谢希仁《计算机网络第五版》第三章：数据链路层（二）笔记解析

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其实谢希仁《计算机网络第五版》第三章：数据链路层（二）笔记解析的问题并不复杂，但是又很多的朋友都不太了解，因此呢，今天小编就来为大家分享谢希仁《计算机网络第五版》第三章：数据链路层（二）笔记解析的一些知识，希望可以帮助到大家，下面我们一起来看看这个问题的分析吧！

.网桥内部结构

最简单的桥有两个接口，更复杂的桥有更多。连接后，覆盖范围更大的称为以太网，每个原来的以太网可以称为一个网段。网桥依靠转发表来转发帧。转发表（有关如何获取它的信息，请参阅下一节）也称为转发数据库或路由目录。

上图中，如果网桥从接口1收到A到B的帧，查找转发表后，将帧发送到接口2，并转发到其他网段，以便E可以接收到该帧。如果网桥从接口1 接收到从A 到B 的帧，则会将其丢弃。因为转发表表明转发给B的帧应该是从接口1转发的，而现在该帧是从接口1接收的，这就说明B和A在同一个网段，B可以直接接收该帧，不需要需要依赖网桥转发。

上述过程是由网桥通过内部接口管理软件和网桥协议实体完成的。

二.网桥的好处

过滤流量，提高吞吐量。

桥接器工作在链路的MAC 子层，使每个以太网段成为一个单独的冲突域。

不同网段的通信不会互相干扰。例如，A和B正在通信，C和D，E和F也可以同时通信。但两个网段之间只能有一种通信，即如果A和C通信，那么B和D就不能再通信。因此，如果每个网段的数据速率为10Mb/s，则三个网段加起来的最大吞吐量为30Mb/s。但如果两个网桥换成集线器或中继器，仍然是10Mb/s。

扩大了物理范围，从而也增加了整个以太网网络上工作站的最大数量

提高了可靠性。当网络发生故障时，一般只影响个别网段。

能够以不同的速率互连不同的物理层、不同的MAC子层和以太网。（例如10Mb/s 和100Mb/s 以太网）

三网桥的缺点

延迟增加

因为网桥必须首先存储并查找转发表接收到的帧，然后再转发。在转发之前，必须执行CSMA/CD算法（发生冲突时退避）。

无流量控制功能

没有MAC 子层。当网络负载较重时，网桥中的缓存存储空间可能不足而发生溢出，导致帧丢失。

将出现广播风暴

网桥仅适用于用户数量和流量较小的以太网网络。

四两个网桥之间也可以使用点对点链路。

LAN1、LAN2：以太网

B1、B2：桥

它们通过点对点链路连接。当A向B发送数据帧时，MAC帧头中的源地址和目的地址分别是A和B的硬件地址，相当于、对应的图。网桥B1通过点对点链路转发数据帧时，如果链路使用PPP协议，则必须在数据帧的开头和结尾分别添加帧头PPP-H和帧尾PPP-T，即相当于图中的。当数据帧即将离开B2时，需要剥离头部PPP-H和尾部PPP-T（对应图），然后通过以太网LAN2到达B。

当网桥转发帧时，不会改变帧的源地址。

2.透明桥

透明网桥，标准为IEEE 802.1 D。

.原则

当帧到达时，网桥必须决定是丢弃它还是转发它。如果你想转发，你必须决定发送到哪个局域网。在网桥插入开始时，由于网桥不知道任何目的地的位置，因此它使用洪泛算法将每个目的地未知的传入帧输出到连接到该网桥的所有LAN（除了发送该帧的LAN））。随着时间的推移，桥梁将了解每个目的地的位置。一旦知道了目的地位置，发送到那里的帧仅被放置在适当的LAN 上并且不再分发。

