第3章 数据链路层(5)

透明网桥使用了生成树算法
这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。

F1

F2
网桥 1 转发的帧
网桥 2 转发的帧

网桥 1 A
不停地 兜圈子 网络资源白白消耗了
局域网 2 网桥 2 局域网 1

F A 发出的帧
生成树算法的得出
每隔几秒钟每一个网桥要广播其标识号(由生产网桥的
厂家设定的一个惟一的序号)和它所知道的其他所有在网上
优点
使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨
碰撞域的通信。
扩大了局域网覆盖的地理范围。
缺点
碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集
线器将它们互连起来。
局域网扩展
在数据链路层扩展局域网 ---- 使用网桥、交换机 在网段之间转发数据帧（根据MAC层物理地址）
HUB
HUB
HUB
冲突域1
冲突域2
冲突域3
广播域
网桥连接网段扩展局域网
网桥是在逻辑链路层上存储转发数据幀的设备，当在多个局域网 之间需要交换信息，或为了安全、减小冲突域、增大吞吐量、要将现
存的单个局域网分隔成几个网络时，就要用到网桥。（上图中红色光球---冲突）
连接网桥前后的冲突域变化
一 个 冲 突 域
透明网桥是对主机是透明的，采用自动配置方式，无连
接，透明网桥使用生成树，它一般不是最佳路由。
传统共享式局域网的缺点
传统的局域网技术是建立在“共享介质”的基础上，典 型的介质访问控制方法是CSMS/CD、Token Ring、Token Bus； 介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地 使用公共传输介质； 每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而 急剧减少； 网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网 络效率将会下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质 量将会下降。
的结点共享一个冲突域。
中继器的连接
集线器
集线器
集线器
A
B
C
a
D
A
B
C
D
b
用多个集线器可连成更大的局域网
某大学有三个系，各自有一个局域网
三个独立的碰撞域 碰撞域 碰撞域 碰撞域
一系
二系
三系
用集线器组成更大的局域网 都在一个碰撞域中
一个更大的碰撞域 主干集线器 碰撞域
一系
二系
三系
用集线器扩展局域网
在转发一个帧之前，必须修改帧的某些字段的内容，以适
合另一个MAC子层的要求。
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。这就是所谓的广播风暴。
广播风暴
以太网 Bridge 采用了基于 MAC 地址在不同端口之间
的转发，而每一个端口对应的是一个以太网的网段，也就 是一个以太网的广播域，以太网 Bridge 只转发不同端口
LLC-H
LLC-H
User data
User data MAC-T
网桥协议体系结构
两个远程LAN的连接(通过串行线)
User
两个LAN可以是不同类型
User t1 t2 t3
LLC
MAC PHY
t4
MAC Link PHY PHY
t5
Link MAC PHY PHY
t6
t9 t8 t7
LLC
进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目进行更新。
转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。 如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）按
进行转发。
如有，则按转发表中给出的接口进行转发。 若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃
这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。
的网桥。
生成树算法选择一个网桥作为生成树的根(例如，选择
一个最小序号的网桥)，然后以最短路径为依据，找到树上 的每一个结点到根的最短路径。
当互连局域网的数目非常大时，生成树算法很花费时间。
这时可将大的互连网划分为多个较小的互连网，然后得出 多个生成树。
生成树算法的实例
A
1 Lan 2
B
3
高速局域网的研究方法
第一种方案：提高Ethernet的数据传输速率: 10Mb/s→100Mb/s→10Gb/s ； 第二种方案：将一个大型局域网划分成多个用网桥互连 的子网，导致了局域网互连技术的发展； 第三种方案：将“共享介质方式”改为“交换方式”， 导致了“交换式局域网”技术的发展。
配器（这就改变了站点的地址）。另外，以太网上的工作站并非总是
接通电源的。
把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只保留网络
拓扑的最新状态信息。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的 最新拓扑状态。
网桥的自学习和转发帧的步骤归纳
网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址
有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、
交换式局域网—基于硬件交换技术
并发连接； S = N×10Mb/s 共享式局域网与交换式局域网的比较
交换机概述——认识一下交换机

交换机，英文名称为Switch，工作在OSI的数据链路 层，也称二层交换机，它是一种基于MAC地址(网卡的硬件 地址)识别，用于数据帧的转发的设备。
局域网交换机的工作原理
把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入 接口当作转发接口。
转发表的建立过程举例
1
B1
2
1
B2
2
A
B
C
D
E
F
地址 A→ B A F B
接口 1 2 1 A→ B F→C
地址
接口
A
1
F→C
B→A
…
F
…
2
…
…
网桥在转发表中的信息
站地址：登记收到的帧的源 MAC 地址。 端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号。 时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。 转发表中的 MAC 地址是根据源 MAC 地址写入的，但在
四 个 冲 突 域
网桥协议体系结构
用一个网桥连接两个LAN 站点A 网桥 t1 t2 t3
802.1D标准
站点B t5 t8 t7
User
LLC MAC
MAC
t4 PHY PHY
User
LLC MAC
PHY
LAN
t1,t8
LAN
User data
t6
PHY
t2,t7
t3,t4,t5,t6 MAC-H
采用不同MAC协议的 LAN互连
User User
t1
LLC
MAC PHY
t4
t2
t3
MAC MAC PHY PHY
t5
t8
网桥
t7
LLC
MAC PHY
802.3
t1,t8 t2,t7 LLC-H LLC-H LLC-H
802.4
User data User data User data User data
回顾
链路层使用信道 链路层三个基本问题


