考点八：局域网交换机
1.局域网交换机的基本概念
局域网交换机实质上是多端口网桥，它工作在数据链路层。局域网交换机的每个端口都直接与主机或集线器相连，并且一般是全双工工作方式。当主机需要通信时，交换机能同时连通许多对的端口，使每对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，无冲突地传输数据，通信完成后断开连接。交换机有以下两种交换模式：
（1）直通式交换。直通式交换机在检查数据报的前6个字节后就转发，对于小于6B的数据报，交换机认为是碎片，不进行转发。也就是说，对于直通式交换机的转发延迟是发送6B的发送延迟。这种方式速度很快，但缺乏安全性，也无法支持具有不同速率的端口的交换。
（2）存储转发式交换。先将接收到的帧存储在高速缓存中，并检查数据是否正确，确认无误后，查找转发表，并将该帧从查询到的端口转发出去。如果发现该帧有错误，就将其丢弃。存储转发式交换的优点是可靠性高，并能支持不同速率端口间的转换；缺点是延迟较大。
2.局域网交换机的工作原理
与网桥类似，检测从某端口进入交换机的帧的源MAC地址和目的MAC地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据报的MAC地址不在查找表中，则将该地址加入查找表中，并将数据报发送给相应的目的端口。
3.设备带宽的讨论
（1）集线器和中继器处于同一个冲突域，共享带宽。
（2）网桥和交换机是全双工工作方式，独占带宽，假如每个接口到主机的带宽是10Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是与其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有N对接口的交换机的总容量为N×10Mb/s。
（3）对于普通10Mb/s的共享式以太网，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10Mb/s)的N分之一。
政哥应试提醒：网桥的工作原理是学习的重点内容，尤其是透明网桥的自学习算法的过程，大家要能够根据例子来完成转发表的构建和数据转发。
难度系数：★★★
牛刀小试
1.在中继系统中,中继器处于( )。
A.物理层 B.数据链路层 C.网络层 D.高层
2.（ ）是一个多端口中继器,它的每个端口都具有发送和接收数据的功能。
A.网桥 B.网关 C.集线器 D.路由器
3.一般来说,集线器连接的网络在拓扑结构上属于( )。
A.网状 B.树型 C.环型 D.星型
4.下列关于物理层网络设备的描述中,( )是错误的。
A.集线器和中继器是物理层的网络设备
B.物理层的网络设备能够理解电压值
C.物理层的网络设备能够分开冲突域
D.物理层的网络设备不理解帧、分组和报头的概念
5.当集线器的某个端口收到数据后,具体操作为( )。
A.从所有端口广播出去 B.从除了输入端口的所有端口转发出去
C.根据目的地址从合适的端口转发出去 D.随机选择一个端口转发出去
6.在一个使用集线器的10Base-T网络中,各台计算机连接到集线器上,此网络的拓扑结构为( )。
A.各节点之间的物理连接和逻辑连接都是星型拓扑
B.物理连接是星型拓扑,逻辑连接是总线型拓扑
C.物理连接是总线型拓扑,逻辑连接是星型拓扑
D.物理连接和逻辑连接都是总线型拓扑
7.用集线器连接的工作站集合( )。
A.属于同一个冲突域,也属于同一个广播域
B.不属于一个冲突域,但属于同一个广播域
C.不属于一个冲突域,也不属于一个广播域
D.属于同一个冲突域,但不属于同一个广播域
8.下面哪些设备不可以隔离冲突域？( )
A.中继器 B.网桥 C.交换机 D.路由器
9.下列关于集线器的说法中,正确的是( )。
A.集线器可以对接收到的信号进行再生
B.集线器具有信息过滤的功能
C.集线器具有路径检测的功能
D.集线器具有交换功能
10.有10个站连接到以太网上。若10个站都连接到一个10Mb/s以太网集线器上,则每个站能得到的带宽为( ),若10个站都连接到一个10Mb/s以太网交换机上，则每个站得到的带宽为( )。
A.10个站共享10Mb/s,每个站独占10Mb/s
B.10个站共享10Mb/s,10个站共享10Mb/s