二.透明桥拓扑图（示例）

(1)A向B发送帧

站点B 和网桥B1 连接在同一局域网内，可以接收A 发送的帧。网桥B1 首先根据源地址A 查找转发表，B1 的转发表中没有A 的地址，因此该地址A和接收该帧的接口1被写入转发表。这意味着以后如果收到要发送A的帧，应该通过这个接口1转发出去，然后根据目的地址B查找转发表，转发表中没有B地址，所以帧通过除接收该帧的接口1（现在为接口2）之外的所有接口转发。网桥B2 从其接口1 接收转发的帧。

网桥B2 以相同的方式处理接收到的帧。 B2在转发表中没有A的地址，因此将地址A和接口1写入转发表中。 B2 的转发表中没有B 的地址，因此B2 通过除接收子帧的接口1（现在是接口2）之外的所有接口转发该帧。

请注意，现在两个转发表中各有一个项目。问：B可以直接收到A发送的帧，为什么非要让网桥B1和B2盲目转发这个帧呢？这是因为两个网桥当时并不知道网络拓扑，所以它们必须经过一个自学习的过程（盲转发不得不使用这种方法）来逐渐弄清楚所连接的网络拓扑并建立自己的转发表。

(2)F向C发送帧

网桥B2 从其接口2 接收该帧。B2 的转发表中没有F，因此转发表中写入地址F 和接口2。 B2 的转发表中没有C，因此该帧必须通过B2 的接口1 转发。现在C 和网桥B1 都可以收到该帧。网桥B1的转发表中没有F，因此必须将地址F和接口2写入转发表，并且该帧必须从B1的接口1转发。

(3)B向A发送帧

网桥B1 从其接口1 接收该帧。B1 的转发表中没有B，因此转发表中写入地址B 和接口1。然后查找目的地址A，现在B1的转发表中可以找到A，其转发接口为1，与该帧进入网桥B1的接口相同。因此网桥B1 知道A 可以接收B 发送的帧，而无需转发该帧本身。因此网桥B1 丢弃该帧，不再转发该帧。这次，网桥B1的转发表中添加了一项，但网桥B2的转发表没有改变。

显然，如果网络上的每个站点都发送一个帧，则每个站点的地址最终都会记录在两个网桥的转发表中。

事实上，网桥的转发表中的信息包括：地址、接口以及帧进入网桥的时间。

为什么我们需要记录帧进入桥的时间？

由于以太网拓扑可能会频繁变化，因此站点可能会更改适配器（从而更改站点的地址）。此外，以太网工作站并不总是处于通电状态。通过注册每个帧到达网桥的时间，转发表中只能保留网络拓扑的最新状态信息。具体方法是：网桥中的接口管理软件定期扫描转发表中的项。只要是在某个时间（比如几分钟）之前注册的，就会被删除。这使得网桥中的转发表能够反映当前网络的最新拓扑状态。

可以看出，网桥中的转发表并不总是包含所有站点的信息。只要站点从不发送数据，网桥的转发表中就不会存在该站点的条目。如果站点A一段时间内没有发送数据，则转发表中地址为A的项将被删除。

三透明桥的工作原理

透明网桥以混杂方式工作，接收与其连接的所有LAN 发送的每个帧。当帧到达时，网桥必须决定是丢弃它还是转发它。如果你想转发，你必须决定发送到哪个局域网。这是通过在网桥的大型哈希表中查找目标地址来确定的。此表列出了每个可能的目的地及其所属的输出线路(LAN)。在桥插入开始时，所有哈希表都是空的。由于网桥不知道任何目的地的位置，因此它使用洪泛算法：每个目的地未知的传入帧都输出到连接到网桥的所有LAN（发送该帧的LAN 除外）。随着时间的推移，桥梁将了解每个目的地的位置。一旦知道了目的地位置，发送到那里的帧仅被放置在适当的LAN 上并且不再分发。