链路层协议
局域网模型


局域网种类（各自使用的协议）
网卡地址
3.5以太网扩展
在物理层扩展以太网 在数据链路层扩展以太网
3.5 扩展以太网
在物理层扩展局域网 ---- 使用中继器、集线器
应用层 表示层 会话层 传输层
应用层 表示层 会话层 传输层 中继器、集线器 物理层
间的通信。但是由于Bridge 依赖的是运行网络中存在的
MAC 地址和端口的对应表，所以一旦收到目的地址未知的 数据包，它将利用广播的形式来寻址，其后果就是在一个 环形网络中造成数据流量以指数形式的增长，从而导致网 络的瘫痪，这种现象也称为“广播风暴”。
Bridge
100BASE-T 10BASE-T 10BASE-T
多个发现帧将在整个网络中沿着所有可能的路由向接收方发
送。在传送过程中，每个发现帧都记录所经过的路由。当这些发
现帧到达接收方时，就沿着各自的路由返回发送方。发送方在了 解这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。
源路由网桥和透明网桥的区别
源路由网桥对主机是不透明的，它采用手工配置方式，
面向连接，使用源路由网桥可以利用最佳路由。
ª ¢ ú ×·» ¹ Ö ò ø » ¾ Ó Í ½ » » ú Ø ·± µ Ö í º å ÷ » ³ Æ 1 2 Ë Ú ¶ ¿ 3 4 5 6 DA MACÖ ¡ DA=½ µ C á ã á ã ½ µ B á ã ½ µ A:00-01-0C-12-D1-28 á ã ½ µ C á ã ½ µ D:01-31-00-0C-12-D1 1 2 3 4 5 6 DA MACÖ ¡ DA=½ µ B á ã á ã ½ µ B:06-21-0A-12-61-20 á ã ½ µ C:30-61-2C-61-02-16 á ã ½ µ D:01-31-00-0C-12-D1 á ã ½ µ A:00-01-0C-12-D1-28 Ë Ú ¶ ¿ Ø ·Ó ä í µ Ö ³ É ± MACµ Ö Ø ·
应用层 表示层
应用层 表示层
会话层
传输层 网络层 数据链路层 物理层
会话层 网桥、交换机
数据链路层 物理层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
扩展后的局域网在网络层看来还是一个网络
网桥
网桥根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，先检查此帧的目的 MAC地 址，然后再确定是过滤丢弃、还是将该帧转发到另一个端口。
MAC PHY
网桥 LAN t1,t9 t2,t8 LLC-H LLC-H LLC-H
网桥 LAN User data User data User data User data
站点A
站点B
t3,t4,t6,t7
t5 Link-H
MAC-H MAC-H
MAC-T MAC-T Link-T
网桥协议体系结构
网络层
数据链路层 物理层
网络层
数据链路层 物理层
在物理层扩展局域网 物理层扩展设备： 中继器（Repeater）和集线器（Hub）
中继器 在物理层上实现局域网网段 的扩展，主要起到对传输介
集线器
集线器(Hub)是一种多端口 转发器。所有连接到集线器
质上信号波形的接收、整形、
放大及转发作用，延长网络 距离的作用。

透明网桥由各个网桥自己来决定路由选择，局域网上的各结点不负责路
由选择，网桥对于互连局域网的各结点来说是“透明”的；

透明网桥一般用在两个使用同样的MAC层协议的网段之间的互连。

透明网桥的最大优点是容易安装，是一种即插即用设备。其标准是 IEEE
802.1D
网桥应当按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表
碰撞域 A B B1 碰撞域 C D B2 碰撞域 E F
扩大了物理范围 提高了可靠性 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率 （如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网
使用网桥带来的缺点
存储转发增加了时延。
在MAC子层并没有流量控制功能。
具有不同 MAC子层的网段桥接在一起时时延更大。网桥
C
4
1
A
2
D
B
3
E
C
4
F
Dຫໍສະໝຸດ Baidu
E
F
5
H
6
J
7
G
5 6 7
Bridge
8
9
H
8
I
9
J
网桥的路由选择策略
源路由网桥 (Source Route)

源路由网桥是由发送帧的源结点负责路由选择。 为了发现合适的路由，发送方以广播方式向接收方发送一个发
现帧(Discovery Frame)，其主要作用是发现最佳路径。
进行转发时是将此 MAC 地址当作目的地址。
如果网桥现在能够从端口 x 收到从源地址 A 发来的帧，
那么以后就可以从端口 x 将帧转发到目的地址 A。
网桥在转发表中登记以下三个信息
在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外，还有帧进入该网
桥的时间。
这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，站点也可能会更换适
若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反
方向一定可把一个帧传送到 A。
网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表
中的一个项目。
在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。
在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就
网桥的作用：过滤和转发
一、网桥的内部结构
网桥依靠转发表转发 帧
网桥
站表
端口管理 软件 端口 1
网桥协议 实体
缓存
站地址 端口 MAC1 1 MAC2 1 MAC3 1 MAC4 2 MAC5 2 MAC6 2 端口 2
网桥
网段 A ① ② ③ ④
网段 B ⑤ ⑥
网段A
网段B
使用网桥带来的好处
过滤通信量。
t6
站点A
站点B
t3,t4 t5,t6
802.3-H 802.4-H
802.3-T 802.4-T
网桥的路由选择策略
网桥转发数据帧的过程，实质上也是帧的路径选择过程，经过路径选择后，
网桥将帧发往适当的端口。
目前，常用的有两种网桥，即透明网桥和源路由网桥。
透明网桥 (Transparent Bridge) 透明网桥特点