C.每个站独占10Mb/s,每个站独占10Mb/s
D.每个站独占10Mb/s,10个站共享10Mb/s
11.具有5个10Mb/s端口的集线器的总带宽可以达到( )Mb/s。
A.50 B.10 C.2 D.5
12.交换机端口可以分为半双工与全双工两类。对于100Mb/s的全双工端口,端口带宽为( )Mb/s。
A.100 B.200 C.400 D.800
13.将各种类型的网络互联成一个网络,目前主要采用两种方式：一是利用网间连接器实现网络互联；二是通过互联网实现网络互联。在实际应用时一般都必需通过网络中间的连接设备相连,这些设备工作在数据链路层的是( )。
A．中继器 B.网桥 C.路由器 D.网关
14.有10个站都连接到以太网上,10个站都连接到一个100Mb/s的以太网交换机上，那么每个站能得到的带宽为( )Mb/s。
A.10 B.100 C.1000 D.0
15.下面关于网桥的说法,不正确的是( )。
A.网桥工作在数据链路层,对网络进行分段,并将各个物理网络连接成一个逻辑网络
B.网桥可以通过对不要传递的数据进行过滤,并有效地阻止广播风暴
C.网桥可以连接数据链路层协议不同的局域网
D.网桥要处理其收到的数据,增加了传输时延
16．按照路径选择算法,连接LAN的网桥通常分为( )。
A.透明网桥 B.协议转换网桥 C.源路径选择透明网桥 D.源路由网桥
17．网桥从其某一端口收到正确的数据帧后,在其地址转发表中查找该帧要到达的目的站,若查找不到,则会( )。
A.向除该端口之外的桥的所有端口转发此帧
B.向桥的所有端口转发此帧
C.仅向该端口转发此帧
D.不转发此帧,而由网桥保存起来
牛刀小试解析
1.A 解析 本题考查中继器在网络体系结构中所处的层次。由于存在损耗,在线路上传输的信号功率会逐渐衰减,衰减到一定程度时将造成信号失真,因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。
中继器是网络物理层上的连接设备。适用于完全相同的两类网络的互联，主要功能是通过对数据信号的重新发送或转发来扩大网络传输的距离。中继器是OSI模型的物理层设备,可对信号进行再生和还原。
2.C 解析 本题考查集线器的特点。集线器(Hub)与工作站之间使用的双绞线为两对：一对用于发送数据；另一对用于接收数据。两台设备在发送和接收数据时,通信双方都能在同一时刻进行发送或接收操作,这样的传送方式就是全双工。而处于半双工传送方式的设备,当其中一台设备在发送数据时,另一台只能接收,而不能同时将自己的数据发送出去。由于集线器采取的是“广播”传输信息的方式,因此集线器传送数据时只能工作在半双工状态下。
3.D 解析 计算机和集线器连接,其拓扑结构逻辑上是总线型的,但是物理上是星型的。故而，本题选择D项。
4.C 解析 本题考查物理层设备及其特点。集线器和中继器都是常见的物理层设备,所以A项是正确的。
物理层的设备的功能是在站点间透明地传输比特流。物理层的主要任务是规定与传输媒体的接口的一些特性,即我们常说的机械特性、电气特性、功能特性与规程特性。其中,功能特性指明了在某条线路上出现的某一电平的电压表示的含义。也就是说,物理层设备能够理解电压值。故而,B项正确。
物理层设备既分不开冲突域,也分不开广播域,所以C项错误。数据链路层设备可以分开冲突域,但仍然分不开广播域。网络层以上(包括网络层)连接设备既可以分开冲突域,也可以分开广播域。这些需要牢记。帧是数据链路层的概念,物理层的功能是透明地传输比特流,不需要理解帧的概念。
5.B 解析 集线器和转发器都是工作在物理层,它们的每个端口都具有发送和接收数据的功能。当集线器的某个端口接收到工作站发来的比特时,就简单地将该比特向输入端口外的所有其他端口转发。若两个端口同时有信号输入(发生碰撞),则所有的端口都收不到正确的帧。故而,选择B项。
6.B 解析 10Base-T是指采用无屏蔽双绞线(Unshielded Twisisted Pair, UTP)实现10Mb/s传输速率的以太网。10Base-T物理介质采用的是直径为0.4～0.6mm的2对3类UTP,线端接有符合ISO标准的RJ-45插头,线段长度可达100m,信号频率为20MHz。10Base-T以太网需要用集线器(HUB)构成树型或总线和星型结合的拓扑结构。对于10Base-T,双绞线(UTP)将计算机和集线器连接,双绞线两头各接一个RJ-45头,其拓扑结构逻辑上是总线型,但是物理上是星型的。值得注意的是,10Base-T的介质访问控制方法是我们熟悉的CSMA/CD。
