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3.8 数据链路层设备

对应王道教材 3.8 节（教材 P117–P120）· 本节属于 408 考纲范围

*3.8.1 网桥的基本概念 课外拓展

课外拓展 本节为带星号的选学内容，最新 408 考纲已将网桥删除，仅供理解后续交换机内容时参考。

使用集线器在物理层扩展以太网会形成更大的冲突域。为避免这一问题，早期采用网桥在数据链路层扩展以太网，此时原来的每个以太网称为一个网段。使用网桥扩展时，不会将原本独立的两个冲突域合并成一个更大的冲突域。这是因为网桥具有识别帧和转发帧的能力：它根据帧首部的目的地址及自身的帧转发表，决定是转发还是丢弃所收到的帧，从而有效过滤通信量。

⚠️ 注意

网桥是早期的数据链路层设备，现已被以太网交换机取代（交换机实质上就是一个多端口网桥），最新大纲中已将其删除。网桥只隔离冲突域，不隔离广播域。

3.8.2 以太网交换机 考点

1．交换机的原理和特点

以太网交换机也称二层交换机，其中"二层"指其工作在数据链路层。从实质上讲，它是一个多端口的网桥，能够将网络划分为多个较小的冲突域，从而为每个用户提供更高的带宽。

🎯 考点跟踪：以太网交换机的特点（2015）

在使用集线器构建的传统共享式以太网中，所有用户共享同一传输介质。例如，在 10Mb/s 网络中，若有 \(N\) 个用户，则每个用户的平均可用带宽仅为总带宽的 \(1/N\)，且在通信过程中极易发生冲突。而使用以太网交换机构建的交换式以太网则完全不同：每个端口提供独立的信道，主机通信时独占端口带宽（如 10Mb/s），无须与其他用户竞争介质。因此，一台有 \(N\) 个端口的交换机的总吞吐容量可达 \(N\times 10\)Mb/s，这正是交换机的最大优势所在。

以太网交换机的特点：

  1. 当交换机端口直接连接主机或其他交换机时，通常工作在全双工方式；
  2. 交换机具有并行性，可同时连通多对端口，使每对通信主机都能无冲突地传输数据，因此无须使用 CSMA/CD 协议；
  3. 当交换机端口连接集线器时，由于集线器连接的所有设备均处于同一冲突域中，必须使用 CSMA/CD 协议，且只能工作在半双工方式；
  4. 交换机是一种即插即用设备，其内部的帧转发表是通过自学习算法，基于网络中各主机间的实际通信自动建立和更新；
  5. 交换机采用专门的交换结构芯片，因此交换速率较高。
🎯 考点跟踪：直通交换的转发时延分析（2013）

以太网交换机主要采用两种交换模式：

  1. 直通交换方式：接收到帧的目的 MAC 地址后，立即决定转发端口，无须等待整个帧接收完毕。该方式的转发时延非常小，缺点是不进行差错检测，因此可能将一些无效帧转发给其他站。因此，直通交换不适用于需要速率匹配、协议转换或差错检测的场景；
  2. 存储转发交换方式：先完整接收并缓存整个帧，然后检查帧是否正确（可能还需要进行速率匹配或协议转换），若帧正确，则根据目的 MAC 地址转发；若帧出错，则直接丢弃。其优点是可靠性高，且支持不同速率端口之间的通信；缺点是转发时延较大。

交换机通常配备多种速率的端口，如 10Mb/s、100Mb/s 端口，以及多速率自适应端口。

2．交换机的自学习功能 考点

🎯 考点跟踪：以太网交换机基于 MAC 地址的转发机制（2009）、交换机的 MAC 地址学习过程（2014、2016、2021）

以太网交换机的转发和过滤决策基于帧的 MAC 地址。其中，过滤是指决定是否丢弃一个帧，而转发则是指决定将帧从哪个端口送出。这两项功能依赖于交换机的交换表。每个表项至少包含两个字段：主机的 MAC 地址；该主机所连接的交换机端口号。例如在图 3.35 中，一台 4 端口的交换机分别连接四台计算机，其 MAC 地址分别为 A、B、C 和 D，交换表初始为空。

图3.35 以太网交换机中的交换表
图 3.35 以太网交换机中的交换表（王道教材 P119）
🎯 考法：自学习与转发过程的逐步推导（教材例析）

交换机通过自学习算法动态构建并维护转发表，收到数据帧后，执行以下步骤：

  1. 学习源 MAC 地址：交换机读取帧的源 MAC 地址，并将 {MAC 地址, 入端口} 写入或更新到交换表。这一过程称为自学习，可使交换机动态掌握各主机的连接位置；
  2. 查看目的 MAC 地址：交换机解析帧的目的 MAC 地址，并根据其类型（单播、广播或组播）采取相应的转发策略；
  3. 决策与转发：
    • 为单播帧（目的 MAC 地址为普通主机地址）时，交换机在交换表中查找该目的地址：若找到对应表项（已知目的地址），则仅从该表项所指端口转发，实现精准交付；若未找到对应表项（未知目的地址），则执行未知单播帧泛洪（或称洪泛），即将帧从除接收端口外的所有其他活动端口转发出去，确保目标主机能收到；
    • 为广播帧（目的 MAC 地址为 FF-FF-FF-FF-FF-FF）时，交换机不查询转发表，直接将帧泛洪到除接收端口外的所有其他活动端口；
    • 为组播帧（目的地址为组播 MAC 地址）时，交换机通常也默认执行泛洪处理。

以图 3.35 逐步推导：假设主机 A 从端口 1 向主机 B 发送帧。交换机收到后，学习源地址：将 {A, 1} 写入交换表，此后任何发往主机 A 的帧都将从端口 1 转发。执行未知目的地址泛洪：未找到主机 B 的对应表项，将帧发送至端口 2、3、4（除端口 1 外）。主机 C 和 D 收到帧后，发现目的地址非自身，丢弃该帧；仅主机 B 接收。

