的问题

1. 带宽共享问题：在共享式以太网中，所有用户共享同一带宽。随着网络用户数的增加，每个用户的实际可用带宽会逐渐减少。这是因为当信息繁忙时，多个用户可能同时“争用”一个信道，而一个信道在某一时刻只允许一个用户占用。因此，大量的用户经常处于监测等待状态，导致信号传输时产生抖动、停滞或失真，从而严重影响了网络的性能。

2. 冲突域问题：共享式以太网中的所有设备都处于同一个冲突域中。如果两个设备同时发送信号，就会产生冲突。这种冲突会导致数据包的丢失和重传，进一步降低网络的效率。

3. 半双工操作：在共享式以太网中，设备只能实现半双工操作。即在同一时间，只能传输单一方向的数据。当两个方向的数据同时传输时，就会产生冲突，这会降低以太网的效率。

4. 设备互联限制：在共享式以太网中，不同速率的设备无法实现互联。所有接入的设备都必须和传输介质的和互联设备接口速率一致，这限制了网络的灵活性和可扩展性。

因此，我们需要将现有的以太网网络扩展至更大的规模或更远的距离，同时保持网络的高效运行。

在物理层扩展以太网

扩展站点与集线器之间的距离

• 共享总线以太网中两站点之间的距离不能太远，否则它们之间所传输的信号就会衰减到使 CSMA/CD 协议无法正常工作。

• 在早期广泛使用粗同轴电缆或细同轴电缆共享总线以太网时，为了提高网络的地理覆盖范围，常用的是工作在物理层的转发器。

• IEEE 802.3标准规定，两个网段可用一个转发器连接起来，任意两个站点之间最多可以经过三个网段。

随着使用双绞线和集线器的 10BASE-T 星型以太网成为以太网的主流类型，扩展网络覆盖范围就很少使用转发器了。10BASE-T星型以太网中每个站点到集线器的距离不能超过100m，因此两站点间的通信距离最大不能超过 200m。

• 在 10BASE-T 星型以太网中，可使用光纤和一对光纤调制解调器来扩展站点与集线器之间的距离。这种扩展方法比较简单，所需付出的代价是：为站点和集线器各增加一个用于电信号和光信号转换的光纤调制解调器，以及它们之间的一对通信光纤。

• 信号在光纤中的衰减和失真很小，因此使用这种方法可以很简单地将站点与集线器之间的距离扩展到1000m以上。

扩展共享式以太网的覆盖范围和站点数量

以太网集线器一般具有8~32个接口，如果要连接的站点数量超过了单个集线器能够提供的接口数量，就需要使用多个集线器，这样就可以连接成覆盖更大范围、连接更多站点的多级星型以太网。

采用多个集线器连接而成的多级星型以太网，在扩展了网络覆盖范围和站点数量的同时，也带来了一些负面因素。

在物理层扩展的共享式以太网仍然是一个碰撞域，不能连接太多的站点，否则可能会出现大量的碰撞，导致平均吞吐量太低。

使用集线器扩展共享式以太网，即扩大了广播域，也扩大了碰撞域

在链路层扩展以太网

网桥(bridge)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，网桥可以识别帧的结构，可以根据帧首部中的目的 MAC 地址和网桥自身的帧转发表来转发或丢弃所收到的帧。

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通过网桥扩展以太网：

网桥的主要结构

图中的两个集线器将分别一些计算机连接在一个物理网络中，而网桥则连接了这两个物理网络。网桥有两个接口，分别连接到两个碰撞域，实现了不同碰撞域之间的数据通信。通过这种方式，网桥可以将两个原本独立的网络合并成一个更大的网络，增加了站点的数量和覆盖范围。

网桥的基本工作原理

网桥的接口在向其连接的网段转发帧时会执行相应的媒体接入控制协议，对于共享式以太网就是CSMA/CD协议。

• 当数据包到达网桥的一个接口时，网桥首先查看其目的地址，然后查询转发表以确定应将数据包转发到哪个接口。

例如，在图中，如果数据包的目标地址是 D，则根据转发表可知 D 位于接口1，所以数据包会被转发到接口1。同理，如果目标地址是 E 或 F，则数据包会被转发到接口2。通过这种方式，网桥可以将数据包准确地转发到目的地，减少了冲突并提高了网络性能。

网桥转发帧的情况：

1. 转发表：网桥有一个转发表，其中列出了各个设备的地址及其对应接口的信息。例如，设备 A、B 和 C 都在接口1，而设备 D、E 和 F 都在接口2。

2. 帧转发：当一个帧从 接口1 进入网桥时，网桥会检查帧的目的地址。假设帧的目的地址是 D，那么网桥会在转发表中查找 D 的位置。

3. 决策过程：根据转发表，网桥得知设备 D 位于 接口2，因此它会将帧转发到 接口2。

4. 接受和丢弃：在 接口2 侧，只有设备 D 会接受这个帧，其他设备（E 和 F）会丢弃它，因为帧不是发给他们的。

网桥转发广播帧的情况：

透明网桥

网桥中的转发表对于帧的转发起着决定性的作用。而透明网桥(Transparent Bridge)通过自学习算法建立转发表。

• 透明网桥中的“透明”，是指以太网中的各站点并不知道自己所发送的帧将会经过哪些网桥的转发，最终到达目的站点。也就是说，以太网中的各网桥对于各站点而言是看不见的。

• 透明网桥的标准是IEEE 802.1D，它通过一种自学习算法基于以太网中各站点间的相互通信逐步建立起自己的转发表。

自学习和转发帧

1. 网桥收到帧后进行登记(即自学习)，登记的内容为帧的源MAC地址和进入网桥的接口号

2. 网桥根据帧的目的MAC地址和网桥的转发表对帧进行转发，包含以下三种情况:

   • 明确转发：网桥知道应当从哪个接口转发帧。

   • 盲目转发：网桥不知道应当从哪个接口转发帧，只能将其通过除进入网桥的接口外的其他所有接口转发。

   • 丢弃：网桥知道不应该转发该帧，将其丢弃，

注意：

• 如果网桥收到有误码的帧则直接丢弃

• 如果网桥收到一个无误码的广播帧，则不用进行查表，而是直接从除接收该广播帧的接口的其他接口转发该广播帧。

• 广播帧首部中目的 MAC 地址字段的值为广播地址，即 48比特全为1，十六进制形式为全F，FF-FF-FF-FF-FF-FF

• 转发表中的每条记录都有其有效时间，到期自动删除。这是因为各站点的 MAC 地址与网桥接口的对应关系并不是永久性的，例如某个站点更换了网卡，其 MAC 地址就会改变。

生成树协议STP

为了提高以太网的可靠性，有时需要在两个以太网之间使用多个透明网桥来提供冗余链路。

这种情况下，广播帧在环路中永久兜圈，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!

若网桥 B1 和 B2 的转发表中都没有待转发单播帧目的 MAC 地址的相关记录，则该单播帧也会引起类似的情况。（为了简单起见，未考虑信号在总线上碰撞的情况）

在增加冗余链路提高以太网可靠性的同时，却给网络引入了环路。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（SpanningTree 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。

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。