10.1.2　局域网互连

局域网用网桥互连。IEEE 802标准中有两种关于网桥的规范：一种是透明网桥，另一种是源路由网桥。本节首先介绍网桥协议的体系结构，然后分别介绍两种IEEE802网桥的原理。

1．网络协议体系结构

在IEEE 802体系结构中，站地址是由MAC子层协议说明的，网桥在MAC子层起中继作用。

假设由一个网桥连接的两个LAN的情况，这两个LAN运行相同的MAC和LLC协议。当MAC帧的目标地址和源地址属于不同的LAN时，该帧被网桥捕获、暂时缓存，然后发送到另一个LAN，当两个站之间有通信时，两个站中的对等LLC实体之间就有对话，但是网桥不需要知道LLC地址，网桥只传输MAC帧。

MAC中继桥的概念并不限于用一个网桥连接两个邻近的局域网。如果两个局域网相距较远，可以用两个网桥分别连接一个局域网，两个网桥之间再用通信线路相连。

假设两个网桥之间用点对点线路连接的情况，当一个网桥捕获了目标地址为远端LAN的帧时，就在此帧上加上数据链路层（如PPP）的帧头和帧尾，并把它发送到远端的另一个网桥，目标网桥剥掉数据链路层字段使其恢复为原来的MAC帧，这样，MAC帧就最后到达目标站。

在简单情况下，网桥的工作只是根据MAC地址决定是否转发帧；但是在更复杂的情况下，网桥必须具有路由选择的功能。特别是当一个网桥连接两个以上网络时，不但要决定是否转发，还要决定转发到哪个LAN上去。

为了对网桥的路由选择提供支持，MAC层地址最好分成网络地址部分和站地址部分两部分。IEEE 802.5标准建议：16位的MAC地址应分为7位的LAN编号和8位的工作站编号，48位的MAC地址应分为14位的LAN编号和32位的工作站编号，其余的1位或2位用于区分组地址/单地址，以及局部地址/全局地址。

在网桥中使用的路由选择技术可以是固定路由技术，像网络层使用的一样，每个网桥中存储一张固定的路由表，网桥根据目标站地址，查表选取转发的方向，选取的原则可以是某种既定的最短通路算法。当然，在网络配置改变时路由表要重新计算、重新配置。

固定式路由策略适合小型和配置稳定的互联网。除此之外，IEEE 802委员会开发了两种路由策略规范：IEE E802.1发布的标准是基于生成树算法，可实现透明网桥；伴随IEEE 802.5标准的是源路由网桥规范。下面介绍这两种标准。

2．生成树网桥

生成树（Spanning Tree）网桥是一种完全透明的网桥，这种网桥插入电缆后就可以自动完成路由选择功能，无需由用户配置路由表或设置参数，网桥的功能是自己学习获得的。下面从帧转发、地址学习和环路分解三个方面介绍这种网桥的工作原理。

（1）帧转发

网桥为了能够决定是否转发一个帧，必须为每个转发端口保存一个转发数据库，该数据库中保存着必须通过该端口转发的左右站的地址。假设网桥从端口X收到一个MAC帧，则它按以下步骤进行路由决策。

①查找除X端口之外的其他转发数据库；如果没有发现目标地址，则丢弃帧。

②如果在某个端口Y的转发数据库中发现目标站地址，并且Y端口没有阻塞，则把收到的MAC帧从Y端口发送出去。

③若Y端口阻塞，则丢弃该帧。

（2）地址学习

以上转发方案假设网桥已经安装入了转发数据库。如果采用静态路由策略，转发信息可以预先装入网桥。还有一种更有效的自动学习机制，可以使网桥自己学习并建立合适的转发数据库。获取转发信息的一种简单方案利用了MAC帧中源地址字段，下面介绍这种学习机制。

如果一个MAC帧从某个端口到达网桥，显然它的源工作站处于网桥的入口LAN一边，从帧的源地址字段可以知道该站的地址，于是网桥就据此更氣相应端口的转发数据库。为了应付网络拓扑结构的改变，转发数据库的每一数据项（站地址）都配备一个定时器，当一个新的数据加入数据库时，定时器复位；如果定时器超时，则该数据项被删除，从而相应传输方向的信息失效。每当接收到一个MAC帧时，网桥就取出源地址字段并査看该地址是否在数据库中，如果已在数据库中，则对应的定时器复位，在方向改变时可能还要更新该数据项；如果地址不在数据库中，则生成一个新的数据项并配置定时器。

（3）环路分解——生成树算法

以上介绍的学习算法适用于互联网为树形拓扑结构的情况，即网络中没有环路，任意两个站点之间只有唯一的通路。当互联网中出现环路时，这种方法就失效了。

在环路网络中，会引起网桥之间的循环转发，由此破坏了网桥的数据库，使得网桥无法获得正确的转发信息，克服这个问题的思路就是要设法消除环路，从而避免出现相互转发的情况。

