计算机网络各层设备及广播域、冲突域辨析

计算机网络各层设备及广播域、冲突域辨析

要清楚什么是冲突域(碰撞域)和广播域。当一块网卡发送信息时,只要有可能和另一块网卡冲突,则这些可能冲突的网卡就构成冲突域。一块网卡发出一个广播,能收到这个广播的所有网卡的集合称为一个广播域。一般来说,一个网段就是一个冲突域,一个局域网就是一个广播域。

1、广播域（Broadcast Domain）

　　广播域是一个逻辑上的计算机组，接收同样广播消息的节点集合。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。由于许多设备都极易产生广播，所以如果不维护，就会消耗大量的宽带，降低网络的效率。

2、冲突域（Collision Domain）

　　冲突域是一种物理分段，是指连接在同一物理介质上的所有站点的集合。这些站点之间存在介质争用现象（如传统以太网中的CSMA/CD介质检测原理），也就是它们在数据通信时需要共享某部分公用介质。冲突域指的是会产生冲突的最小范围。在同一冲突域中的计算机等设备互联时，会通过同一个物理通道，同一时刻只允许一个设备发送的数据在这条通道中通过，其他设备发送的数据则要等到这个通道处于"闲"时才可以通过，否则会出现冲突，这时就可能出现大量的数据包因为延时而被丢弃或者丢失。
　　

3、冲突域和广播域在网络互连设备上的特点

　　常见的网络互连设备的工作原理以及它们在划分冲突域、广播域时各自的特点。

1）传统以太网操作

　　传统共享式以太网的典型代表是总线型以太网。在这种类型的以太网中，通信信道只有一个，采用介质共享（介质争用）的访问方法（CSMA/CD介质访问方法）。每个站点在发送数据之前首先要侦听网络是否空闲，如果空闲就发送数据。否则，继续侦听直到网络空闲。如果两个站点同时检测到介质空闲并同时发送出一帧数据，则会导致数据帧的冲突，双方的数据帧均被破坏。这时，两个站点将采用"二进制指数退避"的方法各自等待一段随机的时间再侦听、发送。
　　在图1中，主机A只是想要发送一个单播数据包给主机B。但由于传统共享式以太网的广播性质，接入到总线上的所有主机都将收到此单播数据包。同时，此时如果任何第二方，包括主机B也要发送数据到总线上都将冲突，导致双方数据发送失败。我们称连接在总线上的所有主机共同构成了一个冲突域。
　　当主机A发送一个目标是所有主机的广播类型数据包时，总线上的所有主机都要接收该广播数据包，并检查广播数据包的内容，如果需要的话加以进一步的处理。我们称连接在总线上的所有主机共同构成了一个广播域。
　　

2）中继器（Repeater）

　　中继器（Repeater）作为一个实际产品出现主要有两个原因：
　　第一，扩展网络距离，将衰减信号经过再生。
　　第二，实现粗同轴电缆以太网和细同轴电缆以太网的互连。
　　通过中继器虽然可以延长信号传输的距离、实现两个网段的互连。但并没有增加网络的可用带宽。如图2所示，网段1和网段2经过中继器连接后构成了一个单个的冲突域和广播域。

​ 中继器一般只有两个端口，可以将多个网段连接成一个总线型拓扑结构；

​ 中继器相当于一个放大器，只不过放大器放大的是模拟信号，中继器放大的是数字信号；

　

3）集线器（HUB）

　　集线器实际上相当于多端口的中继器。集线器通常有8个、16个或24个等数量不等的接口。
　　集线器同样可以延长网络的通信距离，或连接物理结构不同的网络，但主要还是作为一个主机站点的汇聚点，将连接在集线器上各个接口上的主机联系起来使之可以互相通信。
　　如图3所示，所有主机都连接到中心节点的集线器上构成一个物理上的星型连接。但实际上，在集线器内部，各接口都是通过背板总线连接在一起的，在逻辑上仍构成一个共享的总线。因此，集线器和其所有接口所接的主机共同构成了一个冲突域和一个广播域。

功能上说集线器和中继器是一样的，都是用来延长网络信号的通信距离，集线器是中继器的升级版；

集线器最少都有8个端口，显然端口数量上远大于中继器；

集线器将不同网段连接成星型拓扑结构，如下图；

　　
　

4）网桥（Bridge）

　　网桥（Bridge）又称为桥接器。端口数量上和中继器类似，传统的网桥只有两个端口，用于连接不同的网段。和中继器不同的是，网桥具有一定的"智能"性，可以"学习"网络上主机的地址，同时具有信号过滤的功能。
　　如图4所示，网段1的主机A发给主机B的数据包不会被网桥转发到网段2。因为，网桥可以识别这是网段1内部的通信数据流。同样，网段2的主机X发给主机Y的数据包也不会被网桥转发到网段1。可见，网桥可以将一个冲突域分割为两个。其中，每个冲突域共享自己的总线信道带宽。

