计算机网络：数据链路层设备网桥与交换机

文章目录

网桥的基本概念
局域网交换机
- 交换机的原理和特点
- 交换机的自学习功能

网桥的基本概念

两个或多个以太网通过网桥连接后，就成为一个覆盖范围更大的以太网，而原来的每个以太网就称为一个网段。网桥工作在链路层的MAC子层，可以使以太网各网段成为隔离开的碰撞域( 又称冲突域 )。如果把网桥换成工作在物理层的转发器，那么就没有这种过滤通信量的功能。由于各网段相对独立，因此一个网段的故障不会影响到另一个网段的运行。网桥必须具有路径选择的功能，接收到帧后，要决定正确的路径，将该帧转送到相应的目的局域网站点。

网络1和网络2通过网桥连接后，网桥接收网络1发送的数据帧，检查数据帧中的地址，如果是网络2的地址，那么就转发给网络2:如果是网络1的地址，那么就将其丢弃，因为源站和目的站处在同一个网段，目的站能够直接收到这个帧而不需要借助网桥转发。

局域网交换机

交换机的原理和特点

局域网交换机，又称以太网交换机，从本质上说，以太网交换机是一个多端口的网桥，它工作在数据链路层。交换机能经济地将网络分成小的冲突域，为每个工作站提供更高的带宽。以太网交换机的原理是，它检测从以太端口来的数据帧的源和目的地的MAC（介质访问层）地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据帧的源MAC地址不在查找表中，则将该地址加入查找表，并将数据帧发送给相应的目的端口。

以太网交换机对工作站是透明的，因此管理开销低廉，简化了网络结点的增加、移动和网络变化的操作。利用以太网交换机还可以方便地实现虚拟局域网VLAN，VLAN不仅可以隔离冲突域，而且可以隔离广播域。

对于传统10Mb/s 的共享式以太网，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10Mb/s)的1/N。在使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的带宽还是10Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此拥有N个端口的交换机的总容量为N×10Mb/s。这正是交换机的最大优点。

以太网交换机的特点：

以太网交换机的每个端口都直接与单台主机相连（比较：网桥的端口往往连接到一个网段)，并且一般都工作在全双工方式。
以太网交换机能同时连通多对端口，使每对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，无碰撞地传输数据。
以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧的转发表是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
以太网交换机由于使用专用的交换结构芯片，交换速率较高。
以太网交换机独占传输媒体的带宽。

以太网交换机主要采用两种交换模式:

直通式交换机，只检查帧的目的地址，这使得帧在接收后几乎能马上被传出去。这种方式速度快，但缺乏智能性和安全性，也无法支持具有不同速率的端口的交换。
存储转发式交换机，先将接收到的帧缓存到高速缓存器中，并检查数据是否正确，确认无误后通过查找表转换成输出端口将该帧发送出去。如果发现帧有错，那么就将其丢弃。优点是可靠性高，并能支持不同速率端口间的转换，缺点是延迟较大。

以太网交换机一般都具有多种速率的端口，例如可以具有10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s的端口的各种组合，因此大大方便了各种不同情况的用户。

交换机的自学习功能

决定一个帧是应该转发到某个接口还是应该将其丢弃称为过滤。

决定一个帧应该被移动到哪个接口称为转发。

交换机的过滤和转发借助于交换表（switch table）完成。交换表中的一个表项至少包含:

一个MAC地址
连通该MAC地址的交换机接口

A先向B发送一帧，从接口1进入交换机。交换机收到帧后，查找交换表，找不到MAC地址为B的表项。然后，交换机将该帧的源地址A和接口1写入交换表，并向除接口1外的所有接口广播这个帧（该帧就是从接口1进入的，因此不应该将它再从接口1转发出去)。C和D丢弃该帧，因为目的地址不对。只有B才收下这个目的地址正确的帧。交换表中写入( A,1）后，以后从任何接口收到目的地址为A的帧，都应该从接口1转发出去。这是因为，既然A发出的帧从接口1进入交换机，那么从接口1转发出去的帧也应能到达A。

接下来，假定B通过接口3向A发送一帧，交换机查找交换表后，发现有表项(A，1)，将该帧从接口1转发给A。显然，此时已经没有必要再广播收到的帧。将该帧的源地址B和接口3写入交换表，表明以后如有发送给B的帧，应该从接口3转发出去。

经过一段时间，只要主机C和D也向其他主机发送帧，交换机就会把C和D及对应的接口号写入交换表。这样，转发给任何主机的帧，都能很快地在交换表中找到相应的转发接口。

考虑到交换机所连的主机会随时变化，这就需要更新交换表中的表项。为此，交换表中的每个表项都设有一定的有效时间，过期的表项会自动删除。这就保证了交换表中的数据符合当前网络的实际状况。这种自学习方法使得交换机能够即插即用，而不必人工进行配置。

参考资料：

谢希仁．计算机网络（第8版）[M]．北京：电子工业出版社，2021.

James F.Kurose，Keith W.Ross.计算机网络:自顶向下方法[M]．北京：机械工业出版社，2019.

2023年王道计算机复习指导[M]．北京：电子工业出版社，2021.