计算机网络：数据链路层(2)

1、扩展以太网

● 透明网桥

扩展以太网的一种方法是使用网桥，这是通过内部的端口管理软件和网桥协议实体进行扩展的即插即用设备。
网桥对以太网中的主机是透明的，主机并不知道帧经过哪些网桥，因此网桥也称透明网桥。
网桥并不是简单的转发帧，而是工作在数据链路层。它能过滤通信量，使不同端口的网段成为隔离开的独立碰撞域。
网桥在转发帧之前，必须执行CSMA/CD算法。

网桥根据收到MAC帧的目的地址进行转发和过滤，具体步骤为：

网桥收到MAC帧，并暂存在缓存中
读取MAC帧的目的地址，并查找转发表；转发表通过逆向学习算法建立
若找不到目的地址，就向其它端口广播这个帧
如果找到目的地址，且与发送帧的主机位于不同端口，就向目的地址所在端口转发
如果目的地址与发送帧的主机位于同一端口，就丢弃这个帧(过滤)

网桥的优点：
● 过滤通信量，使各网段成为被隔离开的碰撞域，减轻扩展以太网的通信负担，减小帧平均时延。
● 扩大以太网的物理范围。
● 提高以太网的可靠性。
● 可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网。

网桥的缺点：
● 需要储存转发增加时延。
● 不同MAC子层的网段会增加时延。
● MAC子层不具有流量控制功能。

网桥只适合用户数不多，通信量不太大的局域网，否则过多的广播信息会产生网络拥塞。
如果以太网中使用了并行的透明网桥，则需要生成树协议STP以切断网络拓扑的逻辑回路。

● 以太网交换机(第二层交换机)

以太网交换机实质上是一个多端口的网桥，通常有十几个端口，每个端口与一台主机或一个以太网相连。
以太网交换机具有并行性，多对主机同时通信。一般以全双工方式工作，主机独占传输媒体，无碰撞地传输数据。
以太网交换机使用交换结构芯片，转发的交换速率远高于使用软件的网桥。由于它工作在数据链路层，故称为第二层交换机。
由于以太网交换机的优势，目前网桥已经基本被淘汰。

以太网交换机的功能：

建立和维护一个交换转发表，由逆向学习算法得到
在发送主机和接收主机的端口间建立虚连接
完成帧的过滤和转发
执行生成树协议STP

以太网交换机的交换模式：

直接交换：检测到目的地址字段后立即转发，不进行差错校验。提高转发速度，但缺乏智能安全性，不支持不同速率端口交换。
储存转发：先将帧储存在缓存中，并进行差错检测；确认无误再发送，否则抛弃。可靠性高但延迟较大。
改进直接交换：接收前64个字节判断帧头字段是否正确。

以太网交换机每个端口到主机的带宽不变，但通信是独占模式而不是共享模式，N对端口的交换机总容量增加到原来的N倍。
星形以太网以以太网交换机为交换结点，不再使用CSMA/CD，而是以全双工方式通信，并仍使用以太网帧结构。

● 碰撞域和广播域

碰撞域描述了一组共享网络访问媒体的网络设备覆盖的区域。如：
● 一个集线器HUB连接的网络是一个碰撞域
● 以太网交换机和网桥的每个端口是一个独立的碰撞域
广播域值广播分组能直接到达的区域。如：
● 直接相连的二层交换机位于同一个广播域中
● 直接相连的集线器位于同一个广播域中
透明网桥和以太网交换机都能将各个端口隔离为独立的碰撞域，但各端口仍位于同一个广播域中。
隔离广播域需要路由器。

● 逆向学习算法

以太网交换机和网桥都是即插即用的设备。其转发表通过逆向学习算法，又称自学习算法建立。
逆向学习算法的基本思想：如果主机A发出的帧经过端口x进入，那么沿反方向就可以将帧送到主机A。
逆向学习算法的基本步骤：

网桥每收到一个帧，就记录源地址、目的地址和进入端口；
检查源地址是否位于转发表中，如果不存在，就记录下源地址与对应的端口号，并更新有效时间；
检查目的地址是否位于转发表中，如果存在就向记录的端口转发；否则向所有除进入端口以外的端口广播；

通过逆向学习算法，一段时间后，以太网交换机和网桥就能自动建立转发表。因此它们可以即插即用而无需人工配置。

● 虚拟局域网VLAN

IEEE 802.1Q标准定义：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，这些网段有共同的需求。
虚拟局域网中每个VLAN帧都有明确的标识符，指明工作站属于哪一个VLAN。
虚拟局域网实际上是局域网提供的一种用户服务，而非新型局域网。
以太网交换机可以非常方便地实现虚拟局域网：
以太网交换机实现VLAN
虚拟局域网限制了接收广播信息的主机数，网络不会因过多广播信息引起广播风暴而性能恶化。
虚拟局域网可以隔离广播域。
只有在以太网交换机之间互连的线路上传输的是802.1Q帧，其它线路传输的都是普通的以太网帧。

802.3ac标准扩展了以太网帧格式以支持VLAN。该标准允许在以太网帧格式的源地址字段与类型字段之间插入一个4字节的标识符，称为VLAN标记(VLAN tag)，指明计算机属于哪一个VLAN。插入了VLAN标记的帧就是802.3Q帧。VLAN标记的前两个字节总是设置为0x8100，称为IEEE 802.1Q 标记类型。后两个字节的前三位是用户优先级字段，接着一位是规范格式指示符CFI，最后12位是VLAN标识符VID，它唯一标识了以太网帧属于哪一个VLAN。
由于802.3Q帧的帧头增加了4个字节，以太网最大帧长由1518字节(数据字段1500+原头尾18)变成了1522字节

