计算机网络笔记13 以太网的扩展

以太网扩展的目的

• 扩大网络的覆盖范围
• 在网络层仍然是一个网络

扩展设备的协议层次

以太网的扩展

物理层扩展（光纤扩展、集线器扩展）

• 使用光纤扩展
（从距离上扩展）
– 主机使用光纤（通常是一对光纤）和一对光纤调制解调器连接到集线器。
– 很容易使主机和几公里以外的集线器相连接。

• 使用集线器扩展
（从数量上扩展）
– 使用多个集线器可连成更大的、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。

优点
– 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。
– 扩大了以太网覆盖的地理范围。
缺点
– 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
– 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。

数据链路层扩展（以太网交换机）

• 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。
网桥工作在数据链路层，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) 。

以太网交换机的特点：
• 多端口
• 全双工（收发同时）
• 并行工作
• 存储转发：以太网交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
• 以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
• 以太网交换机使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。

交换机的全双工优势：
• 用户独享带宽，增加了总容量。
– 对于普通 10 Mbit/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽 (10 Mbit/s)的 N 分之一。
– 使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是 10 Mbit/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 个接口的交换机的总容量为 N×10 Mbit/s。

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。

交换表自学习功能

自学习和转发帧的步骤归纳：
• 交换机收到一帧后先进行自学习。查找交换表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。
– 如没有，就在交换表中增加一个项目（也即登记，记录源地址、进入的接口和有效时间）。
– 如有，则把原有的项目进行更新（进入的接口或有效时间）。
• 转发帧。查找交换表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。
– 如没有，则向所有其他接口（进入的接口除外）转发，也即广播。
– 如有，则按交换表中给出的接口进行转发。
– 若交换表中给出的接口就是该帧进入交换机的接口，则应丢弃这个帧。

交换表自学习功能总结：

1. 交换表中没有目的地址，则广播
2. 交换表中没有源地址，则登记
3. 交换表中有目的地址，则转发