四透明桥工作流程

(1) 从端口x接收一个无错误的帧（如果有错误则丢弃），并在转发表中查找目的MAC地址。

(2) 如果是，找出到达该MAC地址应该使用的端口d，然后进行(3)，否则进行(5)。

(3) 如果这个MAC地址所到的端口是d=x，则该帧被丢弃（因为这意味着它不需要通过网桥转发）。否则从端口d 转发该帧。

(4) 转到(6)。

(5) 将此帧转发到网桥上除x 之外的所有端口（这样做可确保找到目标站）。

(6) 如果源站不在转发表中，则将源站MAC地址添加到转发表中，注册帧进入网桥的端口号，并设置定时器。然后转到(8)。如果源站在转发表中，则执行(7)。

(7)更新定时器。

(8)等待新的数据帧。转到(1)。

.生成树算法

也就是说，互连的网桥相互通信后，可以找到原始拓扑的子集。在这个子集中，整个连接的网络中不存在环路，即任意两个站之间只有一条路径。

为什么要寻找生成树？这是为了防止转发的帧在网络中不断地绕圈。看下面的图片。

为了获得能够反映网络拓扑变化的生成树，生成树上的根桥必须定期更新生成树拓扑。

3.源路由桥

透明网桥安装方便，但资源没有得到充分利用。于是源路由桥就出来了。

源路由桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧头中。

源站如何知道选择什么路由？

为了发现合适的路由，源站以广播的形式向其想要通信的目的站发送发现帧(discoveryframe)以用于检测目的。发现帧沿着整个扩展以太网网络中所有可能的路由传输，记录沿途所采取的路由。当发现帧到达目的站时，它沿着各自的路线返回到源站。始发站学习到这些路由后，选择最佳路由。从此以后，从源站发送到目的站的每一帧的帧头都必须携带源站确定的路由信息。

帧还帮助源端确定可以通过整个网络的帧的最大长度。

源路由网桥和透明网桥的区别

透明桥的网络资源利用率不如源路由桥。透明桥是透明的。源路由桥对于主机来说不透明。主机必须知道网桥的身份以及它连接到哪个网段。

在一段时间内，透明网桥和源路由网桥独立发展。但后续的需求是设计一种方式来满足通过透明桥互连的局域网和通过源路由桥互连的局域网之间的连接。

最终，所有标准网桥都必须支持透明桥接，并且源路由将作为可选的附加功能使用。

源路由桥可以选择最佳路由，而透明桥只能使用生成树。但使用生成树一般不能保证所使用的路由是最好的，也不能在不同链路上进行负载均衡。

主要特点比较

4.多接口网桥——以太网交换机

一、概念

以太网交换机：是基于以太网传输数据的交换机。以太网使用共享总线传输介质局域网。工作在链路层。

网桥的接口数量很少，通常只有2到4个，而以太网交换机通常有十几个接口。它本质上是一个多接口桥，这与工作在物理层的中继器和集线器有很大不同。

每个端口都直接连接主机或集线器（普通网桥的接口往往连接以太网的一个网段），一般工作在全双工模式。当主机需要通信时，以太网交换机可以同时连接多对端口，使得相互通信的每一对主机都可以无冲突地传输数据，就好像它是一个独占的通信介质一样。

以太网交换机就像透明网桥一样，也是一种即插即用的设备，其内部的帧转发表是通过自学习算法自动逐步建立的。当两个站之间的通信完成后，连接就断开。

采用专用交换结构芯片，交换速率更高。

例如：对于普通的10Mb/s共享以太网，如果有N个用户，则每个用户平均占用的带宽仅为总带宽的N分之一。使用以太网交换机时，虽然每个接口到主机的带宽仍然是10Mb/s，但由于一个用户独占通信，而不是与其他网络用户共享传输介质的带宽，对于N对接口的交换机来说，总容量为N*10Mb/s。这是交换机的最大优点。

从共享总线以太网或10 BASE-T以太网转为交换以太网时，所有接入设备、适配器等的软硬件不需要改变，即所有连接的设备继续使用CSMA/CD协议。另外，只要增加集线器的容量，就可以扩展整个系统的容量。

