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集線器與網橋的理解

來源:程序員人生   發布時間:2015-03-18 09:43:01 閱讀次數:3911次

本文內容整理自網絡。包括的概念有:集線器(hub), 網橋。

-----HUB


集線器(HUB)屬于數據通訊系統中的基礎裝備,它和雙絞線等傳輸介質1樣,是1種不需任何軟件支持或只需很少管理軟件管理的硬件裝備。它被廣泛利用到各種場合。集線器工作在局域網(LAN)環境利用于OSI參考模型第1層,因此又被稱為物理層裝備。集線器內部采取了電器互聯,當保護LAN的環境是邏輯總線或環型結構時,完全可以用集線器建立1個物理上的星型或樹型網絡結構。在這方面,集線器所起的作用相當于多端口的中繼器。其實,集線器實際上就是中繼器的1種,其區分僅在于集線器能夠提供更多的端口服務,所以集線器又叫多口中繼器。HUB依照對輸入信號的處理方式上,可以分為無源HUB、有源HUB、智能HUB。

工作進程:集線器的工作進程是非常簡單的,它可以這樣的簡單描寫:首先是節點發信號到線路,集線器接收該信號,因信號在電纜傳輸中有衰減,集線器接收信號后將衰減的信號整形放大,最后集線器將放大的信號廣播轉發給其他所有端口。

分類:
  • 無源HUB是最低級的1種,不對信號做任何的處理,對介質的傳輸距離沒有擴大,并且對信號有1定的影響。連接在這類HUB上的每臺計算機,都能收到來自同1HUB上所有其它電腦發出的信號;
  • 有源HUB與無源HUB的區分就在于它能對信號放大或再生,這樣它就延長了兩臺主機間的有效傳輸距離;
  • 智能HUB除具有有源HUB所有的功能外,還有網絡管理及路由功能。在智能HUB網絡中,不是每臺機器都能收到信號,只有與信號目的地址相同地址端口計算機才能收到。有些智能HUB可自行選擇最好路徑,這就對網絡有很好的管理。(hzhsan: 個人感覺這里的智能hub就有點超越集線器的范疇了。

----- 網橋

1. 理解“網橋”的含義

也有人把“網橋”比喻成1個聰明的中繼器(Repeater)。由于中繼器只是對所接收的信號進行放大,然后直接發送到另外一個端口連接的電纜上,主要用于擴大網絡的物理連接范圍;網橋除可以擴大網絡的物理連接范圍外,還可以對MAC 地址進行分區,隔離不同物理網段之間的碰撞(也就是隔離“沖突域”)。集線器和中繼器都是物理層裝備,而網橋屬于2層裝備

我們常常聽到這樣的說法,那就是“網橋”是1種可連接不同網段的2層網絡裝備(2層交換機也1樣),1個端口可以連接1個網段。所以很多人總在疑惑,網橋怎樣能連接不同網段呢?其實這是由于大家對這里所說的“網段”其實不理解。其實這里“網段”更準確地講應當是叫“物理網段”,是指IP 地址屬于同1網絡地址段(也就是IP 地址中的網絡ID1樣),位于不同地理位置的不同LAN 分段,是基于物理意義上的地理區域進行劃分的。我們常說的網段是指IP 地址屬于不同網絡地址段的網絡或子網,是1個3層概念,其實這應當叫做邏輯網段,是基于邏輯意義上的網絡地址進行劃分的。(hzhsan:就是說這里的網段是物理網段,其實不是我們平時說的IP網段,不關心3層上的概念

不管是網橋,還是2層交換機,雖然每一個端口可以連接1個網段,但是它們所連接的主機都在同1網絡,或同1子網中。如連接的主機位于不同辦公室或不同辦公樓中,則可采取同1網絡地址的兩個或多個小LAN,以組成1個可以統1管理的大LAN。但要注意的是,由于網橋只有兩個端口所以所連接的兩個物理網段的主機通常就是由當時的集線器進行集中連接的(網橋端口通常不是直接連接主機的)。軟件中通常所說的橋接(如VMware中的橋接工作模式)也就是網橋的作用,它連接的也是同1網絡或子網中的兩個網段。

hzhsan疑問:網橋都是只有兩個端口嗎?應當可以有多個端口吧?

hzhsan解答:基本網橋只有兩個端口,還有1種網橋叫做多口網橋,多口網橋有多個端口。

 
圖5⑶4 網橋連接的兩個物理網段

2. 網橋工作原理解析

前面說到了網橋具有兩種主要特性:1是可基于物理網段的MAC 地址進行學習,2是可以隔離沖突域。下面通過1個示例來進行解析。

假定圖5⑶4 中所示的物理網段1 和物理網段2 中的主機都是通過集線器集中連接的,則這樣這兩個物理網段各自構成1個沖突域,由于集線器是采取同享介質傳輸的,而網橋的背板信道不是同享的(每一個端口的數據收發都有1條單獨的信道),所以1個集線器就是1個沖突域。網橋的數據轉發原理如圖5⑶5 所示。下面是具體的解析

說明 MAC 地址表也就是通常所說的CAM(Content Addressable Memory,內容可尋址存儲器)表,保存的是對應MAC 地址主機與所連接的交換機端口的映照這個映照表項可以由管理員手動綁定創建,也能夠由交換機自動學習得到。在交換機上可以通過1些命令(如Cisco 交換機是使用show mac-address-table 命令)查看。下面是1個在交換機上查看MAC 地址和端口映照表的示例,其中列出了交換機中為CPU 分配的靜態(static)MAC 地址和通過學習功能自動學習得到的動態(dynamic)MAC 地址,其中的Ports 列顯示的是對應MAC 地址主機所連接的端口,VLAN 列則為對應主機連接端口所屬的VLAN。

