3.4 扩展以太网

 

思维导图：

 3.4.1 在物理层扩展以太网

**3.4 扩展的以太网笔记**

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**1. 简介**： 
- 扩展以太网目的：覆盖更大的范围。
- 扩展方法：物理层、数据链路层。

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**2. 在物理层扩展以太网**

**2.1 基础知识**：

- 以太网距离限制：例如，10BASE-T的最大距离为200米。
- 信号在远距离传输时衰减，影响CSMA/CD协议。

**2.2 传统扩展方法**：

- 使用转发器在物理层进行扩展。
- 在过去，两个网段之间用一个转发器连接。
- 限制：IEEE 802.3规定任意两个站点之间最多可以经过三个电缆网段。

**2.3 现代扩展方法**：

- 使用光纤及光纤调制解调器。
- 光纤调制解调器：电信号<->光信号转换。
- 优势：光纤时延小、带宽宽，可连接几公里外的集线器。

**2.4 多级星形结构的以太网**：

- 通过主干集线器连接多个10BASE-T以太网，形成大的以太网。
- 优势：
  - 不同系的计算机进行跨系通信。
  - 扩展地理范围。

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**3. 多级集线器以太网的问题**

**3.1 碰撞域问题**：

- 独立以太网：每个以太网是一个独立的碰撞域。
- 扩展后以太网：碰撞域合并。
  - 例如：三个系各有10 Mbit/s的带宽，合并后总带宽仍然是10 Mbit/s。

**3.2 以太网技术问题**：

- 不同系使用不同以太网技术时，使用集线器互连会受限于最低速率。
- 集线器不能缓存帧。

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**结论**：扩展以太网提供了跨区域通信的能力，但也带来了碰撞域和技术限制问题。选择合适的扩展方法，考虑网络的实际需求和限制。

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**学习技巧**：通过图解法对复杂的网络结构进行可视化可以更容易理解和记忆。对于碰撞域和技术问题，可以通过实例或实际案例进行深入理解。

 3.4.2 在数据链路层扩展以太网

**笔记：3.4.2 在数据链路层扩展以太网**

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**1. 数据链路层扩展方法**：
- 最初使用的是网桥(bridge)，根据MAC帧的目的地址进行转发和过滤。
- 1990年，交换式集线器(switching hub)问世，淘汰了网桥。也称为以太网交换机或第二层交换机(L2 switch)。

**2. 以太网交换机的特性**：
- 是一个多接口的网桥，接口多。
- 与转发器、集线器不同，工作在数据链路层。
- 每个接口全双工，连接单台主机或另一个交换机。
- 具有并行性，能同时连通多对接口。
- 接口具有缓存能力，能在繁忙时缓存帧。
- 帧交换表是自学习算法建立的。
- 使用硬件转发，速度远超过软件转发的网桥。
- 性能优越、价格适中，导致集线器逐渐退出市场。
- 若连接10个用户，每用户独占带宽，总容量是10x单用户带宽。
- 支持多种速率的接口。
- 有些交换机采用直通(cut-through)方式，提高转发速度，但可能转发错误帧。
- 与建筑物结构化布线系统紧密关联。

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**3. 以太网交换机与网桥比较**：
- 网桥在接收到帧时会进行地址查找并决定是否转发或过滤。
- 以太网交换机使用硬件进行转发，速度更快。
- 交换机是多接口的，而网桥只能一次分析和转发一个帧。

**4. 交换机的优势**：
- 可以提高以太网的总吞吐量。
- 对于共享式以太网，交换机可以提供每个用户独占的带宽。
- 设备插入后即可使用，不需要额外配置或改动。
- 支持多种接口速率，适应各种网络需求。

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**5. 直通与存储转发方式**：
- 直通：接收和转发帧几乎是同时进行，不需要完全缓存帧。
- 存储转发：首先完全接收帧，检查后再转发。
- 直通转发速度快，但可能转发错误帧；存储转发转发速度慢，但能进行错误检查。

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这些笔记精炼地总结了在数据链路层扩展以太网的内容，并突出了关键信息和概念。

**2. 以太网交换机的自学习功能**

以太网交换机通过自学习的过程来建立和更新其转发表，使得数据帧可以更有效地在网络中传输。以下是以太网交换机自学习的基本过程：

**基础理解**:
- 当一台计算机向另一台计算机发送数据帧时，该数据帧会包含源MAC地址和目的MAC地址。
- 以太网交换机通过分析这些帧来学习网络中的计算机在哪个接口上，从而更新其转发表。

**例子**:
1. 假设有一个以太网交换机，它连接了4台计算机，它们的MAC地址分别是A、B、C和D。开始时，交换机的转发表是空的。
2. 计算机A向计算机B发送数据帧。交换机首先检查其转发表，但因为表是空的，所以不知道向哪个接口转发。因此，它记录源地址A在接口1的信息，并向其他所有接口广播这个帧。
3. 只有计算机B会接收并处理这个帧，因为它是目标地址。其他计算机C和D会丢弃这个帧。
4. 当B回复A时，交换机再次查看其转发表，发现有关于A的条目，于是直接将帧从接口1转发给A。
5. 经过一段时间，交换机会学习到所有连接的计算机的位置，从而使数据帧的转发更加高效。

