计算机网络（谢希仁）— 第三章-数据链路层（三）_三个广播域的拓扑

一、扩展的以太网

1.1 在物理层扩展以太网

1. 冲突域、广播域

• 冲突域（Collision Domain）是一种物理分段，是指网络中一个站点发出的帧会与其他站点发出的帧产生碰撞或冲突的那部分网络。这些站点之间存在介质争用现象。
• 广播域指接收同样广播消息的节点的集合，如：在该集合中的任何一个节点传输一个广播帧，则所有其他能收到这个帧的节点都被认为是该广播帧的一部分

• 如果冲突过多，则传输效率就会降低

2. 用集线器扩展以太网

• 优点
  ①、使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
  ②、扩大了以太网覆盖的地理范围。
• 缺点
  ①、碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
  ②、如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。

1.2 在数据链路层扩展以太网

• 扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行。
• 早期使用网桥，现在使用以太网交换机。
  

网桥与以太网交换机

• 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，或把它丢弃。
• 1990 年问世的交换式集线器 (switching hub) 可明显地提高以太网的性能。
• 交换式集线器常称为以太网交换机 (switch) 或第二层交换机 (L2 switch)，强调这种交换机工作在数据链路层。

1. 以太网交换机的特点

• 以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥。通常都有十几个或更多的接口。

• 每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。

• 以太网交换机具有并行性。 能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信。

• 相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。
  
  

以太网交换机的优点

• 用户独享带宽，增加了总容量。
  

以太网交换机的交换方式

• 存储转发方式：把整个数据帧先缓存后再进行处理。
  
• 直通 (cut-through) 方式
  • 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。
  • 缺点是它不检查差错就直接将帧转发出去，因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站。
    
• 在某些情况下，仍需要采用基于软件的存储转发方式进行交换，例如，当需要进行线路速率匹配、协议转换或差错检测时。

集线器和交换机的区别：

• ①、集线器工作在物理层上，以太网交换机工作在数据链路层上
• ②、集线器是共享带宽的，交换机独占带宽
• ③、逻辑上是总线型拓扑结构，需要CSMA-CD协议；交换机可以工作在全双工模式下，不用使用CSMA-CD协议。
• ④、集线器所有的端口属于同一个碰撞域，也属于同一个广播域；而交换机所有的端口属于同一个广播域，但是不同端口属于不同的冲突域。

2. 以太网交换机的自学习功能

• 以太网交换机运行自学习算法自动维护交换表。
  
• 以太网交换机运行自学习算法自动维护交换表。
  
  
  
  

交换机自学习和转发帧的步骤归纳

3. 从总线以太网到星形以太网

• 早期，以太网采用无源的总线结构。
• 现在，采用以太网交换机的星形结构成为以太网的首选拓扑。
• 总线以太网使用 CSMA/CD 协议，以半双工方式工作。
• 以太网交换机不使用共享总线，没有碰撞问题，因此不使用 CSMA/CD 协议，以全双工方式工作。但仍然采用以太网的帧结构。
  

局域网存在的问题

局域网存在的以下几个方面的问题：扩展性、安全性、可管理性 等

总线以太网 和 10Base_T 星形以太网

广播域

• 广播域（broadcast domain）：指这样一部分网络，其中任何一台设备发出的广播通信都能被该部分网络中的所有其他设备所接收。
  

采用以太网交换机的星形以太网

• 每个接口都处于一个独立的碰撞域（或冲突域）中，但所有计算机都处于同一个广播域中。
  

1.3虚拟局域网

• 利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)。

• IEEE 802.1Q 对虚拟局域网 VLAN 的定义：
  虚拟局域网 VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机是属于哪一个 VLAN。

• 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型 局域网。

• VLAN：将一个物理的LAN逻辑的划分成不同的广播域

• 摆脱了原来物理网段受物理位置的限制。
  不在相邻物理位置两台主机可以是同一网段。
  在相邻物理位置的两台主机也可以不在一个网段。

• VLAN特点
  ①、限制广播域
  ②、增强局域网的安全性
  ③、灵活构建虚拟工作组
  
  

基于交换机端口的方法

• 最简单、也是最常用的方法。
• 属于在第一层划分虚拟局域网的方法。
• 缺点：不允许用户移动。
  

虚拟局域网使用的以太网帧格式

• IEEE 批准了 802.3ac 标准，该标准定义了以太网的帧格式的扩展，以支持虚拟局域网。
• 虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为 VLAN 标记 (tag)，用来指明该帧属于哪一个虚拟局域网。
• 插入VLAN标记得出的帧称为 802.1Q 帧或带标记的以太网帧。
  
  

VLAN ID

• 交换机中用数字来标识VLAN
  
• 只有交换机上可以创建VLAN
• 默认配置下，交换机所有端口都属于VLAN 1
• 每个VLAN对应一个广播域
• VLAN是二层概念
  
• 逻辑拓扑： 三个不相连的交换机，三个广播域

二、高速以太网

2.1、100BASE-T 以太网

• 速率达到或超过 100 Mbit/s 的以太网称为高速以太网。
• 100BASE-T 在双绞线上传送 100 Mbit/s 基带信号的星形拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的 CSMA/CD 协议。
• 100BASE-T 以太网又称为快速以太网 (Fast Ethernet)。
• 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 以太网的特点

100 Mbit/s 以太网的三种不同的物理层标准

2.2、吉比特以太网

• 允许在 1 Gbit/s 下以全双工和半双工两种方式工作。
• 使用 IEEE 802.3 协议规定的帧格式。
• 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议，全双工方式不使用 CSMA/CD 协议。
• 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。

吉比特以太网的物理层

• 使用两种成熟的技术：一种来自现有的以太网，另一种则是美国国家标准协会 ANSI 制定的光纤通道 FC (Fiber Channel)。
  

2.3、10 吉比特以太网 (10GE) 和更快的以太网

• 10 吉比特以太网（10GE）并非把吉比特以太网的速率简单地提高到 10 倍，其主要特点有：
  ①、与 10 Mbit/s、100 Mbit/s 和 1 Gbit/s 以太网的帧格式完全相同。
  ②、保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。
  ③、不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。
  ④、只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。

10 吉比特以太网的物理层