【計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)筆記12】交換技術(shù)（上）

經(jīng)典局域網(wǎng)的交換技術(shù)

概念

以太網(wǎng)是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

CSMA/CD協(xié)議

CSMA/CD協(xié)議是為了解決多個(gè)站點(diǎn)共享總線的問題而存在的，其工作主要內(nèi)容包括：

1. 多址接入

多址接入是指多個(gè)站點(diǎn)共享一根總線的傳輸資源，這種方式又稱為多點(diǎn)訪問。

2. 載波監(jiān)聽

載波監(jiān)聽是指站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前先檢測信道的狀態(tài)，是否有其他站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)信道處于忙碌狀態(tài)時(shí)無法處理其他站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則暫時(shí)不要發(fā)送數(shù)據(jù)，等待信道變?yōu)榭臻e時(shí)再發(fā)送。其實(shí)信到上并沒有載波，此處是指監(jiān)聽信道上是否有其他站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的信號電壓。

3. 碰撞檢測

碰撞檢測是指“邊發(fā)送邊監(jiān)聽”，即適配器邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓的變化情況，以判斷自己再發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)其他站點(diǎn)是否也在發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線上的信號電壓變化幅度將會增大（互相疊加）。當(dāng)適配器（網(wǎng)卡）檢測到的信號電壓變化幅度超過一定的門限值時(shí)，就認(rèn)為總線上至少有兩個(gè)站點(diǎn)同時(shí)在發(fā)送數(shù)據(jù)，即信號發(fā)生了碰撞（或沖突），又稱為”沖突檢測”。發(fā)生碰撞時(shí)，總線上傳輸?shù)男盘柊l(fā)生了嚴(yán)重的失真，無法從中會恢復(fù)出有用的信息來。因此，每一個(gè)正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)，一旦發(fā)現(xiàn)總線上出現(xiàn)了碰撞，適配器都要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段隨機(jī)時(shí)間后再次發(fā)送。

4. 延遲重發(fā)

延遲重發(fā)是指每一個(gè)正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)，一旦發(fā)現(xiàn)總線上出現(xiàn)了碰撞，適配都要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段時(shí)間后再次發(fā)送。
二進(jìn)制指數(shù)退避技術(shù)
發(fā)生碰撞的站點(diǎn)不能在等待信道變成空閑后馬上再發(fā)送數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@樣會導(dǎo)致再次碰撞。以太網(wǎng)采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法（Binary Exponential Backoff）來解決碰撞后何時(shí)進(jìn)行重傳的問題。這種算法讓發(fā)生碰撞的站點(diǎn)在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，推遲（即退避）一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間再監(jiān)聽信道進(jìn)行重傳。如果重傳又發(fā)生了碰撞，則將隨機(jī)選擇的退避時(shí)間范圍擴(kuò)大一倍。這樣做可以使得重傳時(shí)再次發(fā)生沖突的概率減小。
因?yàn)檎军c(diǎn)確認(rèn)數(shù)據(jù)沒有沖突的時(shí)間是2τ，即一個(gè)爭用期，所以退避的時(shí)間范圍以爭用期為單位計(jì)算。第i次的碰撞后退避的時(shí)間范圍為2^𝑖個(gè)爭用期里進(jìn)行隨機(jī)選取：
第一次沖突后，在{0,1}兩個(gè)爭用期里隨機(jī)選擇一個(gè)嘗試重傳；
第二次沖突后，在{0,1,2,3}這4個(gè)爭用期里隨機(jī)選擇一個(gè)嘗試重傳；
第三次沖突后，在{0,1,2,3,4,5,6,7}共8個(gè)爭用期里隨機(jī)；
……
當(dāng)沖突次數(shù)達(dá)到10次后，因?yàn)殡S機(jī)的時(shí)間范圍有1024個(gè)爭用期，再增大隨機(jī)事件范圍會導(dǎo)致平均延時(shí)太大，所以不再增大隨機(jī)時(shí)間范圍；
當(dāng)沖突次數(shù)達(dá)到16次時(shí)，以太網(wǎng)認(rèn)為此時(shí)打算發(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)太多，以致連續(xù)發(fā)送沖突，此時(shí)丟棄該幀，并向高層報(bào)告，由高層處理。
為了保證所有站點(diǎn)在發(fā)送完一個(gè)幀之前能夠檢測出是否發(fā)生了碰撞，幀的發(fā)送時(shí)延不能小于2τ，即一個(gè)爭用期，以太網(wǎng)規(guī)定最短有效幀長為64字節(jié)。

擴(kuò)展局域網(wǎng)

使用場景

連接不同部門網(wǎng)絡(luò)

連接不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)

主機(jī)太多的網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行隔離

在物理層擴(kuò)展以太網(wǎng)

