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局域网 第三层交换
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第3章 传统网络设计
3.1 局域网技术卷土重来
在8 0 年代早期,网桥技术被用于连接局域网段以及局域网的地理延伸。 8 0 年代末,出现
了路由器,用于局域网段的互连和作为连接至广域网的接口。过去的 1 0年中,关于使用网桥
和路由技术来设计网络的长处和不足已经有太多的论述。本章将对这些长处和不足作简要的
总结,并讨论9 0 年代两项重要的局域网互连新技术,同时详细解释第二层交换技术。
关于网桥和路由技术的讨论不仅仅是回顾网络技术发展的历史,同时还是为了明确网桥
和路由技术中影响局域网设计的一些重要方面。这样做是很重要的,因为网桥和路由技术在
9 0 年代就已经再生,或者仅仅改了个名字。第二层交换就是直接从网桥技术发展而来的,也
即交换技术是从网桥技术中派生出来的。相类似地,第三层交换不过是一个快速的、廉价的
路由器。因此,利用网桥和路由器技术设计局域网时的许多概念和问题,对于用第二层交换
和第三层交换技术来设计局域网是完全适用的。
3.2 共享以太网络
在8 0 年代早期,许多网络专业人员都部署图 3 - 1 所示类型的以太局域网。最初以太局域网
的目的通常是为了让一个小组的用户共享一台打印机。这些早期的局域网所使用的物理介质
多为在工作区域内绕来绕去的同轴电缆。由于同轴电缆在办公大楼内不是很普遍,所以那个
时期部署局域网通常需要进行定制的、昂贵的同轴电缆安装。局域网设计发展很快,无屏蔽
双绞线(U T P )迅速取代了同轴电缆,成为一种常用的物理介质。如图 3 - 2所示,现在大多数
局域网都采用双绞线连接至集线器的方式。
图3-1 典型的早期以太网
图3 - 1和图3 - 2 所示的两种以太网的一个重要特征是局域网中的所有终端共享网络容量。每
台单独的终端使用共享容量的能力由载波侦听多址访问 /冲突检测(C S M A / C D )协议来控制。
根据C S M A / C D协议的工作方式,局域网中的时延随着网络应用的增加而急剧上升。部署第二
以太网
终端 终端 终端
打印机
层交换技术的一个主要原因就是降低甚至消除这种随着网络负载的增加时延加大的现象。
图3-2 典型的基于集线器的以太网
结论:如没有第二层交换和第三层交换技术,共享的介质网络将是下个世纪最常见
的网络形式。
与I P网络紧密联系在一起的一个概念是广播风暴。广播风暴通常由协议执行中的缺陷或者
协议规程中的不明确而引发,它持续的时间从几秒钟到无限长。发生广播风暴时,网络中会因
数据报文而拥塞。这除了降低共享以太网的性能以外,还会消耗大量的支持资源,使应用处理
质量变差。支持资源的消耗是为了发现和解决问题;应用处理质量变差是因为计算机在接收到
网络数据报文时必须用一些周期去处理这些无意义的业务流,从而影响了正常的应用处理。在
极端情况下,由于需要处理数量巨大的广播报文,以至于计算机无法进行应用处理。
在8 0 年代,网络专业人员还使用网桥这种简单便宜的方法来连接分离的局域网。两端口
的网桥桥接的一个简单局域网如图 3 - 3 所示。虽然某些网桥提供一些高级功能如报文过滤,但
网桥的基本目标还是非常简单的。在图 3 - 3 中,网桥侦听局域网段 A中的所有数据帧,如果数
据帧的目的地址位于网段 B,则网桥将该帧转发至网段 B,否则该帧继续留在网段 A内。对于
网段B的数据帧,网桥执行相同的功能。
用网桥桥接的网络常被称为平面网络,平面网络的意思是所有用户在同一个广播域内。
由于这一点,桥接的网络与图 3 - 1 和图3 - 2所示的网络有一些共同之处,这三类网络都难以防御
广播风暴。
结论:广播风暴消耗了宝贵的资源,即网络、计算机和人力资源。
建立基于网桥的大型网络时在设计方面的一个问题是消除循环。如果网络中有循环,可
能会出现数据沿着同一路径在网络中永不停止地传播,而无法到达目的地的现象。防止循环
出现的一个标准办法是采用生成树算法。生成树算法的一个目的是让网桥动态地找到没有循
环的拓扑结构,这在数学上被称为树;它的另一个目的是确保只要存在物理连接,就存在逻
辑连接。也就是说,局域网中的每一对源和目的节点之间都存在路径。这样的树在数学上称
为生成树。注意,根据生成树算法,如果网桥之间存在多条链接,每次只能有一条是激活的,
第3章 传统网络设计计计23
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集线器
服务器微机微机
工作站
其他链接起着热备份的作用。
图3-3 两端口网桥桥接的局域网
结论:在建立大型网络时,桥接技术有两个局限:一是网桥一般不能控制网络广播
风暴,二是网桥之间提供多条激活链接的技术不符合目前的标准。
3.3 结构化路由网络
3.3.1 路由功能
在第三层交换技术出现之前,几乎没有必要将路由功能器件与路由器区别开来,它们完
全是相同的:提供路由功能正是路由器的工作。然而,现在第三层交换机能够执行传统路由
器的大多数(即便不是全部)功能,因而精确定义路由功能的主要组成部分就变得很重要了。
我们相信,在可预见的将来网络中会需要有路由功能;而且我们也相信,在网络中,越来越
多的路由功能将由第三层交换机来完成,而非传统的路由器。
结论:在可预见的将来,路由功能将成为网络需求,但这并不等于一定需要传统意
义上的路由器。
表3 - 1对两类路由功能,核心路由功能和第三层特别服务,进行了区别。核心路由功能主
要包括数据报文转发和路由处理两方面。数据报文转发是路由器和第三层交换机最基本的功
能,用来在子网间传送数据报文。路由处理子功能包括创建和维护路由表,完成这一功能需
要利用路由协议如 R I P或O S P F 来发现和建立网络拓扑结构视图。路由处理一旦完成,将数据
报文发送至目的地就是报文转发子功能的任务了。报文转发子功能的工作包括修改存活时间
(T T L)参数,媒体访问控制(M A C)地址解析和计算I P报文校验和。
第三层特别服务是指一系列的具有附加值的功能,传统的路由器生产厂家将这些功能放
置在他们的路由器产品中。此类功能中常见的有:
24计计第三层交换
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网段A
网段B
节点1 节点2 节点20
网桥
节点50节点22节点21
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