第4章 數據鏈路層（4）_擴展以太網
4. 擴展以太網
4.1 集線器（hub）
（1）集線器組網
①10BASE-T雙絞線以太網的通信距離短，每個站到集線器的距離不超過100m（註意，10表示10Mb/s的數據傳輸率，BASE表示連接線上的信號是基帶信號，T代表雙絞線）
②集線器組成的以太網中的計算機共享帶寬，計算機數量越多，平分下來的帶寬越低。
③集線器和網線一樣工作在物理層，它的功能和網線一樣，只是將數字信號發送到其他端口，並不能識別哪些數字信號是同步碼、哪些是幀定界符、哪些是網絡層數據首部。
（2）計算機數量和距離擴展和沖突域問題
①可以將多個集線器通過網線、集線器或光纖連接起來形成一個更大的以太網，這不僅可以擴展以太網中計算機的數量，也可以擴展以太網的覆蓋範圍。
②相連的集線器要求每個接口帶寬要一樣。教室1是10M以太網，教室2是100M以太網，連接之後只能工作10M的速率上，這是因為集線器接口不能緩存幀。
③多集線器組成的以太網是一個大的以太網，形成一個大的沖突域。如上圖，計算機A組B發送幀時，數字信號會通過集線器之間的網線達到集線器2的所有接口，這裏D和E不能通信，形成一個大的沖突域。
4.2 網橋
（1）網橋設備的引入
①一個接口一個沖突域，將沖突域控制在一個小範圍。由於將一個大沖突域劃分成多個小沖突域，所以沖突域數量增加了，但沖突減少了，優化以以太網。
②網橋中有個MAC地址表，該表記錄了MAC地址和對應的轉發接口的關系。網橋根據幀的目標MAC地址
③網橋接口具有幀緩存能力，能實現幀的存儲轉發，但這也增加了時延。同時由於具有緩存能力，也可以連接不同的帶寬。
（2）網橋轉發幀
①網橋接口收到一個幀，會進行CRC檢驗該幀是否有錯。如果出錯則直接丟棄。
②如果沒錯，會利用幀的目標MAC地址去查找MAC地址表對應的出口。當MAC地址表中有相應的轉發端口，則轉發到該端口。如果沒有，則將該幀轉發到全部端口（除接收端口），而如果轉發表中給出的接口就是該幀進入網橋的接口，則會丟棄該幀（如A->B時，由於目標B對應的端口是E0，即該幀的入口和出口都是E0，說明不需要轉發，會被丟棄）。
③選擇好出口以後，在轉發出去之前還要運行CSMA/CD協議，以防止發生碰撞或進行必要的退避，然後才能將幀發送出去。
（2）網橋的自學習（構建MAC地址的過程）
①網橋接入以太網時，MAC地址表是空的。網橋會在計算機通信過程中自動構建MAC地址表，這稱為“自學習”。（註意，構建MAC地址表是根據源MAC來學習的。而轉發幀是根據目標MAC地址來查找MAC地址表的轉發端口的。）
②網橋接口收到一個幀時，會先檢查MAC地址中與收到的幀的源MAC有無匹配的項目。
③如果沒有匹配的項目，就在MAC地址表中添加該接口與該幀的源MAC地址的對應關系（用以表示該源MAC位於接口的一側）以及進入接口的時間。同時該幀轉發到網橋所有的其他接口出去（除接收幀的接口）
④如果有匹配項目，則對原來的項目進行更新。因為這種對應關系是臨時的，有一定的時效性，這是為了適應網絡中計算機發生的調整。
⑤完整的地址映射表如，E0接口對應的MAC地址有MA、MB，即E0左側的計算機。E1接口對應的MC、MD、ME、MF，即E1右側的計算機。E2接口對應的MAC地址有MA、MB、MC、MD，即E2左側的計算機。E3接口對應ME、MF，即E3右側的計算機，以此類推。
4.3 交換機（多接口網橋）
（1）網橋的進化：隨著技術不斷發展，網橋接口越來越多，網橋就可以直接連接計算機，網橋也發展成現在的交換機。
（2）交換機組網的特點（與集線器組網相比）
①端口獨享帶寬，每個端口中獨享帶寬。這和集線器的共享帶寬不同。
②更安全，交換機根據MAC地址表只轉發到目標端口，其他端口是收不到的，也就無法用抓包工具抓取數據。
③全雙工通信：交換機和計算機直接連接，每個端口與一臺計算機相連，不需要監聽鏈路是否有沖突，所以不再使用CSMA/CD協議（被直接轉發了，可理解為不需要協議），只有當它與集線器相連時才會工作在半雙工模式。註意集線器只能工作在半雙工模式。
④接口可以工作在不同的速率，因為端口有存儲功能。
⑤會轉發廣播幀：廣播幀的目標MAC地址為48位全1的二進制。註意交換機組成的網絡是一個大的沖突域，這與集線器組網一樣。
（3）實戰：查看交換機的MAC地址表（用路由器來充當交換機，查看命令:show mac-address-table）
4.4 生成樹協議
（1）雙匯聚層網絡架構
①雙匯聚層：當企業的業務對網絡要求比較高，不允許長時間網絡中斷。為了讓網絡更加可靠，可在網絡中部署兩個的匯聚層交換層。如此，即便一個匯聚層交換層壞掉或斷掉一條鏈路，接入層交換機可通過另一個匯聚層訪問網絡。
②有環路，可能形成廣播風暴。
③交換機為了避免廣播風暴，使用生成樹（Spainning tree）協議來阻斷環路，因為樹狀結構是沒有環的。
（2）生成樹協議的算法過程：選擇根網橋、選擇根端口、選擇指定端口。
①選擇根交換機：再全網中選擇一個根交換機。會選擇網橋ID值最小的作為根交換機。其中的ID值由兩部分組成：交換機的優先級和MAC地址（這個MAC地址是全局的，用來管理交換機用的）。如果交換機的優先級相同則比較其MAC地址，地址值越小，就被選為根交換機。（改變交換機的優先級的命令,如Switch(config)#spanning-tree vlan 1 priority 4096）
②選擇根端口：在每個非根交換機上選擇根端口。首先比較根路徑成本，根路徑取決於鏈路的帶寬，帶寬越大，路徑成本越低，則選擇該端口為根端口。其次如果根路徑成本相同，則要比較所在交換機的ID值，值越小，則其優先級越高。最後比較端口ID值，該值分為兩 部分：端口優先級和端口編號，值小的被選為根端口。
③選擇指定端口：在每條鏈路上選擇一個指定端口（註意，根交換機上所有端口都是指定端口）。首先比較根路徑成本，其次比較端口所在交換機的ID值，最後比較端口的ID值。（註意，交換機上的端口有三種類型：根端口、指定端口和阻斷端口。指定端口和根端口都處於轉發狀態。阻斷端口不能轉發數據幀，處於阻斷狀態）
第4章 數據鏈路層（4）_擴展以太網