**注意事项**:
1. 转发表中的每个条目都有一个有效期。一旦超过这个期限，该条目将被删除，以保证转发表的准确性。
2. 交换机的自学习特性使得网络配置非常简单，不需要人工设置。
3. 但在有冗余链接的网络中，自学习可能导致数据帧在网络中形成环路，造成资源浪费。为解决这个问题，IEEE 802.1D标准引入了生成树协议(STP)，确保数据帧不会在网络中形成环路。

**3. 从总线以太网到星形以太网**

**背景**: 在20世纪70年代，由于技术限制，局域网通常使用总线式结构，而不是星形结构。但随着技术的发展，星形结构的以太网交换机变得更加可靠和便宜，逐渐取代了总线式结构。

**总线式与星形结构的差异**:
1. 总线式以太网使用CSMA/CD协议，在半双工模式下工作，容易发生数据碰撞。
2. 星形结构的以太网交换机不使用共享总线，因此不会发生碰撞。它们在全双工模式下工作，不需要使用CSMA/CD协议。
3. 尽管星形结构的以太网不使用CSMA/CD协议，但由于其帧结构与原始的以太网相同，所以仍称其为以太网。

**结论**: 技术进步使得星形结构的以太网交换机变得更加流行，但它仍然继承了原始以太网的基本特性。

 3.4.3 虚拟局域网

**3.4.3 虚拟局域网 (VLAN)**

**定义与原理**
- **定义**：根据IEEE 802.1Q标准，虚拟局域网 (VLAN) 定义为由一些局域网网段组成，与物理位置无关的逻辑组。这些网段有某些共同的需求。每个VLAN的帧都有一个明确的标识符，表示发送此帧的计算机属于哪个VLAN。
- **特点**：VLAN并不是一种新型局域网，而是局域网提供的服务。

**图3-27的网络拓扑分析**：
- 展示了利用四个以太网交换机的网络。其中，10台计算机被分布在三个楼层，形成了三个局域网：LAN₁, LAN₂, LAN₃。
- 但这10个用户按工作组划分为三个VLAN：VLAN₁, VLAN₂, VLAN₃。
- VLAN中的计算机可以位于不同的局域网，不必位于同一层楼。

**VLAN的工作方式**：
- 以太网交换机可以方便地将这10台计算机划分为三个VLAN。
- 在同一VLAN上的站点可以接收来自同一VLAN上其他成员的广播。
- VLAN限制了接收广播信息的计算机数量，从而避免了广播风暴导致的网络性能下降。
- 由于VLAN是基于逻辑的，用户和网络资源可以轻松地重新组合，以从不同的服务器或数据库访问所需资源。

**以太网交换机的种类**：
- 具有第三层特性的第二层交换机
- 多层交换机

**802.1Q标准与VLAN标记**：
- 1988年，IEEE批准了802.3ac标准，定义了以太网帧格式的扩展，以支持VLAN。
- VLAN协议允许在以太网帧格式中插入一个4字节的VLAN标记。
- 802.1Q帧是带有VLAN标记的帧。
- VLAN标记插入在以太网MAC帧的源地址字段和类型字段之间。
  - 前两个字节始终设置为0x8100，称为IEEE 802.1Q标记类型。
  - 在后面的两个字节中，前3位是用户优先级字段；紧接的一位是规范格式指示符(CFI)；最后12位是VLAN标识符(VID)。

**总结**：
VLAN技术提供了一种有效的途径，将物理网络内的用户划分为不同的逻辑工作组，每个工作组内的成员可以分布在物理网络的任何位置。利用VLAN可以更好地管理广播域，提高网络的效率和安全性。

 

 

 

 

 

总结：

**扩展以太网的重点：**

1. **定义和原理**：扩展以太网允许网络跨越更大的地理区域，超出了传统以太网的限制。
2. **组件与设备**：重点包括桥接器、交换机、路由器等，它们可以连接多个以太网段并增加网络的总体带宽和范围。
3. **帧格式**：尤其是802.1Q VLAN标记，它在原始的以太网帧中插入了额外的信息，以支持虚拟局域网功能。
4. **VLAN技术**：允许物理网络内的用户划分为逻辑工作组。
5. **广播域管理**：VLAN技术的一个主要用途是限制广播流量的范围，提高网络效率。

**难点：**

1. **理解VLAN工作原理**：如何逻辑地划分网络、如何在物理结构上实现等。
2. **交换机和桥接器的工作方式**：它们如何学习MAC地址，如何根据这些地址进行转发等。
3. **802.1Q标记的细节**：需要了解其结构和如何对帧进行标记以表示不同的VLAN。

**易错点：**

1. **混淆桥接器、交换机和路由器的功能**：虽然它们都是连接设备，但它们的工作原理和用途有所不同。
2. **VLAN配置错误**：可能会导致网络段隔离或广播风暴。
3. **理解广播域与碰撞域的差异**：在扩展以太网中，这两个概念经常被混淆。

**技巧：**

1. **分层理解**：将网络分为不同的层次（如物理、数据链路和网络层），然后分别理解每一层的组件和功能。
2. **使用网络图**：可视化网络结构可以帮助理解设备之间的连接和数据流。
3. **实践操作**：通过实际配置和测试VLAN和其他网络设备，可以加深对其工作原理的理解。
4. **持续学习和更新**：网络技术不断发展，定期更新知识和技能是非常重要的。