 
圖5⑶5 網橋數據轉發原理示意圖
hzhsan: 上圖的詳細解析見下面的文字部份。詳細易懂。
  1. switch#show mac-address-table  
  2. Mac Address Table  
  3. -------------------------------------------  
  4. Vlan Mac Address Type Ports  
  5. ---- ----------- -------- -----  
  6. All 0100.0ccc.cccc STATIC CPU  
  7. All 0100.0ccc.cccd STATIC CPU  
  8. All ffff.ffff.ffff STATIC CPU  
  9. 1 0000.0c07.accb DYNAMIC Gi0/1  
  10. 1 0002.8501.de00 DYNAMIC Gi0/1  
  11. 1 0015.f915.8e80 DYNAMIC Gi0/1  
  12. 1 0016.7694.c009 DYNAMIC Gi0/1  
  13. 1 0020.ed14.399c DYNAMIC Gi0/1  
  14. 1 0030.b637.8e10 DYNAMIC Gi0/1  
  15. 1 0050.ba10.404a DYNAMIC Gi0/1  
  16. 100 0007.847b.c40a DYNAMIC Gi0/1  
  17. 100 00d0.d3a4.7cec DYNAMIC Gi0/1  
  18. 110 0006.28bb.71c0 DYNAMIC Gi0/1  
  19. 110 00d0.d3a4.7cec DYNAMIC Gi0/1  
  20. 120 0000.b497.8250 DYNAMIC Fa0/20  
  21. 120 0002.b3d8.68e7 DYNAMIC Fa0/20  
  22. 120 0002.b3d8.6928 DYNAMIC Fa0/20  
  23. 120 0003.a03a.03fc DYNAMIC Fa0/19 


現假定圖5⑶4 所示網絡中的1臺PC 要向另外一臺PC 發送數據。由于集線器也是物理層裝備,不能辨認幀中的MAC 地址,所以不管是哪臺主機要發送數據,在集線器上都是以廣播方式進行的,連接該集線器上的所有節點都會收到這個廣播幀,包括網橋連接到該集線器的端口。

1)當網橋收到集線器的廣播幀后,網橋會把幀中的源MAC 地址和目的MAC 地址與網橋緩存中保存的MAC 地址表進行比較。

2)最初,網橋的緩存中是沒有任何MAC 地址的,所以1開始它也不知道哪臺主機在哪一個物理網段上,收到的所有幀都直接以泛洪方式(也是復制原數據幀)轉發到另外一個端口上,同時會把數據幀中的源MAC 地址所對應的物理網段記錄下來(其實就是與對應的網橋端口對應起來)。

3)在數據幀被某個PC 機接收后,也會把對應目的MAC 地址所對應的物理網段記錄在緩存中的MAC 表中。這樣,經過量次這樣的記錄,就能夠在MAC 地址表中把全部網絡中各主機MAC 地址與對應的物理網段全部記錄下來。由于網橋的端口通常是連接集線器的,所以1個網橋端口會與多個主機MAC 地址進行映照。

4)當網橋收到的數據幀中源MAC 地址和目的MAC 地址都在網橋MAC 地址表中可以找到時,網橋會比較這兩個MAC 地址是不是屬于同1個物理網段。如果是同1物理網段,則網橋不會把該幀轉發到下1個端口,直接拋棄,起到沖突域隔離作用。相反,如果兩個MAC 地址不在同1物理網段,則網橋會把從1個物理網段發來的幀轉發到連接另外一個物理網段上,然后再通過所連接的集線器進行復制方式的廣播。


網橋使用緣由

  •   許多單位都有多個局域網,并且希望能夠將它們連接起來。之所以1個單位有多個局域網,有以下6個緣由:

      首先,許多大學的系或公司的部門都有各自的局域網,主要用于連接他們自己的個人計算機、工作站和服務器。由于各系(或部門)的工作性質不同,因此選用了不同的局域網,這些系(或部門)之間早晚需相互交往,因此需要網橋。

      其次,1個單位在地理位置上較分散,并且相距較遠,與其安裝1個遍及所有地點的同軸電纜網,不如在各個地點建立1個局域網,并用網橋和紅外鏈路連接起來,這樣費用可能會低1些。

      第3,可能有必要將1個邏輯上單1的LAN分成多個局域網,以調理載荷。例如采取由網橋連接的多個局域網,每一個局域網有1組工作站,并且有自己的文件服務器,因此大部份通訊限于單個局域網內,減輕了主干網的負擔。

      第4,在有些情況下,從載荷上看單個局域網是毫無問題的,但是相距最遠的機器之間的物理距離太遠(比如超過802.3所規定的2.5km)。即便電纜鋪設不成問題,但由于來回時延太長,網絡仍將不能正常工作。唯1的辦法是將局域網分段,在各段之間放置網橋。通過使用網橋,可以增加工作的總物理距離。

      第5,可靠性問題。在1個單獨的局域網中,1個有缺點的節點不斷地輸出無用的信息流會嚴重地破壞局域網的運行。網橋可以設置在局域網中的關鍵部位,就像建筑物內的縱火門1樣,避免因單個節點失常而破壞全部系統。

      第6,網橋有助于安全保密。大多數LAN接口都有1種混雜工作方式(promiscuousmode),在這類方式下,計算機接收所有的幀,包括那些其實不是編址發送給它的幀。如果網中多處設置網橋并謹慎地攔截不必轉發的重要信息,那末就能夠把網絡分隔以避免信息被竊。

網橋作用

  •   網橋經常使用于將同享帶寬的計算機結點數較多的大局域網分成既相對獨立又能相互通訊的兩個局域網網段,從而改良各個子網段的性能和安全性。

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