使用多個(gè)集線器，可以連接成為覆蓋更大范圍包含更多站點(diǎn)的多級星狀結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)。
例如，將圖（a）中的三個(gè)以太網(wǎng)通過一個(gè)主干集線器把各部的以太網(wǎng)連接起來，成為一個(gè)大的以太網(wǎng)如圖（b）。

這里需要注意的是，在物理層擴(kuò)展的以太網(wǎng)仍然是一個(gè)碰撞域，不能連接過多的站點(diǎn)，否則會導(dǎo)致大量的沖突。在物理層擴(kuò)展以太網(wǎng)相當(dāng)于延長了共享的傳輸媒體，由于以太網(wǎng)有爭用期對時(shí)延的限制，并不能無限擴(kuò)大地理覆蓋范圍。

在數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展以太網(wǎng)

網(wǎng)橋

網(wǎng)橋可以在數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展以太網(wǎng)。網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式，它根據(jù)MAC幀的目的地址對收到的幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和過濾。當(dāng)網(wǎng)橋收到一個(gè)幀時(shí)，并不是向所有接口轉(zhuǎn)發(fā)此幀，而是先檢查此幀的目的MAC地址，然后再確定將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個(gè)接口，或者是把它丟棄（即過濾）。可見，網(wǎng)橋就是一種數(shù)據(jù)鏈路層的分組交換機(jī)。

1、 網(wǎng)橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖c所示為一個(gè)網(wǎng)橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。最簡單的網(wǎng)橋只有兩個(gè)接口（常稱為端口，但與傳輸層的端口是兩個(gè)不同的概念），可以連接2個(gè)LAN。復(fù)雜些的網(wǎng)橋可以由多個(gè)接口，可以連接多個(gè)LAN。多個(gè)LAN通過網(wǎng)橋連接起來，擴(kuò)展為覆蓋更廣的LAN，而原來的每個(gè)LAN就可以稱為一個(gè)網(wǎng)段。

網(wǎng)橋根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。正常情況下，網(wǎng)橋接收到數(shù)據(jù)幀，解析數(shù)據(jù)幀的頭部可以獲得目的主機(jī)的MAC地址；接著去查找網(wǎng)橋內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)表，當(dāng)找到匹配項(xiàng)時(shí)，即可知道轉(zhuǎn)發(fā)端口；最后將數(shù)據(jù)幀從該端口發(fā)送出去，數(shù)據(jù)即可到達(dá)接收主機(jī)。

總的來說交換機(jī)對數(shù)據(jù)幀有兩種操作。

轉(zhuǎn)發(fā)：當(dāng)目的主機(jī)MAC地址與轉(zhuǎn)發(fā)表中某項(xiàng)匹配時(shí)
? 若轉(zhuǎn)發(fā)端口與接收端口一致，則丟棄；
? 若轉(zhuǎn)發(fā)端口與接收端口不一致，則按照轉(zhuǎn)發(fā)端口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀；

泛洪：廣播幀（或轉(zhuǎn)發(fā)表中無匹配項(xiàng)）在除了接收端口以外所有端口轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀。

2、 透明網(wǎng)橋

要實(shí)現(xiàn)透明網(wǎng)橋，需要兩種算法：一種是后向?qū)W習(xí)算法（Backward Learning），讓網(wǎng)橋自動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)發(fā)表；另一種是生成樹（Spaning Tree）算法，解決網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路問題，將會在下一節(jié)進(jìn)行討論。

后向?qū)W習(xí)算法（Backward Learning）

轉(zhuǎn)發(fā)信息可以從接收到的數(shù)據(jù)幀中學(xué)習(xí)到。因?yàn)樵跀?shù)據(jù)幀的MAC地址字段，不僅僅有目的主機(jī)MAC地址，還有源主機(jī)MAC地址。所以當(dāng)網(wǎng)橋從某個(gè)X端口收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，從幀頭部解析出來源主機(jī)MAC地址，就可以學(xué)習(xí)到一項(xiàng)轉(zhuǎn)發(fā)信息：從這個(gè)接收端口X可以到達(dá)該源主機(jī)！即可把這項(xiàng)信息填寫到網(wǎng)橋的轉(zhuǎn)發(fā)表中，這種方法稱為后向?qū)W習(xí)算法。

所以根據(jù)后向?qū)W習(xí)算法，網(wǎng)橋在端口X接收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，解析源主機(jī)MAC地址，對照轉(zhuǎn)發(fā)表，如果轉(zhuǎn)發(fā)表中沒有該目的主機(jī)MAC地址，則將該源主機(jī)地址作為目的主機(jī)地址，接收端口X作為轉(zhuǎn)發(fā)端口，填寫進(jìn)轉(zhuǎn)發(fā)表中；如果轉(zhuǎn)發(fā)表中有對應(yīng)的目的主機(jī)MAC地址，用新的目的地MAC地址和接收端口替代原來的項(xiàng)。

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作者： 梁漢榮
排版： 胖虎
初審： 正山小種
復(fù)審： 二月二

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【计算机网络学习笔记12】交换技术（上）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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