以太网通常具有多种速度的接口。有10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s接口多种组合，极大方便了各种场合的用户。

二.转发方式

直通转发

直通交换是指交换机收到帧后，只要看到该帧的目的MAC地址，就会立即根据MAC地址表将其转发到相应的端口。

如果在这样的交换机内部使用基于硬件的交叉连接矩阵，那么切换延迟将会很小。

这种方法的优点是速度快，转发所需的时间短。但缺点是不检查错误就直接转发帧，因此可能会将一些无效帧转发给其他站。

存储转发

存储转发机制是为交换机的每个端口分配一定的缓冲区（内存空间，通常为64K）。数据进入交换机后，读取目标MAC地址。根据MAC地址表学习到转发关系后，数据将存储在该端口的缓冲区中，直到数据填满缓冲区，然后将所有数据一次性转发到目的地。

当数据存储在缓冲区中时，交换机将对数据进行简单的验证。如果此时发现不正确的数据，则不会转发到目的地，而是直接丢弃在这里。

当然，这种方式可以提供更好的数据转发质量，但相对转发时间会比直通切换更长。

无段切换

片段隔离也称为改进的直通交换。它利用了直通式的优点，即转发延迟小，同时检查每个数据帧的长度。

因为原则上每个以太网帧不能小于64字节，大于1518字节。如果交换机检测到小于64字节或大于1518字节的帧，则会将这些帧视为“残缺帧”或“超长帧”，并在转发前将其丢弃。

这种方法结合了直通交换和存储转发的优点，被许多高速交换机所采用，但它不如存储转发方法那么流行。

注：（1）直通转发和存储转发都是二层转发方式，其转发策略基于目的MAC（DMAC）。在这方面，两种转发方法没有区别。第三种方法主要是第一种“直通转发”的变形。

(2)它们之间最大的区别在于它们在处理转发时，即交换机如何处理数据包的接收过程和转发过程之间的关系。

三交换机可以轻松实现虚拟局域网（virtual LAN）

定义：（IEEE 802.1 Q标准的定义）虚拟LAN VLAN是由一些与物理位置无关的LAN段组成的逻辑组，并且这些段有一定的共同要求。每个VLAN帧都有一个明确的标识符，表明发送该帧的工作站属于哪个VLAN。

它只是局域网向用户提供的一种服务，并不是一种新型的局域网。

图示：共有10个工作站，分布在三层楼。从图中可以看出，每个VLAN的工作站可以位于不同的LAN中，也可以不在同一楼层。虚拟LAN 上的每个站点都可以听到同一虚拟网络中其他成员发送的广播。这样，虚拟网络就限制了接收广播信息的工作站数量，使网络不会因为传播过多的广播信息而造成性能下降（即所谓的广播风暴）。

虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此相关的设备和资源可以根据需要轻松地重新组合，允许用户从不同的服务器或数据库访问所需的资源。

四以太网帧格式的扩展（以方便支持虚拟LAN）

VLAN标签：用于指示发送帧的工作站属于哪个虚拟LAN。如果仍沿用原来的以太网帧格式，则无法划分虚拟局域网。

802.1 Q 标签类型：前2 个字节始终设置为0x8100（即二进制10000001 00000000）。当数据链路层检测到MAC帧的源地址字段后面的两个字节的值是这么多时，它就会知道现在插入了一个4字节的VLAN标签。

用户优先级：3位

规范格式指示符CFI（规范格式指示符）：占1个位置

VLAN标识符VID：12位，唯一标识该以太网帧属于哪个VLAN

以太网的最大长度由原来的1518字节（1500字节数据加18字节报头）变为1522字节。

六、高速以太网

100Mb/s 或以上的以太网

1.100 BASE-T 以太网

是星形拓扑以太网，在双绞线上传输100Mb/s基带信号。仍然使用IEEE 802.3的CSMA/CD协议，也称为快速以太网。用户只需更换一个适配器并添加一个100Mb/s集线器，即可轻松从10 BASE-T以太网直接升级到100Mb/s，而无需改变网络拓扑。 100 BASE-T适配器具有很强的适应性，可以自动识别10Mb/s和100Mb/s。

