載波偵聽多路訪問為控制會話提供了一個好的起點,但是仍然有一個難題需要解決。讓我們回到用來類比的飯桌談話上,想想談話中有片刻寂靜的情況。你和我都有一些話想說,我們都在發生片刻寂靜時“偵聽到了載波”,所以我們幾乎同時開始講話。用以太網術語來說,我們同時講話時會發生沖突。
在談話時,我們可以很好地處理這種情況。在我們講話的同時,都聽到了對方也在講話,因此我們都停止了講話,以便對方能夠繼續。以太網節點在傳輸數據時也會偵聽介質,確保它是在該時刻進行數據傳輸的唯一站點。如果站點聽到它自己傳輸的數據以一種混亂的形式返回(如果其他站點也同時開始傳輸它們自己的消息便會發生這種情況),那么就知道發生了沖突。有時,我們將單個以太網段稱作一個沖突區域,因為網段上的任何兩個站點都無法在不產生沖突的情況下同時傳輸數據。如果站點檢測到沖突,它們會停止傳輸數據,等待一個隨機的時間長度,然后在檢測到介質歸于平靜之后嘗試再次傳輸數據。
隨機暫停并重試是協議的重要組成部分。如果兩個站點在進行傳輸時發生沖突,那么它們都需要重新進行傳輸。在適于傳輸數據的下一個時間,上次發生沖突的兩個站點都會準備好數據以便進行傳輸。如果它們在第一次機會來到時再次傳輸了數據,那么很可能無限期地一次又一次發生沖突。而隨機延遲則可以使任何兩個站點都不會連續發生多次沖突。
以太網的缺點
單根共享電纜可作為一個完整以太網網絡的基礎。但在單根共享電纜的情況下,以太網網絡的大小實際上存在一定的限制。主要原因在于共享電纜的長度。
電氣信號可以沿電纜飛快傳播,但是它們的行程卻不長,而且臨近設備(如熒光燈)的電氣干擾還會擾亂信號。要使設備能夠清楚地以最小延遲接收到對方發送的信號,網絡電纜必須足夠短才行。這就限制了以太網網絡上兩臺設備之間的最大距離(稱作網絡直徑)。此外,按照CSMA/CD方式,在任一給定時間,只能有一臺設備傳輸信號,所以能夠共存于一個網絡上的設備的數量實際也存在限制。如果太多設備連接到同一個共享網段上,它們之間爭用介質的現象便會增加。在有機會傳輸數據之前,設備可能會等待非常長的時間。
工程師們已經開發出大量網絡設備來緩解這些難題。其中的許多設備并不是只針對以太網的,它們在其他網絡技術中同樣可以發揮作用。
轉發器
最初廣泛使用的以太網介質是被稱作“粗電纜網”的銅制同軸電纜。這種電纜的最大長度是500米。在大型建筑或校園環境中,500米長的電纜經常不足以連接所有網絡設備。但轉發器可以解決這個問題。
轉發器連接多個以太網段并且偵聽每個網段,同時將它在某個網段上聽到的信號重復發送到與轉發器相連接的所有其他網段。使用多條電纜并將它們連接到轉發器,可以顯著延長網絡直徑。
網段劃分
在我們用飯桌進行的比喻中,桌旁只有幾個人在進行對話,任一給定時刻只能有一個人講話的規定便不會對交流形成大的障礙。但是假如有許多人坐在桌旁并且在任一時刻只允許有一個人講話,那又會怎么樣呢?
