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TCP/IP 協定與 Internet 網路：第三章 區域網路連結 上一頁 下一頁
翻轉工作室：粘添壽
3-4 橋接器
橋接器（Bridge）是用來連結兩個或兩個以上，實體層或媒介存取層不相同（或相同）的網路，使網路之間的工作站可以互相通訊。橋接器和連接網路之間的通訊協定堆疊，如圖 3-7 所示。如果，橋接器使用於不同媒介存取層（MAC）之間連接，但連接網路都屬於 IEEE 802 系列標準，則橋接器和網路之間使用相同的邏輯鏈路層（LLC）。如圖 3-7 中，區域網路 A 可以是 Ethernet 網路（MAC-A 為 IEEE 802.3），而區域網路 B 是 Token-Ring 網路（MAC-B 為 IEEE 802.5）；或者，區域網路 A 與區域網路 B 分別是 10Broad36 和 10Base5，兩者的 MAC 都是 IEEE 802.3 協定，但網路 A 的實體層是寬頻傳輸，而網路 B 是基頻傳輸。另一種是目前使用最普遍的情況，連結網路之間都是 Ethernet 網路，而其最主要目的是分散網路上的傳輸量（Traffic）。
圖 3-7 橋接器之通訊協定堆疊
3-4-1 橋接器的運作程序
我們以圖 3-8 為例子，來說明橋接器的運作程序。工作站 C 具有橋接器的功能，因此，它必須具備兩只網路卡：一為 Ethernet 網路卡，連結到 Ethernet 網路上；另一為 Token-Ring 網路卡，連結到 Token-Ring 網路。而且橋接器必須紀錄兩邊網路上所有工作站的 MAC 位址，這些位址都是經過學習過程得知的（下節介紹）。如果工作站 A 欲傳送訊框給工作站 B，便將訊框廣播在網路上（依照 CSMA/CD 協定），橋接器 C 也收到該訊框（CSMA/CD 協定），並判斷目的位址不在另一個網路上，便不予理會。如果工作站 A 欲將資料傳送給工作站 D，當橋接器 C 收到該訊框時，判斷該訊框是要送到另一個網路上的，便將訊框儲存起來。緊接著，橋接器 C 依照 Token-Ring 通訊協定，取得 Token 後，再將該訊框傳送給工作站 D。因此，經過橋接器 C 的轉送，網路之間的工作站就可以互相通訊。
圖 3-8 Ethernet 與 Token-Ring 網路連結
3-4-2 橋接網路的特性
由上述之橋接器在網路之間運作的程序，我們大略可了解，透過橋接器連接，可整合多個小型區域網路。一般橋接器不僅只提供兩個連接埠，甚至可擁有多個連接埠，也稱之為『多埠口橋接器』（Multi-port Bridge）。我們也可以利用多個橋接器，整合一個大型的區域網路，也稱之為『橋接區域網路』（Bridge LAN, BLAN），因此，橋接器除了連接不同協定的網路外，所建構之網路也延伸下列功能：
● 提高網路的可靠性（Reliability）：橋接器將一個大型網路分割成若干個實體小網路，如其中某一網路斷線或其他因素網路停頓時，不會影響其他網路。
● 增加網路效率（Performance）：因一般區域網路大多使用共享媒體（shared media）傳輸資料，如一個網路連接過多工作站，將使整個網路傳輸效率降低。此情形必須分割網路成二個或更多個網路，而小網路之間使用橋接器連接（具有Filtering及Forwarding功能），但整體上還是一個網路。如Ethernet網路上，連接之工作站太多，造成工作站之間碰撞機率提高，使網路傳輸效益降低，此時需用橋接器來分散網路的負荷（Traffic）。
● 提升網路安全性（Security）：利用共同傳輸媒介傳送資料，在網路上任何地方皆可偷竊他人傳送資料。如果網路上有幾個較機密的工作站需要通訊，則可利用橋接器將其分割成另一小網路，它們之間所傳送訊息，在其它網路上就偷竊不到，因此可提升網路安全性。
● 配合地理環境(Geography)：由於地理環境需要，在網路分布較廣的地區，如使用Repeater無法轉接網路之間的實體佈線，就必須利用橋接器來跨接（如 Remote-Bridge）。
除了瞭解橋接器分割網路所造成的效益外，對於連接網路橋也有下列幾點注意事項：
● 提供透通式（Transparence）服務：橋接器雖然將許多區域網路連結一起，可是對使用者而言，整體上是單一個網路，而不需要知道橋接器是否存在。
● 包含足夠大的緩衝記憶體（Buffer）：橋接器具有前送功能（Forwarding）。由某一網路收到訊框後，欲轉送到另一網路，如果兩個網路之間的傳輸速率不同，或某一網路的傳輸量過高時，訊框停留在橋接器上的機率就較高。因此，橋接器內就必須有大量的緩衝器來存放等待的訊框。
● 有位址辨識（addressing）及路徑選擇（routing）的能力：因為橋接器俱有資料過濾及前送功能，因此必須有能力判斷工作站的所在位置，並且知道如何選擇適當的路徑來傳送資料。
3-4-3 橋接器的工作原理
