2.6 以太网扩展技术
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文章目录
- 1 物理层扩展以太网
- 2 数据链路层扩展以太网
- 3 以太网交换机
- 3.1 特点
- 3.2 交换方式
- 3.3 自学习功能
- 3.4 多台以太网交换机互连
1 物理层扩展以太网
① 使用光纤扩展
在物理层扩展以太网的一种方法是利用光纤。主机通过光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器，实现远距离的数据传输。光纤的使用大大扩展了以太网的覆盖范围。
②使用集线器扩展
多个集线器可以级联组成一个更大的以太网，将原本处于不同位置的设备连接起来。
【优缺点】
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 不同碰撞域（冲突域）的设备可以跨越碰撞域通信 | 增加了碰撞域的范围，可能导致网络性能下降 |
| 扩大了以太网的地理覆盖范围 | 总的吞吐量没有提高 |
| 便于连接相同速率的设备 | 不能连接速率不同的以太网设备 |
【注意】
碰撞域：指网络中一个节点发送的帧可能与其他节点发送的帧发生冲突的那部分网络。
碰撞域越大，发生碰撞的概率越高，从而影响网络性能。
【对比】
| 特性 | 总线以太网 | 星形以太网 |
|---|---|---|
| 结构 | 多个节点共享一条通信介质 | 每个节点通过独立的链路连接到集线器或交换机 |
| 碰撞域 | 整个网络是一个碰撞域 | 每个节点与集线器或交换机的连接形成独立碰撞域 |
| 数据传输 | 半双工，容易发生冲突 | 全双工，减少冲突 |
| 扩展性 | 扩展困难 | 易扩展，可通过集线器或交换机连接更多节点 |
| 可靠性 | 介质故障影响整个网络 | 单一链路故障不影响其他链路 |
| 性能 | 随着节点增多，性能下降 | 每个节点独立带宽，性能更高 |
2 数据链路层扩展以太网
相比物理层扩展，数据链路层扩展更为常用。主要通过网桥或以太网交换机实现。
【网桥与以太网交换机的对比】
| 特性 | 网桥 | 以太网交换机 |
|---|---|---|
| 工作层 | 数据链路层 | 数据链路层 |
| 接口数量 | 一般较少 | 通常有十几个或更多 |
| 并行性 | 低，转发速率依赖于软件 | 高，专用交换结构芯片硬件转发 |
| 工作方式 | 半双工 | 全双工 |
| 碰撞域 | 每个接口与其他接口共享一个碰撞域 | 每个接口是一个独立的碰撞域 |
| 转发效率 | 较低 | 高 |
| 自学习能力 | 有 | 有，更快 |
3 以太网交换机
3.1 特点
- 多接口设计：通常具有十几个或更多的接口，每个接口与一个设备直接连接。
- 全双工通信：交换机的接口一般都工作在全双工模式，避免了碰撞问题。
- 并行性：交换机能够同时支持多对设备的通信，具有较高的并行性。
- 碰撞域隔离：每个接口和连接的设备形成一个独立的碰撞域，确保数据传输不受其他接口影响。
- 即插即用：内部有自学习功能，通过自学习算法自动建立交换表。
- 硬件转发：采用专用交换芯片，通过硬件实现数据帧的快速转发，性能高于网桥。
3.2 交换方式
- 存储转发方式：接收到完整的数据帧后进行缓存，再根据帧的目标地址进行处理和转发。
- 直通方式（cut-through）：在接收到数据帧的同时，根据目标 MAC 地址立即决定转发接口。该方式虽然速度更快，但无法检查帧的正确性，可能会转发错误帧。
3.3 自学习功能
以太网交换机具备自学习能力，能够自动建立并维护交换表。具体步骤如下：
- 帧进入交换机：当设备 A 向设备 B 发送数据帧时，数据帧通过接口进入交换机。
- 记录源地址：交换机会记录帧的源地址和进入的接口，将其写入交换表，以备后续查找。
- 查找目的地址：交换机查找目标地址是否存在于交换表中。如果目标地址不在表中，则广播该帧。
- 转发或丢弃帧：目标设备接收到该帧，而其他不匹配的设备将丢弃帧。
- 更新交换表：如果目标设备 B 向 A 发送数据帧，交换机会更新交换表中的信息，记录 B 的地址和接口信息。
注意：交换表中的记录具有有效期，过期的记录会自动删除，确保交换表的信息是最新的。
【示例】
- A 先向 B 发送一帧。该帧从接口 1 进入到交换机。
- 交换机收到帧后，先查找交换表。没有查到应从哪个接口转发这个帧给 B。
- 交换机把这个帧的源地址 A 和接口 1 写入交换表中。
- 交换机向除接口 1 以外的所有的接口广播这个帧。
- 由于与该帧的目的地址不相符，C 和 D 将丢弃该帧。
- B 向 A 发送一帧。该帧从接口 3 进入到交换机。
- 交换机收到帧后，先查找交换表。发现交换表中的 MAC 地址有 A，表明要发送给 A 的帧应从接口 1 转发出去。于是就把这个帧传送到接口 1 转发给 A。
- 交换机把这个帧的源地址 B 和接口 3 写入交换表中。
【交换机自学习和转发帧的步骤归纳】
3.4 多台以太网交换机互连
当多个以太网交换机互连时，每台交换机都会维护一个交换表来记录各设备的地址和接口信息。
【示例】
假设A 向 B 发送了一帧，C 向 E 发送了一帧，E 向 A 发送了一帧。请分析S1 和 S2 的交换表内容分别是什么？
【解答】
存在回路问题：
在多交换机互连的环境中，可能会出现回路，导致数据帧在网络中循环，形成网络风暴。为了解决这一问题，可以使用生成树协议（STP）。
生成树协议 (STP)：不改变网络的实际拓扑，在逻辑上切断某些链路，使得网络拓扑形成无环的树状结构，从而消除回路现象。