100 BASE-T 的代号为IEEE 802.3 u，是对当前IEEE 802.3 标准的补充。

使用交换式集线器可以提供良好的服务质量，并且可以工作在全双工模式下而不会发生冲突。因此，CSMA/CD 协议不适用于工作在全双工模式（但工作在半双工模式）的快速以太网。工作在手动模式时必须使用CSMA/CD协议）。

不适用CSMA/CD协议为什么还叫以太网呢？这是因为快速以太网使用的MAC帧格式仍然是IEEE 802.3标准规定的帧格式。

IEEE 802.3u 标准不包括对同轴电缆的支持，这意味着想要从细电缆以太网升级到快速以太网的用户必须重新布线其电缆。因此，10/100 Mb/s 以太网现在使用非屏蔽双绞线布线。

100Mb/s以太网新标准改变了原有10Mb/s以太网的一些规定。这里的主要原因是当数据传输速率增加时保持参数a不变（或保持较小的值）。

可以看出，当数据速率C（Mb/s）增加到10倍时，为了保持参数a不变，帧长度L（bit）也可以增加到10倍，即网线长度（从而使）减少到原来值的十分之一。

100Mb/s以太网采用的方法是保持最短帧长度不变，但将一个网段的最长电缆长度减少到100m。但最小帧长度仍然是64字节，即512位。因此，100Mb/s以太网的竞争周期为5.12us，最小帧间间隔现在为0.96us，是10Mb/s以太网的1/10。

100Mb/s以太网的新标准还规定了以下三种不同的物理层标准：

(1) 100BASE-TX使用两对UTP 5类线或屏蔽双绞线STP，一对用于发送，另一对用于接收。

(2) 100BASE-FX 使用两根光纤，一根用于发送，一根用于接收。

（3）100BASE-T4采用4对UTP 3类线或5类线，这是为大量使用过UTP 3类线的用户而设计的。它使用3对线路同时传输数据（每对线路以33又1/3 Mb/s的速率传输数据），并使用1对线路作为接收通道进行冲突检测。

2.吉比特以太网

其标准具有以下特点：

(1) 允许以1Gb/s 的速度在全双工和半双工模式下工作

(2)使用IEEE 802.3协议规定的帧格式

（3）半双工使用CSMA/CD协议（全双工不使用）

(4) 向后兼容10BASE-T和100BASE-T技术

千兆位以太网可以用作现有网络的主干，也可以用于连接高带宽（高速）应用（例如医学图像或CAD图形等）中的工作站和服务器。

其物理层有两种成熟的技术：一种来自现有的以太网，另一种是ANSI开发的光纤通道FC（光纤通道）。

物理层有两个标准：

(1) 1000BASE-X（IEEE 802.3 标准）

它基于光纤通道的物理层，即FC-0和FC-1。使用的介质有1000BASE-SX（SX 代表短波长）、1000BASE-LX（LX 代表长波长）和1000BASE-CX（CX 代表铜线，使用两对短距离屏蔽双绞线）三种类型。对电缆）。

(2) 1000BASE-T（802.3 ab 标准）

采用4对UTP 5类线，传输距离100m。

在半双工模式下，需要进行冲突检测。随着数据速率的增加，参数a只能通过减小最大电缆长度或增加最小帧长度来保持较小。如果千兆以太网的最大电缆长度减少到10m，网络的实际价值将大大降低。如果最小帧长增加到640字节，发送短数据时开销会太大。因此，千兆以太网仍然保持一个网段的最大长度为100m，但采用“载波扩展”的方法，使得最短帧长度仍然是64字节（这样可以保持兼容性），同时竞争周期增加至512 字节。当发送的MAC帧长度小于512字节时，在帧末尾填充一些特殊字符，将MAC帧的长度增加到512字节，这对净荷没有影响。接收端收到以太网MAC帧后，必须删除其中填充的特殊字符，然后才能向上层传递。当原来只有64字节长的短帧填充到512字节时，填充的448字节会造成很大的开销。

