1、第9章 局域網(wǎng)的擴(kuò)展,光纖調(diào)制解調(diào)器、中繼器、網(wǎng)橋 與交換機(jī),本章學(xué)習(xí)要求,掌握：局域網(wǎng)擴(kuò)展的各種方法 了解：分布生成樹(shù)的算法 應(yīng)用：網(wǎng)橋功能的模擬實(shí)現(xiàn),本章結(jié)構(gòu),距離限制與局域網(wǎng)設(shè)計(jì) 光纖擴(kuò)展 中繼器 網(wǎng)橋 交換與交換機(jī)機(jī),1.距離限制與局域網(wǎng)設(shè)計(jì),局域網(wǎng)的連接距離是設(shè)計(jì)局域網(wǎng)時(shí)考慮的一個(gè)基本方面。 影響局域網(wǎng)連接距離的主要因素是公平訪問(wèn)機(jī)制。 此外，信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)逐漸減弱。,2.光纖擴(kuò)展,光纖擴(kuò)展的特點(diǎn)： 光纖具有高帶寬低時(shí)延的特點(diǎn)，因此可以用來(lái)擴(kuò)展局域網(wǎng)。 光纖擴(kuò)展是在標(biāo)準(zhǔn)的接口硬件上接入另外的硬件，使之能在較長(zhǎng)距離內(nèi)傳送信號(hào)。它既不是增強(qiáng)由接口硬件產(chǎn)生的信號(hào)的強(qiáng)度，也不是在最大連接

2、距離范圍內(nèi)加長(zhǎng)導(dǎo)線。,2.光纖擴(kuò)展,2.光纖擴(kuò)展,光纖調(diào)制解調(diào)器的功能： AUI信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換 數(shù)字信號(hào)與在光纖中傳送的光脈沖之間的轉(zhuǎn)換,2.光纖擴(kuò)展,光纖調(diào)制解調(diào)器的應(yīng)用 在不改變?cè)瓉?lái)的局域網(wǎng)和計(jì)算機(jī)的情況下能連接遠(yuǎn)處的局域網(wǎng)。 由于光纖的延遲短、帶寬寬，因此能在幾公里的范圍內(nèi)正常地工作。一般用它來(lái)把一幢大樓內(nèi)的計(jì)算機(jī)連接到另一幢大樓內(nèi)的局域網(wǎng)中。,3.中繼器,中繼器（repeater）是一個(gè)用來(lái)擴(kuò)展局域網(wǎng)的硬件設(shè)備。它把兩段局域網(wǎng)連接起來(lái)，并把一段局域網(wǎng)上的電信號(hào)增強(qiáng)（放大）后傳輸?shù)搅硪欢紊?。中繼器對(duì)它所連接的局域網(wǎng)是不可見(jiàn)的（透明的）。 中繼器是直接連接到以太網(wǎng)電纜上，并且

3、不等一個(gè)完整的幀發(fā)送過(guò)來(lái)就把信號(hào)從一根電纜發(fā)送到另一根電纜。,3.中繼器,中繼器把兩個(gè)局域網(wǎng)擴(kuò)展為一個(gè)局域網(wǎng)，它的擴(kuò)展能力受到局域網(wǎng)最大傳輸范圍限制。另外，中繼器不僅傳輸幀信息，也傳輸干擾信號(hào)。 通過(guò)增加中繼器增加以太網(wǎng)的連接距離，雖然可以保證有足夠的信號(hào)強(qiáng)度，但每個(gè)中繼器和網(wǎng)段都增加了延遲。如果延遲太長(zhǎng)，這個(gè)方案就不能工作。實(shí)際中，任何一對(duì)工作站之間的中繼器超過(guò)四個(gè)，網(wǎng)絡(luò)便不能正常工作。,3.中繼器,4.網(wǎng)橋,網(wǎng)橋的功能 幀識(shí)別 橋接網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)與穩(wěn)態(tài)特性 橋接網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃 網(wǎng)橋環(huán) 分布生成樹(shù)算法,4.1 網(wǎng)橋的功能,網(wǎng)橋（bridge）也是一個(gè)用來(lái)擴(kuò)展局域網(wǎng)的硬件設(shè)備，通常它由一臺(tái)專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)

4、擔(dān)任。它把兩段局域網(wǎng)連接起來(lái)，并把一段局域網(wǎng)上傳輸過(guò)來(lái)的完全無(wú)誤的幀增強(qiáng)后傳輸?shù)搅硪欢紊?，?duì)錯(cuò)誤幀和干擾信號(hào)則不傳輸。網(wǎng)橋?qū)λB接的局域網(wǎng)是不可見(jiàn)的（透明）。 網(wǎng)橋只在必要而且可行的情況下才轉(zhuǎn)發(fā)幀。必要指的是網(wǎng)橋?qū)倪^(guò)濾作用；可行指的是網(wǎng)橋采用和網(wǎng)上其他計(jì)算機(jī)一樣的信道共享技術(shù)，當(dāng)它獲得介質(zhì)訪問(wèn)控制權(quán)時(shí)才轉(zhuǎn)發(fā)幀。因此網(wǎng)橋連接的局域網(wǎng)可以并行工作。,4.2 幀識(shí)別,網(wǎng)橋最主要的功能是幀識(shí)別在需要時(shí)網(wǎng)橋才轉(zhuǎn)發(fā)幀。 為決定是否轉(zhuǎn)發(fā)幀，網(wǎng)橋使用幀頭中的目的地址。 可適應(yīng)（adaptive）或?qū)W習(xí)（learning）的網(wǎng)橋 簡(jiǎn)單地說(shuō)就是網(wǎng)橋通過(guò)信息頭中的源地址確定發(fā)送幀的計(jì)算機(jī)的位置，通過(guò)目的地址確