1、网桥的优点:

​ 1)过滤通信量。
​ 2)扩大了物理范围。
​ 3)提高了可靠性。
​ 4)可互连不同物理层,不同MAC子层和不同速率(如10 Mbit / s和100 Mbit)的以太网。

2、网桥的缺点：

​ 1)存储转发增加了时延。
​ 2)在MAC子层并没有流量控制功能。
​ 3)具有不同MAC子层的网段桥接在一起时时延更大。
​ 4)网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网,否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞,即广播风暴。

3、网桥的分类：

1）透明网桥

2）源路径网桥

具有智能化自动寻址能力和交换作用，数据不会发送到未指定的端口，即隔离了冲突域；

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　　但是，如果主机C发送了一个目标是所有主机的广播类型数据包时，网桥要转发这样的数据包。网桥两侧的两个网段总线上的所有主机都要接收该广播数据包。因此，网段1和网段2仍属于同一个广播域。

5）交换机（Switch）

　　交换机（Switch）也被称为交换式集线器，实际上是多端口网桥。它的出现是为了解决连接在集线器上的所有主机共享可用带宽的缺陷。
　　交换机是通过为需要通信的两台主机直接建立专用的通信信道来增加可用带宽的。从这个角度上来讲，交换机相当于多端口网桥。
　　如下图所示，交换机为主机A和主机B建立一条专用的信道，也为主机C和主机D建立一条专用的信道。只有当某个接口直接连接了一个集线器，而集线器又连接了多台主机时，交换机上的该接口和集线器上所连的所有主机才可能产生冲突，形成冲突域。换句话说，交换机上的每个接口都是自己的一个冲突域。

其最大优点是不仅每个端口节点所占用的带宽不会因为端口节点数的增加而被减少，而且整个交换机的总带宽可以随着端口节点的增加而增加（累加）

　　
　　但是，交换机同样没有过滤广播通信的功能。如果交换机收到一个广播数据包后，它会向其所有的端口转发此广播数据包。因此，交换机和其所有接口所连接的主机共同构成了一个广播域。
　　我们将使用交换机作为互连设备的局域网称为交换式局域网。

6）路由器（Router）

　　路由器工作在网络层，可以识别网络层的地址-IP地址，有能力过滤第3层的广播消息。实际上，除非做特殊配置，否则路由器从不转发广播类型的数据包。因此，路由器的每个端口所连接的网络都独自构成一个广播域。如下图所示，如果各网段都是共享式局域网，则每网段自己构成一个独立的冲突域。
　　

7）网关（Gateway）

　　网关工作在OSI参考模型的高三层，因此，并不使用冲突域、广播域的概念。网关主要用来进行高层协议之间的转换。例如，充当LOTUS 1-2-3邮件服务和Microsoft Exchange邮件服务之间的邮件网关。
　　注意，这里网关的概念完全不同于PC主机以及路由器上配置的默认网关（default gateway）。

8) 番外之广播域

​ 由于广播域被认为是OSI中的第二层概念，所以像Hub、交换机等第一、第二层连接的节点都被认为都是同一个广播域。而路由器，第三层交换机则可以划分广播域，即可以连接不同的广播域。
　　VLAN是用来把一个大的网络划分成多个小的虚拟网络，也就是它具有划分多个广播域、缩小广播域大小的功能。因为不同的VLAN间时不能直接通信的，VLAN间的通信必须依靠三层路由，就像不同子网间的连接一样，所以VLAN也是不转播广播包的，可以起到缩小广播域的作用。

9） 番外之冲突域

​ 冲突域的大小可以衡量设备的性能，我们知道以前的集线器、中继器都是典型的共享介质的集中连接设备，都是工作在OSI/RM第一层--物理层上的设备。连接在这些设备上的其他设备都处于同一个冲突域中，不能划分冲突域，即所有的端口上的数据报文都要排队等待通过。
　　工作在OSI/RM第二层--数据链路层上的设备，如网桥和交换机也有冲突域的概念，但是它们都是可以划分冲突域的，也可以连接不同的冲突域。如果我们把集线器、中继器上的传输通道看成是一根电缆的话，则可将网桥、交换机的交换通道看成是一束电缆，有多条独立的通道（是矩阵设计的），这样就可以允许同一时刻进行多方通信了。
　　网桥与中继器类似，传统的网桥只有两个端口，可用于连接不同的网段。也就是可以把网桥看成是可以连接两个冲突域的设备。连接在同一网桥上的两个网段各自成为一个冲突域。交换机则是网桥的扩展，它有许多端口，而且每个端口就是一个冲突域，即一个或多个端口的高速传输不会影响其他端口的传输，因为不同端口发送的数据不需要在同一条通道中排队通过，而只是在同一端口中的数据才要在对应端口通道中排队。

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参考文章：天勤2021计算机网络高分笔记