计网学习笔记四 Bridge && Switch

在前面的学习中，我们学习了MAC和LAN。在一个LAN里可以通信是很不错的，我们可以用一些东西让它变得更加不错！那就是我们接下来学习的网桥和交换机，其中包括了一点802.1D机制。

Bridge 网桥

注意：在自顶向下这本书中并没有介绍网桥的机制。

什么是网桥？

The bridge is a networking device in a computer network that is used to connect multiple LANs to a larger LAN.

也就是说，网桥是用来连接多个LAN的，也可以说网桥是用来把一个LAN切割成多个LAN。

它提供了多个LAN / WAN之间的交互，它的功能，也就是实现网桥的需求有：

存储和转发：会检查帧的终点mac在哪里，选择合适端口发出，会选择性存储MAC地址
对各个host透明：host不知道网桥的存在。
即插即用，存在自学习机制：不用进行人工配置，自学习LAN中的拓扑结构。

网桥的机制

首先我们来回顾一下以太网帧的发送：

发送方把frame传进broadcast链路，在链路上的每一个接收方都会把frame捕获，检查frame的MAC地址——如果frame的目标MAC和自己的相同或者目标MAC为FF:FF:FF:FF:FF:FF（即广播帧）时，就将frame向上传输到网络层中。同时，以太网有着即插即用的特点，即无需进行个人配置。

接下来是介绍网桥bridge的机制：

802.1D 生成树算法

在以太网中，frame的传播可能会因为不当的拓扑结构产生一个很严重的问题：广播风暴。（如果拓扑中存在环路，并且没有恰当的机制来处理，broadcast storm就会产生。如图。）

要避免回路传播，在物理层面上线路是很有可能无法做到无环的，所以我们引入生成树算法（spanning tree）。拓扑中的生成树特点需要有：（可以去看看数据结构里的生成树哈，感觉更好理解）

1.Sub-graph that includes all vertices but contains no cycles .

2.Links not in the spanning tree are not used to forward frames .

来看几个生成树的例子：

这个算法在网络拓扑中的详细实现写在了802.1D协议中，在以太网的生成树拓扑构建中被广泛使用。算法的模式就是输入一个任意的网络拓扑结构，然后在链路边中进行选择，最终给出一个生成树拓扑。这个算法需要做的事情有两个：

选择一个根节点：往往选择的是MAC地址最小的host作为根节点（原因是一般会认为拓扑中拥有最小mac的网卡是最老的，后面大的mac一般是新加进来的）
计算各个host到根节点的最短路径

其中计算各个host到根节点的最短路径的详细过程为：

给个流程图会好理解一点：

然后在生成树拓扑中网桥的flooding机制为：首先忽略掉不在生成树上面的所有port，然后当一个包到达网桥时，在除了ingress之外的ports发送这个包。

自学习机制

网桥和交换机中都有相对应的一块存储区域，来记录一些MAC和其对应的port。自学习机制的启用避免了过多flooding的浪费。自学习的步骤如下：

结合自学习机制，总结网桥中frame转发的规律：

Frame转发

**首先网桥里有一个转发表，这个表维护着帧转发的映射数据 **
- 通过每个端口到达的源地址（src MAC）会被这个表记录下来，形成类似于MAC--port的键值对；
然后当一个帧从端口X传进来时：
- 在转发表中寻找是否存在目标地址（dest MAC）对应的键值对；
- 如果找不到该键值对，则 向除了X端口以外的端口进行转发 (flooding)
- 如果列出了对应端口X的dest MAC，则将其丢弃（意味着在同一个LAN中）
- 如果列出了端口Y的地址，则检查端口Y处于“ Blocking 或 Forwarding ”状态, 如果是Forwarding状态则进行传输
Blocking 状态的设置是用来创建生成树的

Switch 交换机

switch也分为二层（Layer 2 switches）和三层（Layer 3 switches）两类。三层交换机已经可以起到路由器的作用。二层交换机的端口是没有MAC地址的。

Layer 2 switches 的需求

Layer 2 switches的需求和网桥的实现需求大差不差。switch具有的机制同样有：存储和转发，对host透明，即插即用自学习机制，解决广播风暴使用的生成树机制；它和bridge不同的点在于：

bridge需要连接的是多个LAN（连接到LAN的bus上），通常只有2-4个端口；
switch连接的是多个host或者多个子网，端口的数量多了很多，并且是无碰撞的（和bridge的“一个LAN一个碰撞域”不同，switch连接的host是“一个host一个碰撞域”，相当于点对点）

Layer 3 Switches 的使用

当连接的station数量多起来后，二层交换机已经不能满足需求，会产生一系列例如广播过载(broadcast overload)、单一路径（Lack of Multiple Paths等的问题。

三层交换机主要是在硬件上实现路由器的包转发(IP)逻辑，将二层交换机连成的多个LAN再连在一起。

如何解决二层交换机产生的问题？

Broadcast Overload：单一二层交换机实现多host广播未免太过吃力。这时加入的三层交换机可以把host分散到各个二层交换机中，此时二层交换机相当于一个hub。
Lack of Multiple Paths：多个二层交换机使用生成树机制实现无环路，但此时产生了单一路径的问题——两个station之间只有一条路径，限制了性能还降低了可靠性。此时将LAN拆散分成一个个子网，然后将子网用三层交换机连起来，那么MAC的broadcast被限制在子网中，并且允许子网之间有多条路径。

一些小的点

交换机毒化：

虚拟局域网：见自顶向下6.4.4