5、定接收幀的計(jì)算機(jī)的位置。,4.2 幀識(shí)別,4.3 橋接網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)與穩(wěn)態(tài)特性,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)首次啟動(dòng)時(shí)，網(wǎng)橋不知道計(jì)算機(jī)在網(wǎng)段中的位置，會(huì)無(wú)目的地轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)往該計(jì)算機(jī)的幀。 橋接網(wǎng)絡(luò)的傳送原則：穩(wěn)定狀態(tài)下，網(wǎng)橋只把幀傳送到需要傳送的范圍內(nèi)。,4.4 橋接網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃,內(nèi)容 大樓間橋接 遠(yuǎn)程橋接,4.4.1 規(guī)劃內(nèi)容,傳送原則決定橋接網(wǎng)的設(shè)計(jì)：網(wǎng)橋硬件能允許不同網(wǎng)段內(nèi)的通信同時(shí)進(jìn)行。 在設(shè)計(jì)一個(gè)橋接網(wǎng)的關(guān)鍵是并行原則：當(dāng)網(wǎng)橋知道了所有計(jì)算機(jī)的位置后，各段內(nèi)的通信可同時(shí)進(jìn)行。 通過(guò)把交互頻繁的計(jì)算機(jī)連在同一個(gè)網(wǎng)段上可以提高橋接網(wǎng)的性能。,4.4.2 大樓間橋接,采用中繼器和光纖的缺點(diǎn) 擴(kuò)展一個(gè)橋接網(wǎng)最簡(jiǎn)單的方式是

6、：用一根光纜和一對(duì)調(diào)制解調(diào)器來(lái)連接一個(gè)網(wǎng)橋和一個(gè)局域網(wǎng)網(wǎng)段，該網(wǎng)段允許離網(wǎng)橋較遠(yuǎn)。,4.4.2 大樓間橋接,使用網(wǎng)橋有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 只需要簡(jiǎn)單的光纖連接，所以比對(duì)每臺(tái)計(jì)算機(jī)用光纖連接便宜； 大樓之間的連接是通過(guò)網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)的，所以計(jì)算機(jī)可以動(dòng)網(wǎng)段上加入或移去，而不改變大樓間的連接線路； 網(wǎng)橋可以使各網(wǎng)段內(nèi)的計(jì)算機(jī)同時(shí)通信。,4.4.3 遠(yuǎn)程橋接,跨越較遠(yuǎn)距離的橋接網(wǎng)解決方案： 租用線路來(lái)連接站點(diǎn)； 租用衛(wèi)星頻道,4.4.3 遠(yuǎn)程橋接,4.4.3 遠(yuǎn)程橋接,由于帶寬限制，在兩個(gè)站點(diǎn)內(nèi)都要完成識(shí)別幀的功能。 因?yàn)榫钟蚓W(wǎng)網(wǎng)段傳送幀的速度比衛(wèi)星發(fā)送快得多，所以用于遠(yuǎn)距離的網(wǎng)橋需要有緩沖功能。 為避免網(wǎng)橋的存

7、儲(chǔ)器發(fā)生溢出，大多數(shù)通信軟件在發(fā)送完一幀后處于應(yīng)答模式，網(wǎng)橋允許計(jì)算機(jī)以局域網(wǎng)許可的速度發(fā)送幀。,4.5 網(wǎng)橋環(huán),4.5 網(wǎng)橋環(huán),造成這種情況是由于3方面因素： 橋在主機(jī)沒(méi)有接收到包之前，沒(méi)有主機(jī)所在位置的信息； 一座橋沒(méi)有是否存在其他橋的信息； 我們用圖來(lái)代替樹(shù)。,4.6 分布生成樹(shù),為防止無(wú)限循環(huán)的問(wèn)題，橋接網(wǎng)絡(luò)必須保證以下兩種情況不同時(shí)發(fā)生： 所有網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)所有幀 橋接網(wǎng)包含一個(gè)橋接網(wǎng)段的環(huán) 分布生成樹(shù)（DST）算法：用來(lái)確定用于轉(zhuǎn)發(fā)幀的網(wǎng)橋，并避免形成網(wǎng)橋環(huán)。,樹(shù)、最小生成樹(shù),在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，生成樹(shù)算法是用于在一個(gè)圖中建立一棵樹(shù)。這棵樹(shù)包含了所有的頂點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)）和連接這些頂點(diǎn)的數(shù)目最少的邊（