虚拟局域网的实现方法：

按交换机端口划分定义VLAN
用MAC地址定义VLAN
用网络层地址定义VLAN

2、高速以太网

速率达到或超过100Mbps的以太网称为高速以太网。
高速以太网保留了统一的以太网帧格式。所有速率的以太网的帧结构几乎都相同。
Ethernet V2是TCP/IP体系结构网络使用的以太网帧格式。具体见MAC帧的结构。

● 引入概念：信道利用率

以太网信道的极限利用率S_max计算公式为：S_max = T₀ / (T₀ + t) = 1 / (a+1)；
而参数a是以太网单程端到端时延t与帧的发送时间T₀之比：a = t / T₀ = (dC) / (Ls)；
为保证以太网利用率较高，参数a应尽可能小；从以太网速率提升后，数据速率C也提升，而帧长L和传播速率s不变。为使a参数a不变，电缆长度d应减小。

● 100BASE-T以太网

100BASE-T以太网是在双绞线上传送100Mbps基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。
100BASE-T以太网又称快速以太网。使用100Mbit适配器和100Mbps的集线器或交换机，就可以升级到100BASE-T。
100BASE-T快速以太网的标准是IEEE 802.3u标准。其特点为：
● 保留传统以太网的基本特征
● 定义介质专用接口，将MAC层与物理层分开
● 允许在100Mbps下的全双工和半双工两种工作方式
改动：
● 网段的最长电缆长度减小至100m；
● 争用期从51.2us改为5.12us，帧间间隔由9.6us改为0.96us，为传统以太网的1/10。

100BASE-T的三种物理层标准：
● 100BASE-TX：2对UTP5类线或STP；网段最大长度100m。
● 100BASE-T4：4对UTP3类线或5类线：3对同时传送数据，一对是碰撞检测的接收信道；网段最大长度100m。
● 100BASE-FX：2根光纤；网段最大长度2000m。

100BASE-T以太网有速率自动协商机制，可以交换工作模式参数；选择共有性能最高的工作模式，在500ms内完成自动协商。
选择顺序为：100BASE-TX/FX全双工、100BASE-T4、100BASE-TX、10BASE-T全双工、10BASE-T。

● 吉比特以太网

1998年IEEE 802.3z成为吉比特以太网的标准，它具有如下特点：
● 允许在1Gbps下的全双工和半双工两种工作方式
● 使用802.3协议的帧格式
● 半双工下使用CSMA/CD协议
● 对10Base-T和100Base-T技术向后兼容

吉比特以太网的物理层标准：
● 1000BASE-SX：多模光纤，最大长度550m，基于光纤通道FC技术
● 1000BASE-LX：单模/多模光纤，最大长度5000m，基于FC技术
● 1000BASE-CX：两对STP，最大长度25m
● 1000BASE-T：4对UTP5类线，最大长度100m

为保持网段最大长度，吉比特以太网采用了载波延伸的方法，不改变最短帧长64字节，并将争用期增大为512字节。
载波延伸：凡发送的MAC帧长不足512字节，在后面使用特殊字符填充；接收端删除后再向高层交付。
分组突发：有很多个短帧发送时，第一个使用载波延伸，后面的短帧直接连续发送，形成一串分组的突发，直到1500字节左右。
只有在半双工方式工作时才需要载波延伸和分组突发，全双工方式工作时不使用。

● 10吉比特以太网以及更快的以太网

10吉比特以太网的特点：
● 帧格式与10Mbps、100Mbps和1Gbps的以太网完全相同。
● 保留802.3标准的以太网最小和最大帧长，便于升级。
● 只工作在全双工方式，没有争用问题，不使用CSMA/CD协议。

10吉比特以太网的物理层标准：
● 10GBASE-SR：光缆；IEE802.3ae标准；300m；多模光纤
● 10GBASE-LR：光缆；IEEE802.3ae标准；10km；单模光纤
● 10GBASE-ER：光缆；IEEE802.3ae标准；40km；单模光纤
● 10GBASE-CX4：铜缆；IEEE802.3a标准；15m；4对双芯同轴电缆
● 10GBASE-T：铜缆；IEEE802.3an标准；100m；4对6A类UTP

10吉比特以太网使以太网的工作范围从局域网扩大到城域网和广域网，实现了端到端的以太网传输。

40GE/100GE的以太网标准：IEEE802.3ba-2010和IEEE802.3bm-2015。
40GE/100GE只工作在全双工方式，并保持了以太网的帧格式，最小和最大帧长。
40GE/100GE物理层标准：
● 40GBASE-KR4：背板；1m。
● 40GBASE-CR4/100GBASE-CR10：铜缆；7m。
● 40GBASE-SR4/100GBASE-SR10、*100GBASE-SR4：多模光纤；100m。
● 40GBASE-LR4/100GBASE-LR4：单模光纤；10km。
● *40GBASE-ER4/100GBASE-ER4：单模光纤；40km。

以太网的演变证明了以太网的优点：
● 可扩展的
● 灵活的
● 易于安装
● 稳健性好

AlexTuF

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