電腦網路與連結技術：第十章 區域網路連結技術 上一頁    下一頁

10-3 橋接器與交換器

內容：

10-3-1 橋接器的 協定堆疊

        『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 10-10 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 10-10 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 10-10 橋接器之通訊協定堆疊

10-3-2 橋接器的運作程序

        我們以圖 10-11 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 也會收到該訊框（CSMA/CD 協定），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 10-11 Ethernet 與 Token-Ring 網路連結

10-3-3 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，透過橋接器連接的網路，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：

(1) 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。

(2) 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，在小網路之間使用橋接器連接（具有Filtering及Forwarding功能），整體來看還是一個網路。如Ethernet網路上，連接之工作站太多，將會提高工作站之間的碰撞機率，降低使網路傳輸效益，此時需用橋接器來分散網路的負荷（Traffic）。

(3) 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。

(4) 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：

(1) 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，整體上還是單一個網路，而不需要知道橋接器是否存在。

(2) 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。

(3) 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。

10-3-4 橋接器的運作原理

        我們用圖 10-12 來說明橋接器的運作原理，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：

(1) 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。

(2) 『學習』（Learning）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。

(3) 『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。

(4) 『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 10-12 橋接器之過濾與轉送功能

10-3-5 橋接器的學習功能

        橋接器的學習功能最主要目的，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，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 10-13 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 10-13 橋接器連結網路範例

        橋接器的學習演譯法（Learning Algorithm）如圖 10-14 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：

(1) 前送程式（Forwarding Process）：此程式利用進入訊框的『目的位址』，將該訊框轉送到其它埠口上；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。

(2) 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』。並且根據此原始位址來更改過濾資料庫內容。

(3) 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。

圖 10-14 橋接器之學習與轉送的演譯法

        圖 10-14 為橋接器的學習和轉送演譯法，簡單說明如下：（橋接器學習範例請參考習題 10-13）

(1) 當訊框由某一埠口進入後，橋接器比對該訊框的『目的位址』是否存在於『過濾資料庫』上，如果沒有，便將該訊框轉送到其它『所有』埠口上，否則下一步驟；

(2) 檢查該訊框『目的位址』所屬的埠口，是否和它所進入的埠口相同，如果是，便將此訊框拋棄而不予轉送（過濾掉），否則接下一步驟；

(3) 便依照『過濾資料庫』所登錄的埠口，將此訊框轉送到該埠口上。決定此訊框轉送方式後，緊接著，執行學習步驟。接下一步驟；

(4) 搜尋該訊框的『來源位址』，是否存在於『過濾資料庫』上，如果是，便更新該筆資料的時間（更新為 0），否則接下一步驟；

(5) 將該訊框的『來源位址』、所進入的埠口號碼、以及時間（設定為 0）登錄於『過濾資料庫上』。

10-3-6 第二層交換器

        『第二層交換器』（Layer 2 Switch）類似『多埠口橋接器』（Multi-port Bridge）功能，但並沒有協定轉換功能；亦即，Layer 2 Switch 是在相同的媒介存取層（MAC）協定之下，做訊框交換的功能。最常見的第二層交換器，就如本書第八章介紹的 Ethernet Switch；也如同一般橋接器一樣，具有學習的功能，每一埠口可經學習後紀錄 1024 個 Ethernet 位址。

        一般 Layer 2 Switch 都有提供 8 ~ 24 個連接埠口，每一埠口同樣具有學習能力，可紀錄埠口上所連接工作站的 MAC 位址。當訊框由連接埠口進入時，交換器依照訊框上的目的位址，將訊框轉送出去，並不需要整個訊框進入後再轉送，因此稱之為『透通交換方式』（Cut-through Switching）。這種交換方式，除了快速便捷外，也不涉及原來通訊協定（與 CSMA/CD 協定無關）。但交換器的處理速度必須非常快速，譬如，16 埠口的 100BaseT 的交換器，其處理速度必須達到 800 Mbps（= 16 ÷ 2 × 100）。一般在網路非常忙碌時可能造成傳輸上的延遲，因此交換器在選擇哪一埠處理時有二種方式：

a. 依次服務（Round-robin）：交換器輪流為每個埠口服務，若該埠沒有運作就會被跳過。

b. 優先權服務（Priority）：有運作的埠口優先取得服務，比較適合於10/100 Mbps混合，且有突增流量的交換器使用。

雖然 Layer 2 Switch 不具有協定轉換功能（不同 MAC 之間轉換），但它將橋接器的過濾與前送功能發揮到極點。一般在 Ethernet 網路上，當連接過多工作站時，工作站之間的碰撞機率提昇，整個網路效益將會大受影響。Layer 2 Switch 為最佳的分散傳輸負荷（Traffic）的設備，交換器埠口之間的交換訊框，並不涉及 CSMA/CD 通訊協定。每一連接埠口都是獨立的專屬頻寬，在這連接埠口所連接之工作站共享該頻寬，因此，將每一連接埠所連接之網路稱之為『碰撞網域』（Collision Domain）。而一般規範，每一連接埠口可紀錄 1024 個 Ethernet 位址，亦即，每一碰撞網域允許連接 1024 個工作站。

        我們用圖 10-19 來說明利用第二層交換器分割碰撞網域的情形，由交換器連接埠上所連接的伺服器為專屬頻寬，另外，連接埠所連接之 Ethernet Hub 的工作站，共享該連線的頻寬。

        譬如，碰撞網域 A 內的工作站之間通訊，訊息將不會進入交換器 X（過濾功能），但如有工作站和碰撞網域 A 以外的工作站通訊（前送功能），必須共享 Hub 到交換器連接埠口之間的頻寬（10 Mbps）。在圖中，交換器 X 串接交換器 Y，則交換器 Y 以下所屬的工作站欲和外部通訊，也是共享串接連接埠的頻寬（100 Mbps）。我們發現在同一碰撞網域之下通訊，就不會涉及到共享頻寬的問題，因此，可將一些工作性質相同的工作站整合在同一碰撞網域下，可減少許多傳輸量，所以稱之為『工作群組網域』。

圖 10-19 第二層交換器之分割碰撞網域範例

 

翻轉工作室：粘添壽

 

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