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网络互联问题简介
局域网（LAN）与以太网段
中继器（Repeater）
桥接器（Bridge）与学习桥（Learning Bridge）
二层交换机（L2 Switch）
三层交换机（L3 Switch / Router）
网络互联的关键特性
生成树协议（Spanning Tree Protocol, STP）
广播与多播机制
分片与重组（Fragmentation & Reassembly）
地址解析协议（ARP）
IP 分组转发实例

一、网络互联问题（Internetworking Problem）

问题定义

并非所有网络都能直接互联。当网络规模扩大、技术多样化时，我们必须解决“如何连接异构网络”的问题。

两种层次的互联

类型	层级	技术	功能
同类网络互联	L2（数据链路层）	Ethernet Switch/Bridge	连接相同类型的链路
异类网络互联	L3（网络层）	IP Router	连接不同类型的网络

例如，连接两个以太网段可用二层交换机，而连接以太网与 Wi-Fi 网络则需使用三层路由器。

二、局域网段（LAN Segment）

定义

一个 LAN Segment 是通过以太网连接的一组主机。
以太网使用 CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）协议。
最大物理长度通常为 2500 米。

示例

H1 ─── H2 ─── H3 ─── H4
       （Ethernet Segment）

三、中继器（Repeater）

中继器功能

放大并重传信号，使其能传输更远。
不理解帧或包的含义，也不修改数据内容。
工作在物理层（Layer 1）。

举例

当以太网超过最大长度限制时，可插入 Repeater 扩展距离：

Segment1 ─ Repeater ─ Segment2

注意：多个 Repeater 仍然构成单一广播域。

四、桥接器（Bridge）

基本功能

实现完整的以太网协议，工作在数据链路层（L2）。
能连接多个以太网段，突破 2500m 限制。
接收到一个帧后，会广播给除输入端口外的所有端口。

问题

这种广播策略导致网络效率低，尤其在大型网络中会产生广播风暴。

五、学习桥（Learning Bridge）

核心思想

桥接器通过学习主机与端口的映射关系（MAC 地址到端口号）来优化转发。

工作流程

学习阶段：桥接器观察入站帧 (源MAC, 入端口)，记录到表中。
转发阶段：
- 若目标 MAC 在表中 → 定向转发到对应端口。
- 若不在表中 → 广播转发。

Learning Bridge示例

主机	MAC 地址	端口
H1	00:AA:11:22:33:44	1
H2	00:BB:55:66:77:88	2

桥接器自动学习，无需人工配置。

六、二层交换机（L2 Switch）

概念

二层交换机是学习桥的优化版本：

不再广播所有帧，而是直接转发给目标端口。
使用 MAC 地址表维护主机到端口映射。
连接相同类型的数据链路（如多个以太网端口）。

自动学习

交换机自动学习主机位置，无需人工干预。二层交换机属于无路由功能设备，所有连接的主机处于同一广播域。

七、三层交换机 / 路由器（L3 Switch / Router）

路由器功能

连接不同类型的网络（以太网、Wi-Fi、PPP等）。
在网络层（IP 层）操作，基于 IP 前缀进行转发。
构建异构网络互联结构（Internetwork）。

转发表

维护一个从 “IP前缀 → 端口” 的映射表，用于包转发。

表的维护

与二层的“学习”不同，三层的路由表通常通过控制平面协议（如 BGP、OSPF、RIP）维护。

八、网络互联的核心机制（Internetwork Characteristics）

功能	作用	举例
Spanning Tree（生成树）	消除二层环路，形成逻辑无环拓扑	STP 协议
Broadcast & Multicast	支持广播与组播机制	ARP 请求、视频组播
Fragmentation & Reassembly	跨不同 MTU 网络时拆分/重组数据包	IPv4 分片
ARP（地址解析协议）	在局域网内解析 IP ↔ MAC 映射	“谁有 192.168.1.5？”

九、生成树协议（Spanning Tree Protocol, STP）

目标

防止桥接环路导致广播风暴。

工作原理

每个交换机起初都认为自己是 Root。
相互交换 BPDU 消息（Bridge Protocol Data Units）。
根据 Bridge ID（优先级 + MAC 地址）选出唯一的 Root。
每台交换机记录到 Root 的最短路径，屏蔽冗余链路。

示例（讲义中的过程）

S3 收到 (S2, 0, S2)，认为 S2 更优 → 接受 S2 为根。
S2 再接受 S1 为根 → 发送 (S1, 1, S2)。
最终全网确定 S1 为根桥（Root Bridge）。

十、广播与多播（Broadcast & Multicast）

广播（Broadcast）

向除输入端口外的所有端口发送帧。
用于：
- ARP 请求
- DHCP Discover
- 局域网发现

组播（Multicast）

只发送给加入特定组的主机端口。
交换机会维护“组播组 → 端口列表”的映射表。

常见应用：视频会议、IPTV、分布式数据库同步。

十一、分片与重组（Fragmentation & Reassembly）

背景

不同网络技术（PPP、Ethernet、Wi-Fi）有不同的 MTU（最大传输单元）。

机制

当 IP 包大于 MTU 时，必须分片（fragmentation）。
目标主机在接收后重组（reassembly）为完整包。

优化

现代网络通常通过 Path MTU Discovery (PMTUD) 避免分片：

探测路径上最小 MTU。
让发送方直接调整包大小。

十二、地址解析协议（ARP）

功能

将 IP 地址解析为物理 MAC 地址，用于局域网通信。

过程

主机维护 ARP 表，保存 (IP, MAC) 对。
若目标 IP 不在表中：
- 广播查询：Who has 192.168.1.10?
- 目标主机响应：I have 192.168.1.10 → MAC 58:23:D7:FA:20:B0
- 发送方缓存结果。

ARP示例

IP 地址	MAC 地址
192.168.1.5	00:AA:BB:CC:DD:EE
192.168.1.10	58:23:D7:FA:20:B0

十三、IP 数据报转发实例（Datagram Forwarding in IP）

示例一：H1 → H2（同网段）

H1 广播 ARP 请求 H2 的 IP。
R1 收到但丢弃（非目标网段）。
H2 回复 MAC 地址。
H1 向 H2 直接发送 IP 包（目的 MAC 为 H2）。

示例二：H1 → H3（跨网段）

H1 广播 ARP 查询 H3。
H2 丢弃，R1 转发到 H3。
H3 回复，路径建立。
H1 发送包时：
- 目的 IP = H3
- 目的 MAC = R1（网关）

路由器负责跨网络转发，而非交换机。

总结

层级	设备	功能	学习/控制
L1	Repeater	信号放大	无
L2	Bridge / Switch	同类网络互联	自动学习
L3	Router	异构网络互联	协议维护（BGP/OSPF）

网络的核心在于分层互联：从物理信号传输 → 局域网数据交换 → 全球互联网路由。

补充理解与延伸

为什么要有多层设备？

网络规模越大，广播域问题越严重。分层设备让网络更可扩展、可控、可隔离。

“学习型”与“非学习型”的本质差异

二层设备通过数据流量被动学习拓扑。三层设备通过控制协议主动同步路由表。

ARP 与 IP 的关系

ARP 是连接 IP 层与 MAC 层的粘合剂。若 ARP 表缓存错误或失效，会导致通信中断。

参考资料

RFC 826: ARP Protocol Specification
RFC 791: Internet Protocol
[IEEE 802.1D: Spanning Tree Protocol]

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