扩展的以太网在线视频

以太网作为重要的局域网技术

目前已经得到了广泛的普及

由于传统以太网的传输距离是有限的

在很多的场景下 为了覆盖更大的范围

需要对以太网进行扩展

今天这一次课

我们就来认识以太网的扩展技术

目前以太网的扩展主要有三种方法

一是在物理层进行扩展

二是在数据链路层进行扩展

三是在逻辑层进行扩展

也就是虚拟局域网技术

首先我们来了解基于物理层的以太网扩展技术

在以太网发展初期

主机之间的距离是有限的

例如

10BASE-T以太网的数据传输距离不能超过200m

随着集线器的出现

人们开始将主机和集线器进行连接

进行网络的扩展

例如 一种简单的方法就是

首先将单个网络的传输距离

利用光纤和光纤调制解调器进行扩展

再利用集线器将网络进行扩展

如图所示 由于光纤带来的时延很小

并且带宽很宽

使用这种方法能够很容易地

使主机和几千米以外的集线器进行相连

为了使多个以太网能够互连

可以利用多个集线器的相互连接

构成覆盖范围更大的以太网

如图所示

假设三家公司各自拥有一个独立的以太网

为了让三家公司相互通信

可以利用一个主干集线器

把三家公司的以太网利用集线器进行连接

从而构造出一个覆盖范围更大的以太网

用多个集线器建成的多级以太网

能够有效扩大网络的覆盖范围

但也构成了更大的碰撞域

那么什么是碰撞域呢

如图所示

由于以太网采用了共享介质传输特性

在同一个以太网局域网中

同时只允许一台主机接入网络

因此三家公司分别构成一个碰撞域

但是利用主干集线器

扩大了原来以太网的范围之后

则构成了一个更大的碰撞域

综上 使用多级结构集线器的以太网优势在于

一是使原来属于不同以太网上的主机

能够进行跨网络的通信

二是扩大了网络覆盖的地理范围

但是局限在于 一是碰撞域增大了

但总的吞吐量并没有提高

因为在任一时刻

每一个碰撞域中只能有一个主机发送数据

之前已经说明

当用主干集线器将三家公司互联之后

就构成了一个更大的碰撞域

意味着三家公司的任意两台主机

在通信时所发送的数据分组

都会通过所有的集线器进行转发

这样就使其他主机此时不能进行通信

一旦发送数据就会发送冲突

三家公司的所有用户都在共享带宽

集线器不允许多个接口同时工作

因此不可能增加以太网的总的吞吐量

例如 假设每家公司以太网的吞吐量为10Mb/s

通过主干集线器互连构成的

扩展以太网吞吐量仍为10Mb/s

二是如果每家公司使用不同的以太网技术

如数据率不同

那么就不能用集线器将它们互连在一起

例如 如果三家公司使用的适配器

分别是10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s

用集线器连接起来后

整个网络的带宽仍只能是10Mb/s

因为集线器基本上是一个物理层转发器

并没有设置缓存和数据帧的过滤功能

无法实现存储转发

第二种是在数据链路层上扩展以太网

这种方法是目前扩展以太网中最常用的方法

最初使用的扩展设备叫做网桥

它能够根据目的地址

对收到的数据帧进行存储和转发

因此具有帧的过滤功能

即当网桥收到一个帧时

并不是向所有接口转发此帧

而是先检查该帧的目的地址

再确定该将该帧转发到哪一个接口

之后又出现了交换式集线器用以取代网桥

交换式集线器又被称为

以太网交换机或第二层交换机

随后又升级到了第三层交换机

利用以太网交换机扩展以太网 如图所示

和利用集线器扩展以太网相比

虽然只是将集线器换成了交换机

但交换机的性能要优于普通的集线器

价格也适宜

这使得集线器很快就退出了市场

下面介绍以太网交换机的特点

通常有几个到几十个接口

工作在数据链路层

每一个接口都直接与主机相连

一般采用全双工通信的方式

能同时连接多对接口