我們用圖 3-9 來說明橋接器的工作原理，假設兩邊皆是 Ethernet 網路，網路 A 擁有工作站 1 到 10；而網路 B 上有工作站 11-20。當工作站 1 發送訊框給工作站 2 時，該訊框應該不會經過橋接器。而當工作站 1 欲傳送訊框給工作站 11 時，橋接器將會讀取該訊框，並轉送給工作站 11。由這些過程之中，我們可瞭解橋接器應具有下列功能：
● 位址辨識功能：一般橋接器都以 MAC 位址來辨識工作站。當橋接器由網路上接收到訊框後，必須拆解其目的位址（MAC-PDU），再決定應該往哪一個埠口傳送，或將其拋棄。
● 學習功能：一般工作站的 MAC 位址都是固定的，不會因連接地點而改變。但網路上連結之工作站，也許會隨時改變。因此，橋接器必須隨時在學習過程中，紀錄連接埠上所連接之工作站的 MAC 位址。
● 過濾（Filtering）功能：同一個網路中互傳的資料會被橋接器過濾掉，而不會傳送到其它網路上。
● 前送（Forwarding）功能：橋接器接收到欲傳送到另一個網路的訊框時，橋接器會將其儲存，再轉送到目的網路。因此，橋接器也具有『儲存後轉送』（Store-and-Forward）之功能。
圖 3-9 橋接器之過濾與轉送功能
3-4-4 橋接器的學習功能
橋接器的學習功能最主要的目的，是要知道每一個連接埠口上所連接之工作站的 MAC 位址。學習過程的原理非常簡單，橋接器只要紀錄，由某一埠口進入訊框的來源位址，也就表示由該埠口出去，就可以到達該來源位址的工作站。至於是否還需要經過多少個橋接器，就不用去理會它，因此，橋接器也屬於下一路徑（Next-hop）轉送法。在學習的過程之中，將知悉的 MAC 是屬於哪一個連接埠的訊息，紀錄在『過濾資料庫』（Filter Database）中，以待下次訊框進來時，作為查詢其目的位址是屬於哪個埠口，或過濾掉不要傳送。
我們以圖 3-10 來說明過濾資料庫的功能。橋接器 X 和 Y 連結網路 M、L、N、P。在每一橋接器上都有一個過濾資料庫，紀錄著經過學習得到的工作站名稱，和其所屬的埠口位址，以及學習紀錄的時間。例如，工作站 A 欲傳送資料給工作站 G，當該訊框進入橋接器 X 後，橋接器 X 由訊框的目的位址（G），知悉該訊框是隸屬於埠口 2（查詢過濾資料庫），便將訊框轉送到埠口 2，亦即，發送到網路 L。緊接下來，橋接器 Y 由埠口 1 上收到該訊框，又由訊框的目的位址，知悉該訊框隸屬於埠口 2（查詢過濾資料庫），再將該訊框轉送到網路 N，因此，工作站 G 收到訊框。又當橋接器 Y 由它的第一埠口收到這訊框時，由訊框的來源位址得知，這個訊框的發送位址（A），也表示，爾後由第二個埠口出去，可以到達該來源工作站（A），因此，就將工作站 A 和它隸屬的埠口（1）紀錄在過濾資料庫上。
圖 3-10 橋接器連結網路範例
橋接器的學習演算法（Learning Algorithm）如圖 3-11 所示。當訊框由某一埠口（X）進入時，由目的位址判斷，該訊框應該轉送到哪一個埠口；而由來源位址學習，發送該訊框之工作站隸屬哪一個埠口。其主要有三個主要程式，如下：
● 前送程式（Forwarding Process）：負責將接收到而且要轉送的資料傳給適當的橋接器之埠口，或根據『過濾資料庫』（Filtering Database）的內容和橋接器的狀態(port state)，過濾訊框不要轉送。
● 學習程式（Learning Process）：此程式檢查由每一個連接埠口所接到訊框的『原始位址』（Source Address）。並且根據此原始位址來更改過濾資料庫內容。
● 過濾資料庫（Filtering Database）：此資料庫包含有關過濾資料的訊息。其內容可由橋接器管理系統填入或自動經由學習程序所得到的。它提供足夠的訊息給前送程式，以便判斷欲送給某一個目的地址的訊框，應該往哪一個埠口轉送。（橋接器學習範例請參考習題 3-13）
圖 3-11 橋接器之學習與轉送的演譯法
3-4-5 橋接器的迴路問題
如果利用多個橋接器所連結之網路，稱之為『橋接區域網路』（Bridge LAN, BLAN）。在一個 BLAN 上，我們為了提高網路的可靠性，便希望網路具有迴路功能。如果網路上某一連線斷線，可以經過其它迴路傳送訊框，而不至於使網路被隔離成若干個小網路。但有迴路的 BLAN，會造成橋接器學習上的困難。如圖 3-12 中，橋接器 X 學習到工作站 A 是隸屬於埠口 1 和 2，而網路橋 Y 也學習到工作站 A 隸屬於埠口 1 和 2。如果工作站 B 欲傳送資料給工作站 A，當訊框進入橋接器 X 的第二埠口時，它將不予轉送（隸屬於埠口 2）。同樣的，這個訊框進入橋接器 Y，也不予轉送，因此該訊框就無法到達工作站 A。
圖 3-12 橋接網路之迴路問題
我們希望有迴路的橋接網路，以提高網路的可靠度，但又不希望迴路造成橋接器學習上的困擾，這就必須利用『擴張樹』（Spanning Tree）演算法來解決此問題。擴張樹演算法是在有迴路網路之中，隔離了某些路徑，使其成為沒有迴路的樹狀網路。但這些被隔離之路徑成為預備路徑，如果網路上某些路徑發生故障時，擴張樹演算法也許會再利用這些被隔離之路徑，重新建構新的樹狀網路。有關擴張樹的運作原理，請參考拙著『電腦網路理論與連結技術』。