7.A 解析 集线器对从一个端口收到的数据从其他所有端口转发出去。集线器在物理层上扩大了物理网络的覆盖范围，无法解决冲突域与广播域的问题。
8.A 解析 物理层设备既分不开冲突域,也分不开广播域。数据链路层设备如网桥、交换机等可以分开冲突域,但仍然分不开广播域。网络层以上(包括网络层)连接设备如路由器、网关等既可以分开冲突域,也可以分开广播域。总结上面的这句话,就是数据链路层以上(包括数据链路层)连接设备能分开冲突域,但是物理层连接设备不能分开冲突域。中继器是典型的物理层设备,是不能分开冲突域的。故而,本题选择A项。
9.A 解析 集线器的功能有两个：①再生接收到的信号；②以太网的集中连接点。
集线器的缺点有5点：①无路径检测、信息过滤、交换功能；②不同速率的不能级联；③用户共享带宽,带宽受限；④非双工传输,网络通信效率低；⑤广播方式易造成网络风暴。
很显然,选择A项。
10.A 解析 集线器是共享带宽,10个站连接到一个10Mb/s的集线器上,每个站能得到的带宽只能是1Mb/s。与集线器不同的是,若10个站点连接到一个10Mb/s的以太网交换机上,交换机每个端口都是10Mb/s,每个站点得到的带宽也是10Mb/s。故而,本题选择A项。
11.B 解析 集线器为共享带宽,连接在集线器上的任何一个设备发送数据时,其他所有设备必须等待,此设备享有全部带宽,通信完毕其他设备才能使用带宽。因此，集线器连接了一个冲突的网络,所有设备相互交替使用,就像大家一起过一座独木桥一样。集线器的数据传输方式是广播方式，而交换机的数据传输是有目的的数据传输,数据只对目的节点发送。也就是说,交换机只是在自己的MAC地址表中找不到目的MAC地址的情况下第一次使用广播方式发送。交换机具有MAC地址学习功能,第二次以后就不再是广播方式发送了。这样的好处是数据传输效率提高,不会出现广播风暴。集线器所有端口是共享集线器的总带宽，即5个10Mb/s端口的集线器的总带宽还是10Mb/s。而交换机的每个端口都可以独享自己的带宽,使得交换机每个端口的实际带宽比集线器端口可用带宽要高许多,因而交换机的传输速度比集线器要快许多。
12.B 解析 本题考查交换机的全双工端口带宽。对100Mb/s的全双工交换机端口,端口号带宽是200Mb/s。需要特别注意,全双工可以同时收发数据。
13.B 解析 本题考查网桥。先看看4个选项中哪个工作在数据链路层。中继器和集线器都是物理层设备,路由器是网络层设备,网关则属于应用层以上设备。网桥和交换机才是数据链路层设备。我们对各层的连接设备做一个总结,如图3-36所示。
图3-36 各层的连接设备
14.B 解析 交换机不同于集线器,10个站都连接到100Mb/s以太网上，每个站能得到的带宽是100Mb/s。
15.B 解析 本题考查网桥的相关概念和特点。关于网桥不能抵御广播风暴的知识,我们已经讲述很多了。本题选择B项。
网桥连接两个局域网段,但它是在数据链路层连接两个网,并将两个物理网络连接成一个大的逻辑网络。
网桥的主要缺点：由于网桥在执行转发前先接收帧并进行缓存，因此与中继器相比会引入更多时延。由于网桥不提供流量控制功能,因此在流量较大时有可能使其过载，从而造成帧的丢失。
我们可总结网桥的特征如下：
①网桥在数据链路层上实现局域网互联。
②网桥能够互联两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率的网络。
③网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互联的网络之间的通信，网桥需要互联的网络在数据链路层以上采用相同的协议。
④网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量,有利于改善互联网络的性能与安全性。
16.A D 解析 按照路由表的建立方法,网桥可分为透明网桥和源路由网桥两种。