使每一对相互通信的主机

都能像独占通信媒体那样

进行无碰撞地传输数据

接口配置有存储器

能对收到的数据帧进行缓存

是一种即插即用的设备

其内部的帧交换表又称地址表

是通过自学习算法自动建立起来

采用专用的交叉矩阵或交换结构芯片

数据帧交换速度较快

以太网交换机具有并行性

当主机需要通信时

交换机能同时连接多对接口

使多对主机能同时进行通信

每对相互通信的主机都能独占传输媒体

进行无冲突的数据传输

通信完成时则断开连接

如图 对于普通的 10 Mb/s 的共享式以太网

若连接有 N 个用户

则每个用户占有的平均带宽

只有总带宽的 N 分之一

而当使用以太网交换机时

虽然在每个接口到主机的带宽还是只有 10 Mb/s

但由于一个用户在通信时是独占

而不是和其他用户共享传输媒体的带宽

因此对于拥有 N 个接口的交换机

总的容量为 N×10 Mb/s

这就是以太网交换机的主要优点

利用以太网交换机构造虚拟局域网VLAN（Virtual LAN）

VLAN 是一组逻辑上的设备和用户

它们不受物理位置的限制

可以根据需要将其组织在一起

它们之间的通信就如同在同一个网段中一样

这些网段具有某些共同的需求

每一个 VLAN 数据帧都有一个明确的标识符

指明发送这个帧的主机属于哪一个 VLAN

请注意

VLAN实际上只是局域网给用户提供的一种服务

而并不是一种新型的局域网

下面还是以三家公司为例

介绍VLAN的组建

如图所示

三家公司已经利用以太网交换机实现了互联互通

每家公司标识为X的主机代表技术开发部

Y主机代表市场部

Z主机代表人力资源部

由于公司间特定业务的交流和沟通需要

各公司相同业务部门的用户需要独立通信

且不受其余部门和地理位置的影响

就如同处在同一个网段中

因此根据需求

对以太网交换机进行配置

划分出三个VLAN

分别是

技术开发部VLAN

包括主机X1、X2和X3、X4

市场部VLAN 包括主机Y1、Y2、Y3

和人力资源部VLAN

包括主机Z1、Z2和Z3

VLAN中的每一个主机都可以

收到本VLAN上的其他主机发出的广播帧

例如

主机Y1、Y2、Y3同属于市场部的VLAN

当Y1向VLAN其余成员发送数据时

主机Y2和Y3将会收到广播信息

虽然它们物理上分别处于不同局域网

同时 当Y1向本VLAN内成员发送数据时

主机X1和Z1都不会收到Y1发出的信息

虽然它们与Y1 共同连接在同一个以太网交换机上

在物理上属于同一个局域网

从以上例子可以看出

以太网交换机不会向VLAN以外的主机

发送VLAN内成员的广播信息

这样

就很好的限制了接收广播信息的主机的数量

使网络不会因传播过多的广播信息

而引起性能的恶化

为了满足以上通信的需求

需要对基于VLAN的以太网数据帧格式进行修改

目前的做法是在帧中插入一个 4 个字节的标识符

称为 VLAN 标记(tag)

用来指明发送该帧的主机属于哪一个VLAN

标记字段的长度是4字节

插入在以太网MAC帧的源地址字段

和类型字段之间

前两个字节设置为0x8100

称为IEEE 802. 1Q标记类型

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0x8100时

就知道现在插入了一个VLAN的tag标记

于是就接着检查后面两个字节的内容

在后面的两个字节中

前3位是用户优先级字段

接着的一位是

规范格式指示符CFI (Canonical Format Indicator)

最后12位是该VLAN的标识符VID (VLAN ID)

它唯一地标记了这个以太网帧属于哪一个VLAN

通过VLAN标记字段

就能够很好的区分VLAN内通信和局域网内的通信