这里需要一种算法，使得各个网桥之间通过交换信息自动阻塞一些传输端口，从而破坏所有的环路并导出互连网络的生成树。这种算法应该是动态的，即当网络拓扑结构改变时网桥能察觉到这种变化，并能导出新的生成树。这里假定：每一个网桥有唯一的MAC地址和唯一的优先级，地址和优先级构成网桥的标识符；假定有一个特殊的地址用于标识所有网桥；并且网桥的每一个端口有唯一的标识符，该标识符只在网桥内部有效。另外，还要建立以下概念。

·根桥：作为生成树树根的网桥，例如，可选择地址值最小的网桥作为根桥。

·通路费用：为网桥的每一个端口指定一个通路费用，该费用表示通过该端口向其连接的LAN传送一个帧的代价。两个站之间的通路可能要经过多个网桥，这些网桥的有关费用相加就构成了两站之间的通路费用。

·根端口：每一个网桥与根通路相连接的端口。

·指定桥：每一个LAN有一个指定桥，这是在该LAN上提供最小费用根通路的网桥。

·指定端口：每一个LAN的指定桥连接该LAN的端口为指定端口，对于直接连接根桥的LAN，根桥就是指定桥，连接根桥的端口即为指定端口。

根据以上建立的概念，生成树算法可采用以下步骤。

①确定一个根桥。

②确定其他网桥的根端口。

③每一个LAN确定一个唯一的指定桥和指定端口，如果有两个以上网桥的根通路费用相同，则选择优先级最高的网桥作为指定桥；如果指定桥有多个端口连接LAN，则选取标识符最小的端口为指定端口。

按照以上算法，直接连接两个LAN的网桥中只有一个作为指定桥，其他都删除掉。这就排除了任何两个LAN之间的环路。同理，以上算法也排除了多个LAN之间的环路，同时保持了连通性。

为了实现以上算法，网桥之间要交换信息。这种信息以网桥协议数据单元（BPDU）的形式在网桥之间传播。网桥发出的BPDU包括该网桥的地址标识符和端口标识符、该网桥认为可以作为根桥的地址标识符以及该网桥的根通路费用。

开始时每个网桥都申明自己是根桥并把以上信息广播给所有与它相连的LAN上的网桥。在每一个LAN上只有一个地址值最小的标识符，只有该网桥可以坚持自己的声明，其他网桥则放弃自己的声明，并根据收到的信息确定自己的根端口，重新计算根通路费用。当这种BPDU在整个互连网络中传播时，所有网桥可最终确定一个根桥，其他网桥据此计算自己的根端口和根通路。在同一个LAN上连接的各个网桥还需根据自己的根通路费用确定唯一的指定桥和指定端口。显然，这个过程要求在网桥之间多次交换消息，自认为是根桥的那个网络不断广播自己的声明。

只有指定桥的指定端口可转发信息，其他网桥的端口都必须阻塞起来。在生成树建立起来以后，网桥之间还必须周期地转发BPDU，以适应网络拓扑、通路费用以及优先级改变的情况。

3．源路由网桥

生成树网桥的优点是易于安装，无需人工输入路由信息，但是这种网桥只利用了互连网络拓扑结构的一个子集，没有最佳地利用宽带。因此IEEE 802.5标准中给出了另一种网桥路由策略——源路由网桥。

源路由网桥的核心思想是由帧的发送者显式地指明路由信息。路由信息由网桥地址和LAN标识符的序列组成，包含在帧头中。每个收到帧的网桥根据帧头中的地址信息可以知道自己是否在转发路径中，并可以确定转发的方向。

在这种方案中，网桥无需保存路由表，只需记住自己的地址标识符和它所连接的LAN标识符，就可以根据帧头的信息做出路由决策。然而发送帧的工作站必须知道网络的拓扑结构，了解目标站的位置，才能给出有效的路由信息。在IEEE 802.5标准中有多种路由寻址模式用于解决源站获取路由信息的问题。

按照IEEE 802.5的方案，帧头中必须有一个指示表明路由选择的方式，路由指示有以下4种。

·空路由指示：不指示路由选择方式。所有网桥不转发这种帧，故只能在同一个LAN上的源站和目标站之间传送。

·非广播指示：这种帧中包含了LAN标识符和网桥地址的序列。帧只能沿着预定路径经各网桥转发到目标站，目标站只收到该帧的一个复制，这种帧只能在已知路由的情况下发送。

·全路径广播指示：这种帧通过所有可能的路径到达所有的LAN，在有些LAN上可能多次出现。所有网桥都向远离源站的方向转发帧，目标站会收到来自不同路径的多个复制。

·单路径广播指示：这种帧在所有LAN上出现一次并且只出现一次，目标站只收到一个复制。

·路由指示和MAC寻址模式有一定的关系。寻址模式有以下3种。

·单播地址：指明唯一的目标地址。

·组播地址：指明一组工作站的地址。

·广播地址：表示所有站。