目前使用最多的网桥是透明网桥(Transparent Bridge)。透明是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥,因为网桥对各站来说都是看不见的。各网桥自己决定路由选择,局域网上的各节点不负责路由选择。源路由网桥由发送帧的源节点负责路由选择。
网桥的主要特点：①过滤通信量；②扩大了物理范围，提高了可靠性；③可互联不同的物理层、不同的MAC层和不同速率的局域网,实现了不同类型的局域网的互联。
17.A 解析 首先我们回顾一下网桥(图3-37)的工作原理。
①网桥不断监听各端口是否有信号。
②收到无差错的帧则缓存；反之，将差错帧丢弃。
③若所收帧的目的MAC地址属于另一段,则通过站表决定向何端口转发。
④网桥不转发同一个网段内通信的帧。
⑤网桥不修改所转发的帧的源地址。
图3-37 网桥的工作原理
如果网桥当前还不知道站发送帧的目的地址,网桥在地址表中找不到该目的地址与端口，它便会向除接收该帧之外的所有端口转发此帧,称为扩散或泛洪。故而,本题选择A项。
大显身手
如图3-38所示,有5个站点分别连接到3个局域网上,并且用网桥B1和B2连接起来,每个网桥都有两个接口(1和2),初始时两个网桥中的转发表都是空的,以后有以下各站点向其他的站发送了数据帧：A发送给E，C发送给B，D发送给C，B发送给A,请把有关数据填写在表3-12中,并说明网桥的工作原理。
图3-38 网桥B1和B2连接的局域网
表3-12 各站点连接情况表
大显身手解析
解析 本题是一个极具代表性的题目,请大家要掌握这类题目的解法。先来回顾一下网桥建立转发表算法的步骤。
①从接口x收到无差错的帧(若有差错,则丢弃),在转发表中查找目的站MAC地址。
②若有,则查找出到此MAC地址应当走的接口d,然后进行③,否则转到⑤。
③若到这个MAC地址去的接口d=x,则丢弃该帧(因为这表示不需要经过网桥进行转发)；否则从接口d转发此帧。
④转至⑥。
⑤向网桥除x之外的所有接口转发此帧(这样做可保证找到目的站)。
⑥若源站不在转发表中,则将源站MAC地址加入到转发表,登记该帧进入网桥的接口号,设置计时器,然后转到⑧。若源站在转发表中,则执行⑦。
⑦更新计时器。
⑧等待新的数据帧,转至①。根据算法,我们来详细解析本题。
（1）A发送帧给E。
①网桥B1从接口1接收到了帧,该帧源地址为A,目的地址为E。因为初始状态下B1转发表为空,所以转至步骤⑤,向网桥B1除接口1之外的其他接口转发此帧。
②源站A不在B1的转发表中,所以将源站MAC地址加入转发表,并记录该帧进入网桥B1的接口1。
③同理，当网桥B2从接口1中接收到网桥B1转发来的帧之后,与B2做一样的操作,把帧向除接口1之外的其他接口转发,并记录下源站A的地址和转发接口1。
故而,第一行的转发表记录如下：
（2）C发送帧给B。
①C转发帧给B时,B的MAC地址不在B1网桥中,转至步骤⑤,向接口1以外的其他接口转发该帧。因为源站不在转发表中,所以在转发表中记录下该帧的源地址C,和进入网桥的接口2。
②网桥B2也接收到了该帧,因为B2网桥中没有相应的C的MAC地址,所以B2网桥也做了与B1网桥一样的事情：记录下该帧的源地址C和进入网桥的接口1,然后向除接口1之外的其他接口转发该帧。故而,第二行的转发表记录如下：
（3）D发送帧给C。
①网桥B2从接口2接收到了帧,该帧源地址为D,目的地址为C。因为B2转发表为没有源地址为D的表项,所以转至步骤⑤,向网桥B2除接口2之外的其他接口转发此帧。
②源站D不在B2的转发表中,所以将源站MAC地址加入转发表,并记录该帧进入网桥B2的接口2。
③网桥B1从接口2也接收到了该帧,该帧的源地址为D,目的地址为C。故而,在网桥B1中的转发表查找目的MAC地址C,发现C已在转发表中,而该帧是从接口2进来的,与C的转发接口一致,所以丢弃该帧。
④转至步骤⑥。因为网桥B1中并没有原地址为D的表项,所以将源站D的MAC地址记入表项,并记下接口2。故而,第三行的转发表记录如下：
（4）B发送帧给A。
①网桥Bl从接口1接收到了帧,该帧源地址为B,目的地址为A。因为初始状态下B1转发表有目的地址为A的MAC地址,所以转至步骤②,发现该帧应该从接收到该帧的接口1转发出去,故而不进行转发而丢弃该帧。
②因为网桥B1在接收到该帧以后,直接丢弃而不转发,所以网桥B2接收不到该帧。
故而,第四行的转发表记录如下：
综上所述,我们可以得到完整的转发表如表3-13所示。
表3-13 完整的转发表