随后，假设主机 B 从端口 3 向主机 A 回复帧。交换机收到后，学习源地址：将 {B, 3} 写入交换表。执行已知目的地址精准交付：查表发现主机 A 对应端口 1，于是直接从端口 1 单播转发该帧。

至此，交换机已通过"A→B"和"B→A"的通信，完整学习了主机 A 与 B 的位置信息。随着时间的推移，只要主机 C 和 D 也主动发送帧，交换机便会逐步学习其 MAC 地址与端口的映射关系。最终，交换表将包含所有活跃主机的信息，实现高效、精准的转发。

💡 深入浅出补充：自学习口诀——"源进登记，目的查表；同口丢弃，查不到泛洪"

交换机收到帧只做两步：先看源地址，把 {源 MAC，入端口} 登记进交换表（已有则更新）；再看目的地址查表——查到的端口恰好是入端口，说明目的主机与源在同侧，对方本来就能直接收到，丢弃；查到其他端口则明确转发；查不到（含广播帧、组播帧）则除入端口外全部泛洪。这一句口诀覆盖了交换机的全部四种动作。

📌 交换表的老化与生成树协议（STP）
  • 由于网络中的主机会动态变化，交换表必须具备自动更新的能力。为此，每个表项均设有老化时间，超时未更新的表项会被自动删除，以确保表项始终反映当前网络的实际连接状态；
  • 为了提高可靠性，以太网交换机组网中常引入冗余链路，但可能形成环路，导致广播风暴和帧无限循环。为此，交换机采用生成树协议（STP）：在不改变物理拓扑的前提下，通过逻辑阻塞部分冗余端口，构建一棵覆盖所有交换机的无环生成树，确保任意两台主机间仅有一条有效路径，进而消除环路。同时，当主链路出现故障时，STP 可重新激活被阻塞端口，恢复连通性，实现自动容错。

3.8.3 共享式以太网 考点

1．共享式以太网的基本特点

🎯 考点跟踪：共享式与交换式以太网的区别（2016）

共享式以太网是指以集线器（Hub）为中心连接设备构建的局域网。所有主机通过双绞线接入集线器，共享同一物理传输介质和总带宽。从逻辑上看，整个网络构成单一的局域网段，所有通信均发生在同一个冲突域和广播域中。共享式以太网的主要特点如下：

  1. 工作在物理层：集线器仅对电信号进行放大和再生，不具备帧解析能力，无法识别 MAC 地址，也无任何智能转发或过滤功能；
  2. 采用半双工通信和 CSMA/CD 协议：由于介质共享，任意时刻只能有一对主机成功通信，其他发送尝试将引发冲突，必须依赖 CSMA/CD 协议进行冲突检测与退避；
  3. 单一冲突域与广播域：所有主机处于同一个冲突域和同一个广播域内；
  4. 带宽共享，效率低下：若网络中有 \(N\) 台主机，则每台主机的平均带宽仅为总带宽的 \(1/N\)；
  5. 盲目广播所有帧：集线器将收到的帧无差别地转发至所有其他端口，各主机需自行判断是否接收，不仅浪费带宽，还存在通信隐私泄露的风险。

正由于上述缺陷，共享式以太网早已于 20 世纪末退出历史舞台，现代网络不再部署。

2．共享式与交换式以太网的转发行为对比

假设交换机已建立完整的转发表，以下从三种典型场景分析两类网络的处理差异：

  1. 主机发送普通帧：对于共享式以太网，集线器将帧转发到除接收端口外的所有端口，各主机网卡根据帧的目的 MAC 地址决定是否接收。对于交换式以太网，交换机查询转发表后，仅将帧从目标主机所在的端口转发，其他主机完全无感知；
  2. 主机发送广播帧：对于共享式以太网，集线器将帧转发到除接收端口外的所有端口，各主机网卡识别目的 MAC 地址为广播地址后接收该帧。对于交换式以太网，交换机识别目的 MAC 地址为广播地址，执行泛洪处理，各主机收到该广播帧后予以接收。两种情况效果相同，但原理不同：前者是物理层盲目复制，后者是数据链路层有意识泛洪；
  3. 多对主机同时通信：对于共享式以太网，必然发生冲突，需执行 CSMA/CD 协议的退避重传机制。对于交换式以太网，支持多对端口并行交互，各对通信互不干扰。
🎯 考点跟踪：各类网络设备对冲突域和广播域的影响（2020、2022）

集线器既不隔离广播域，也不隔离冲突域；交换机不隔离广播域，但隔离冲突域。只有路由器（网络层设备）等才能隔离广播域。

表 3.6 共享式以太网与交换式以太网的特性对比（王道教材 P120）
网络类型工作层次通信模式带宽分配使用 CSMA/CD 协议？安全性
共享式以太网物理层半双工共享是低
交换式以太网数据链路层全双工（默认）独占否（全双工下）较高
📌 总结：集线器 vs 网桥 vs 以太网交换机
表 集线器、网桥与以太网交换机对比
对比项集线器（Hub）网桥（Bridge）以太网交换机（Switch）
工作层次物理层数据链路层数据链路层
转发依据无（仅放大再生信号）MAC 地址 + 帧转发表MAC 地址 + 交换表
能否隔离冲突域不能（所有端口同一冲突域）能（每个端口一个冲突域）能（每个端口一个冲突域）
能否隔离广播域不能不能不能（VLAN 除外）
端口数与形式多端口通常两端点、用于连接网段多端口网桥
现状已淘汰已被交换机取代（考纲已删）主流组网设备