第2章
如何构建一个数据通信网络

通 过第1章的介绍，读者会对什么是数据通信有一个抽象的理解。本章以“如何构建一个数据通信网络”为主线，介绍数据通信网络的基本构成，串联讲解关键的数据通信产品和技术，同时以园区网络、数据中心网络、广域网络为例，介绍几个典型的数据通信网络。希望通过前两章的介绍，能够让读者对数据通信建立从抽象到具象的概要性认知。

2.1 交换式局域网的构建

为了让读者了解数据通信网络的基本原理，本节将介绍如何从两台计算机互连开始，逐步构建一个交换式局域网，并在这个过程中介绍数据通信网络的常见设备、演进过程及关键技术等。

2.1.1 简单的共享式局域网

1.两台计算机互连，最简单的办法是什么？——用一根网线直连

在数据通信网络诞生之前，计算机都是单机运行，计算机之间的数据传送共享主要靠软盘、光盘等介质。如果把两台计算机用一根网线（如双绞线）连接起来，就可以共享两台计算机的计算和存储等资源，这其实就构建了一个最简单的局域网，如图2-1所示。

但是仅用网线把两台计算机连接起来是不够的，两台计算机之间的通信还需要网卡、协议栈的配合。网线、网卡、协议栈一起构成了最小单元网络的基础。网线提供物理介质，承载数据流，类似电话线承载语音流。网卡进行数据处理，例如将计算机磁盘上的数据转换为网线上的数据流等。协议栈作为计算机之间通信的协议，完成通信过程中的数据解析、寻址、流控制等。

如图2-2所示，如果要在计算机1和计算机2之间传输信息，就需要从计算机1开始，经过应用层、传输层、网络层、链路层、物理层，把消息逐层封装并发送，计算机2收到信息后，反方向逐层解封装，得到原始信息。

2.线缆的传输距离不能太远怎么办？——用中继器

线缆的传输距离是有上限的，例如在网络综合布线规范中，明确要求双绞线的传输距离不能超过90 m，链路总长度不能超过100 m。这是因为双绞线使用铜线作为传输介质，数据信号在双绞线上传输时会受到电阻、电容及串扰的影响，产生衰减和畸变。随着线缆长度的增加，衰减和畸变也随之增加。当信号的衰减或者畸变达到一定的程度，接收方的设备将无法准确解析出原有的数据信号。

如图2-3所示，当两台计算机之间的距离超过了线缆在物理上的传输距离上限时，可以考虑使用中继器。中继器是一种物理设备，能够对信号进行增强和中继，从而实现远距离的数据传输。它的功能是将信号放大以后重新输出，不进行其他的数据控制，也无法识别链路层的MAC地址和网络层的IP地址。

3.网络需要扩展，中继器的端口不够用怎么办？——用集线器（Hub）

中继器只能实现网络的远距离连接，但是无法进一步扩大网络的规模。如果用户希望更多的主机联网，就可以使用一种局域网发展初期常用的设备：集线器，英文名称为Hub。

Hub在英文里有某种活动中心的含义，还可以表示车轮的轮毂。如图2-4所示，集线器在中心通过多根网线连接到计算机，这与轮毂在中心通过多根辐条连接到轮辋是非常类似的。所以，当初给集线器命名的人，应该是想表达它是局域网的中心的意思，所以使用Hub这个英文名称是非常准确和形象的。

集线器可以理解成一种多端口的中继器，也工作在物理层，它能够对信号进行放大，从任意端口收到的数据，都会被发送到其他所有的端口。在计算机网络发展的初期，集线器发挥了重要的作用，它可以扩展网络的规模，真正使计算机通信从“1对1”走向“多对多”。

以集线器为核心构建的网络是共享式局域网的典型代表。在这种局域网中，所有计算机共享带宽，同一时刻只能由一台计算机发送数据，多台计算机发送数据就会产生冲突，所有的计算机都在一个冲突域中。为了避免数据冲突，IEEE定义了载波侦听多址访问/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD）协议，即在每个主机要发送数据之前，都会检测信道是否空闲，如果空闲则发送，否则就等待。

2.1.2 从“共享”走向“交换”

1.集线器有广播风暴，且效率低、不安全，怎么办？——用网桥（Network Bridge）

集线器的工作机制是从一个端口接收到数据以后，将其转发给其他所有端口。集线器并不知道数据是发给谁的，只是机械地广播出去，让计算机自行处理。

这种工作机制会产生一系列的问题：首先是安全问题，任何数据都广播发送给了所有人，这让网络监听成了相当容易的事情，也极易造成信息泄露；其次是效率问题，所有数据都以广播方式发送出去，因此所有计算机都会收到大量与自己无关的数据，而这些数据又实实在在地占用了网络的带宽，导致网络的利用率非常低下，这就是常说的“广播风暴”问题。