为此，Gitterbit以太网添加了一项称为数据包突发的功能。这意味着当要发送很多短帧时，必须使用上面提到的载波扩展方法来填充第一个短帧。但是后续的短帧可以一个接一个地发送，它们之间只留下必要的最小帧间间隙。这会产生数据包突发，直到达到1500 字节或稍多。当Gitterbit以太网工作在全双工模式时，载波扩展和数据包突发不适用。

3.10吉比特以太网

10GE，即10个千兆以太网，并不是简单地将千兆以太网增加到10倍。有很多技术问题需要解决。

主要特点：帧格式与10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s以太网完全相同。 802.3 标准规定的最小和最大以太网帧长度也被保留。这使得用户在升级现有以太网时可以轻松地与低速以太网进行通信。

由于数据速率较高，不再使用铜线，而仅使用光纤作为传输介质。还可以使用较便宜的多模光纤。

只工作在全双工模式下，因此不存在争用问题，并且不使用CSMA/CD 协议。这大大提高了10GE的传输距离，不再受到冲突检测的限制。

千兆以太网的物理层可以使用现有的光纤通道技术，而10GE的物理层是新开发的。它有两个不同的物理层：

(1)局域网物理层LAN PHY。 LAN 物理层的数据速率为10.000 Gb/s（即10 Gb/s），因此10GE 交换机可以支持10 个千兆位以太网接口。

(2) 可选的WAN PHY。 WAN 物理层有另一种数据速率，用于连接到SONET/SDH，称为“10Gb/s”（不准确，在除去帧头的开销后，有效负载数据速率小于该速率）。相反，SONET/SDH的“10 Gb/s”速率无法支持10GE以太网接口，而只能连接到SONET/SDH。

10GE没有SONET/SDH同步接口，只有异步以太网接口。因此，当10GE连接到SONET/SDH时，出于经济原因，它只具有SONET/SDH的部分功能，但并不兼容全部。

优势：

(1)以太网是一项成熟的技术。当然，对于ISP来说，以太网的使用还需要进行更大规模的测试。

(2)互操作性好，不同厂家生产的以太网可以可靠地互操作。

(3)以太网用于广域网时，价格便宜，可以使用多种传输介质，使不同传输介质的用户通信时不必重新布线。

(4)端到端的以太网连接使所有帧都是以太网格式，无需进行帧格式转换，简化了操作和管理。

(4) 以太网的演进已经证明它具有可扩展性（从10Mb/s到100Mb/s）、灵活（多种媒体、全/半双工、共享/交换）、易于安装和坚固耐用。

4、使用高速以太网进行宽带接入

以太网成功地将其速率从10Mb/s提高到100Mb/s、1Gb/s和10Gb/s，其地理覆盖范围也从LAN扩展到LAN和WAN，因此人们正在尝试使用宽带以太网来宽带接入互联网。

高速以太网接入的优点：可提供双向宽带通信，并可根据用户对带宽的需求灵活升级带宽。当局域网和广域网都采用千兆以太网或10GE时，可以采用高速以太网接入，实现端到端的以太网传输，中间无需进行帧格式转换。这提高了数据传输效率并降低了传输成本。

例如：每栋大楼入口处有一台100Mb/s以太网交换机（话务量不大的大楼也可采用10Mb/s以太网交换机），然后安装一台10Mb/s或100Mb/s以太网交换机各楼层根据情况。以太网交换机。各大楼内的以太网交换机通过光纤连接至节点汇接处。几个光节点汇聚点再通过千兆以太网汇聚到一个高速汇聚点，再通过城域网连接到互联网的骨干网。

连接以太网时，如果用户少，就很难获得经济效益。如果是人口稠密的地区，以太网接入是一种替代的宽带接入方式。