如果是這樣的話,上面的比喻肯定不再適用。實際上,有很多人參與的談話經常會分成多個同時進行的不同談話。在擁擠的房間內或燒烤晚宴上,如果在任一時間只能有一個人講話,許多人會因等待說話的時間過長而感到沮喪。對人類來說,這個問題會得到自行糾正:聲音的傳輸范圍有限,而耳朵善于從環境噪聲中捕捉住特定的談話。因此,在聚會時,同一個房間的人很容易分成多個小組進行談話。因為網絡電纜可以快捷、高效地長距離傳輸信號,所以不會出現上面這種自然而然的分組情況。
隨著規模的擴大,以太網會面臨堵塞問題。如果大量站點都連接到同一網段并且每個站點都產生許多網絡流量,那么在有機會發送數據時,會有很多站點嘗試進行傳輸操作。這種情況會使沖突越來越頻繁地產生,由此導致數據傳輸無法正常進行,完成一次成功的傳輸需要花費難以想象多的時間。減少堵塞的一種方法是:將單個網段劃分為多個網段,從而形成多個沖突區域。這種解決辦法會造成另一個問題,即這些分隔開的網段無法相互共享信息。
網橋
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還記得以太網的多路訪問和共享介質意味著線路上的所有站點會收到所有傳輸數據并檢查自己是否是目標接收方嗎?網橋便利用這個特性在各個網段間轉發數據。在上圖中,網橋將網段1和網段2連接在一起。如果站點A或B要發送數據,網橋將收到網段1上傳輸的數據,它應如何響應該流量呢?它可以像轉發器一樣自動將該幀發送到網段2上,但是這并不能減輕堵塞現象,因為網絡現在的行為與單個長網段沒有區別。
網橋的目標在于減少兩個網段上不必要的網絡流量。為了做到這一點,在決定如何處理幀之前,它會檢查幀的目標地址。如果目標地址是站點A或B,那么便無需將幀發送到網段2上。因此,網橋不會執行任何操作。我們可以說,網橋過濾或丟棄了該幀。如果目標地址是站點C或D,或者是一個廣播地址,那么網橋會將該幀傳輸(或者說轉發)到網段2。通過轉發數據包,網橋實現了上圖中所有四臺設備的相互通信。此外,由于網橋可以根據需要過濾掉數據包,在站點A向站點B發送數據的同時,站點C也可以向站點D發送數據,兩個對話可以同時進行!
交換機是比網橋更先進的類似產品,它不僅功能與網橋相當,而且為網絡上的所有節點提供了一個專用網段。
為了解決網絡分段造成的問題,以太網網絡使用了網橋。網橋可將兩個(或更多)網段連接在一起,與轉發器一樣能夠提高網絡直徑,但是網橋的不同之處在于它還有助于控制網絡流量。網橋可以發送和接收傳輸的數據,這和其他任何節點一樣,但是它在功能上與標準節點并不相同。網橋不會產生任何自己的流量,因為它與轉發器相同,只是重復它從其他站點那里聽到的內容。(最后一句的表述并不完全準確:網橋會產生一種特殊的以太網幀,使得它們能夠與其他網橋進行通信,但是這并不屬于本文的討論范疇。) 以太網介質
路由器
網橋允許不同網段同時進行對話,從而減少了網絡擁堵,但是它們在對流量進行分段方面存在一些局限。
網橋的一個重要特征便是:它會向所有連接的網段轉發以太網廣播。這種行為很有必要,因為以太網廣播的目標是網絡上的所有節點,但是對于過于龐大的網橋網絡,這種做法也會帶來問題。如果網橋網絡中的大量站點都發送廣播,與所有這些設備處于同一個網段中一樣,會發生嚴重的網絡擁堵。
路由器是一種高級的網絡設備,可以將單個網絡從邏輯上劃分為兩個單獨的網絡。盡管以太網廣播可以通過網橋到達網絡上的所有節點,但是它們無法通過路由器,因為路由器形成了網絡的邏輯邊界。
路由器所基于的協議獨立于具體的網絡技術(如以太網或下文要討論的令牌環網)。它可以將使用不同網絡技術的網絡(不論是局域網還是廣域網)輕松連接在一起。因此,它在將世界各地的設備連接到全球互聯網的工作中得到了廣泛應用。
請參見路由器工作原理查看對該技術的詳細討論。
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