8、線）。任何一個(gè)頂點(diǎn)都可以作為生成樹(shù)的根。即使在選定一個(gè)特定的根后，基于每個(gè)頂點(diǎn)與根相連接的分支組成的子集可以獲得若干棵生成樹(shù)。然而，在選定根之后，通常我們只對(duì)某一特定的生成樹(shù)感興趣，在這棵樹(shù)中每個(gè)頂點(diǎn)到根有最短的路徑。最短的路徑定義為由一個(gè)特定的頂點(diǎn)到根的權(quán)值的總和。如果圖中沒(méi)有權(quán)值，則每條邊的權(quán)值定義為1。,圖及其最小生成樹(shù),DST算法的初始化,雖然在許多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的書(shū)中給出了由圖產(chǎn)生生成樹(shù)的算法，但是算法是建立在假設(shè)已經(jīng)知道圖的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的。然而，當(dāng)一個(gè)學(xué)習(xí)橋剛建立時(shí)，它并不知道其他橋在什么位置。所以生成樹(shù)一定是動(dòng)態(tài)地構(gòu)成。 給每一座橋賦一個(gè)ID值。這個(gè)ID可以是由網(wǎng)絡(luò)管理者確定的一個(gè)任

9、意數(shù)，或者是一個(gè)端口的地址（通常是最小的）。 每個(gè)端口被賦予一個(gè)耗費(fèi)值。通常這一耗費(fèi)值由該端口所支持的比特率來(lái)確定。比特率越高，耗費(fèi)就越低。如果比特率是不相關(guān)的，則每個(gè)端口的路徑費(fèi)用被置為1（跳數(shù)）。,DST算法步驟,在橋中選一座橋作為樹(shù)的根。這一步通過(guò)對(duì)每座橋賦一個(gè)ID并將ID值最小的橋作為根來(lái)實(shí)現(xiàn)。 對(duì)每座橋確定它的根端口，并且這一端口到根有最低的根路徑耗費(fèi)。根路徑耗費(fèi)由端口到根的路徑的累計(jì)費(fèi)用。 對(duì)每一段選擇一指定橋。,橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元（BPDU）,所有的橋都定期交換一個(gè)稱(chēng)為橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元（BPDU）的特定幀。每個(gè)BPDU包含源的橋ID、累計(jì)的根路徑耗費(fèi)和一些其他的信息。當(dāng)一座橋初始化BP

10、DU后，累計(jì)的根路徑耗費(fèi)為零。,第一步：尋找根橋,當(dāng)一座橋接收到一個(gè)BPDU后，它就將該BPDU所來(lái)自的橋的ID與自己的ID比較。 如果它自己的ID大于源的橋的ID，就通過(guò)接收端口的耗費(fèi)來(lái)增加根路徑耗費(fèi)并轉(zhuǎn)發(fā)幀。在知道它不會(huì)被選作根橋時(shí)（存在另一座橋，有比它低的ID），它就停止發(fā)送自己的BPDU。 如果它自己的ID小于源橋的ID，橋就將這個(gè)BPDU丟棄。 顯然此后唯一產(chǎn)生的BPDU是具有最小的源橋ID的那一個(gè)，即根橋。采用這一方法，每座橋知道哪一座橋是根橋。,第二步：尋找根端口,在產(chǎn)生根橋后，查看橋端口中接收的BPUDU，具有最少累計(jì)根耗費(fèi)的端口即為根端口。注意根橋沒(méi)有根端點(diǎn)。,實(shí)例,第三步：

11、選擇指定橋,在每座橋的根端口被確定之后，連接到同一段的所有橋彼此發(fā)送BPDU。將能把一幀以最低的根耗費(fèi)從段發(fā)送到根的橋稱(chēng)為指定橋，并將連接這座橋到段的特定的端口稱(chēng)為指定端口。注意根端口不能作為指定端口。雖然一座橋有唯一的根端口（根橋除外，沒(méi)有根端口），但可以有兩個(gè)以上的指定端口。,第四步：構(gòu)造生成樹(shù),在確定了根橋、每座橋的根端口和指定端口之后，橋的端口被劃分為分開(kāi)的兩組。轉(zhuǎn)發(fā)端口是根端口和所有的指定端口。其余的端口被稱(chēng)為阻塞端口。當(dāng)一座橋接收了一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，它就通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)端口轉(zhuǎn)發(fā)它，而不會(huì)通過(guò)阻塞端口轉(zhuǎn)發(fā)它。,實(shí)例,5. 交換與交換機(jī),交換機(jī)的工作原理 交換機(jī)與集線器的結(jié)合,5.1 交換機(jī)的工作原理,一般而言，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包括能連接一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)的電子設(shè)備，并允許它們能收發(fā)數(shù)據(jù)，這種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)稱(chēng)為可交換技術(shù)。一個(gè)交換局域網(wǎng)包括一個(gè)簡(jiǎn)單的電子設(shè)備，