为了解决安全和效率的问题，在这一阶段可使用一个过渡性的产品：网桥。网桥又称为桥接器，它工作在链路层，这一点与集线器不同，集线器只能识别物理层上的信息，而网桥能识别链路层的信息。

在以太网构建的局域网上，最终的寻址是以链路层的MAC地址作为唯一标识的。如图2-5所示，网桥能从收到的数据报文中提取源MAC地址信息，并且根据目的MAC地址信息对数据报文进行有目的的转发，而不采用广播的方式发送。

网桥的出现实现了两个局域网的桥接，也可以把一个大的局域网分隔成两个小的局域网，这在一定程度上缓解了广播域和冲突域的问题，提升了整个网络的安全性和效率。但是随着硬件技术的进步，网桥很快被交换机代替。

2.网络需要进一步扩展，网桥的端口不够用怎么办？——用交换机（Switch）

网桥一般只有2个端口，可以桥接两个局域网，或者把一个大的局域网隔离成两个小的局域网。如果想进一步扩大局域网的规模，用网桥就无法实现。于是，科研人员在网桥的基础上进一步延伸和升级，就形成了二层交换机，如图2-6所示。

相对于网桥，二层交换机增加了端口数量，确保每个主机都在一个独立的冲突域中，从而大大提升了局域网的带宽利用率；同时，二层交换机一般采用专用的专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）硬件芯片进行高速转发，显著提升了转发性能。交换机的出现解决了集线器冲突域的问题，使以太网从“共享式”时代步入了“交换式”时代。同时，随着硬件水平的发展，交换机的端口密度和转发性能也在快速发展，交换机逐渐替代了集线器、网桥等产品，成为构建局域网的最重要、最常见的网络设备之一。

2.1.3 如何解决广播域的问题

二层交换机虽然解决了冲突域的问题，但是仍然不能分割广播域。然而在TCP/IP协议栈进行通信时，广播或组播类型的协议报文，如地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）报文、动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）报文等，会被广泛使用。如果整个网络只有一个广播域，一旦发出广播报文，就会传遍整个网络，这样不仅会影响网络带宽，还会给网络中的主机带来额外的负担。虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）技术的出现解决了分割广播域的问题，如图2-7所示。

VLAN是将一个局域网在逻辑上划分成多个广播域的通信技术。每个VLAN是一个独立广播域，VLAN内的主机之间可以直接通信，而VLAN之间则不能直接互通，这样广播报文就被限制在一个VLAN内。VLAN技术具备以下优点。

● 限制广播域：广播域被限制在一个VLAN内，节省了带宽，并提高了网络处理能力。

● 增强局域网的安全性：不同VLAN内的广播报文在传输时相互隔离，即一个VLAN内的用户不能和其他VLAN内的用户直接通信。

● 提高了网络的健壮性：故障被限制在一个VLAN内，该VLAN内的故障不会影响其他VLAN的正常工作。

● 灵活构建虚拟工作组：用VLAN可以将不同的用户划分到不同的工作组，同一工作组的用户也不必局限于某一固定的物理范围，这使得网络构建和维护更方便、灵活。

2.1.4 通信从“一对一”走向“多对多”会发生什么

我们再回头看一下最初的两台计算机互连的情况，我们能直观地想到用一根网线直连。但是当通信从“一对一”走向“多对多”的情况下，如果继续沿用这种思维模式，就需要将多个用户两两互连，每一对用户之间都需要一条线路。这样会导致组网的成本太高，更无法实现远距离、大规模的组网。这种情况下就需要引入交换节点，以减少互连、降低成本，如图2-8所示。

假如有100个用户需要通信，如果两两互连，则需要（100×99）÷ 2=4950条线路。如果引入1个交换节点，则100个用户通信只需要100条线路。

如图2-9所示，如果想进一步扩大网络的规模，实现远距离组网，则可以考虑在各自网络的中心设置交换节点，以最大限度地减少物理线路的部署成本。这也是构建现代大规模网络的基本思路，前文中提到的集线器、交换机等产品可以理解成一个交换节点。这种思路体现了当通信从“一对一”走向“多对多”的时候，引入交换机制的必要性。