Ethernet/802.3网络的设计考虑因素
本套教程为系列教程，《思科LAN交换和无线技术教程》，每天一节课程2.1.2Ethernet/802.3网络的设计考虑因素
本节将介绍适用于中小企业分层网络设计的以太网设计准则。本节重点介绍广播域和冲突域，以及两者对LAN设计的影响。
1．带宽和吞吐量
以太网802.3网络的主要缺点是冲突。当两台主机同时传送帧时，冲突就会发生。当冲突发生时，传送的帧可能遭到干扰或破坏。发送主机将根据以太网802.3的CSMA/CD规则在一段随机的时间内停止发送后续帧。
由于以太网无法控制在任意时刻哪个节点将进行发送，因此当多个节点试图获得网络的访问权时，就会发生冲突。以太网不会立即解决冲突。此外，涉及冲突的节点要在问题解决之后才能开始传送。随着更多设备添加到共享介质，冲突的可能性也随之上升。因此，虽然我们说以太网络的带宽为10Mbit/s，但实际上只有在所有冲突都已解决之后，才可利用全部带宽来传输流量。当需要使用网络的节点数量增加时，节点端口的网络吞吐量（有效传送的平均数据量）将随之明显降低。集线器没有提供消除或减少这些冲突的机制，任何节点赖以传输的可用带宽将相应减少。因此，共享以太网络的节点数量将影响网络的吞吐量或效率。
2．冲突域
扩大以太网LAN以容纳更多用户时，将产生更高的带宽需求，发生冲突的可能性会增加。要减少特定网段上的节点数量，可以创建单独的物理网段，这被称为冲突域，如图2-5所示。
冲突域是指发出的帧可能产生冲突的网络区域。所有共享介质环境（例如使用集线器创建的介质环境）都是冲突域。当主机连接到交换机端口时，交换机将创建一条专用连接。因为相关流量与所有其他流量分离，消除了冲突的可能性，此连接被视为独立冲突域。图2-5中显示了交换环境中所划分的独立的冲突域。例如，如果一台12端口交换机的每个端口上都连接了设备，则将形成12个冲突域。
前述可知，交换机通过学习与其每个端口相连的主机的MAC地址来构建MAC地址表。当两台连接的主机需要相互通信时，交换机使用交换表来建立端口之间的连接。该电路将一直保留至会话终止。在图2-5中，主机A和主机B希望相互通信。交换机创建称为微分段的连接。微分段的行为就好像网络只有两台主机，一台主机发送，另一台接收，从而实现可用带宽的最大利用率。
交换机为每个网段提供专用带宽，因此减少了网段上的冲突，并提高了网段上的带宽使用率。
图2-5冲突域
3．广播域
虽然交换机基于MAC地址过滤大多数帧，但是它们不过滤广播帧。相连交换机的集合构成了一个广播域。只有第3层实体，如路由器或虚拟局域网（VLAN）才能阻隔第3层的广播域。路由器和VLAN用于分割冲突域和广播域。使用VLAN分割广播域将在下一章讨论。
当设备希望发出第2层广播时，帧中的目的MAC地址将设置为全1。在将目的地设置为此值后，所有设备都会接受并处理该广播帧。
第2层广播域称为MAC广播域。当一台主机向LAN上的所有其他机器发送帧广播时，LAN上收到该帧广播的所有设备即构成了MAC广播域。
当交换机收到广播帧时，它将该帧转发到自己的每一个端口（接收该广播帧的传入端口除外）。每一个连接的设备识别该广播帧，并处理该帧。由于部分带宽用于传播广播流量，所以会导致网络效率下降。当两台交换机相连时，广播域扩大。
4．网络延时
延时是一个帧或一个数据包从源工作站到达最终目的地所用的时间。网络应用程序用户对延时的体验是，必须等待很长时间才能访问存储在数据中心中的数据，或者网站需要很长时间才能加载到浏览器。延时至少有3个来源。
第一，源网卡在导线上发送电压脉冲需要时间，而目的网卡解释这些脉冲也需要时间。这有时称为网卡延迟。
第二，信号在电缆上传输需要时间，因此存在实际的传播延迟。通常情况下，5类UTP 的传播延迟为每百米0.556毫秒。电缆越长，标称传播速度（NVP）越低，则传播延迟越长。
第三，当两台设备之间的路径中网络设备增加时，延时也会随之延长。这些设备可以是第1层设备、第2层设备，或者第3层设备。
延时不单单取决于设备的距离和数量。例如，如果用3台配置正确的交换机分隔两台计算机，那么这两台计算机遇到的延时将比用两台配置正确的路由器分隔时低。这是因为路由器要执行更复杂、更耗时的功能。例如，路由器必须分析第3层数据，而交换机只需要分析第2层数据。由于第2层数据在帧结构中早于第3层数据出现，因此交换机可更快地处理帧。通过采用专用集成电路（ASIC）来为多种网络任务提供硬件支持，交换机还支持语音、视频和数据网络的高传输速率。基于端口的内存缓冲、端口级QoS以及拥塞管理等其他交换机功能也有助于降低网络延时。
基于交换机的延时还可能是因为交换结构负担过度造成的。很多入门级交换机没有足够的内部吞吐量来同时管理所有端口上的全部带宽容量。交换机需要能够管理网络上预期的高峰数据量。随着交换技术的不断改进，交换机造成的延时将不再是问题。交换LAN中网络延时的主导原因更大程度上还是在于传输的介质、使用的路由协议以及在网络上运行的应用程序的类型。
5．网络拥塞
将LAN分割成多个更小部分的主要原因是为了隔离流量以及使每位用户更好地利用带宽。如果没有分段，LAN很快就会被流量和冲突堵塞。图中所示的网络由于包含多台基于集线器的节点设备，因此很容易拥塞。网络拥塞最常见的原因包括以下几种。
计算机和网络技术的功能日益强大。现在的CPU、总线和外围设备比早期的LAN 中所使用的同类设备更快、更强大，因此，它们通过网络发送数据的速率更快，并且处理数据的速率也更高。
网络流量日益增加。网络通信现在更加普遍，因为执行基本工作需要远程资源。此外，广播报文（例如ARP发出的地址解析查询）可能对最终工作站和网络性能有不利影响。
高带宽应用程序。软件应用程序的功能越来越丰富，需要的带宽也越来越多。桌面出版、工程设计、视频点播（VoD）、电子学习（e-learning）和视频流都需要相当高的处理能力和速度。
6．传统的LAN段
使用路由器和交换机把LAN分段为大量更小的冲突域和广播域。以前使用网桥，但在现代交换LAN中很少看到这种网络设备。图2-6所示的是把LAN交换分段为4个冲突域。
图2-6传统网络分段
图2-6中的广播域跨越整个网络。
虽然网桥和交换机有很多相同的特性，但是这两种技术也有很多明显的区别。网桥通常用于将LAN分割为少数几个更小的网段。而交换机通常用于将大型 LAN 分割成很多更小的网段。网桥只有极少的端口用于LAN连接，而交换机则有很多。
虽然LAN交换机缩小了冲突域的规模，但是连接到交换机的所有主机仍都处于同一个广播域中。由于默认情况下，路由器不转发广播流量，因此它们可用于创建广播域。用路由器创建更多更小的广播域将减少广播流量，如图2-7所示，并为单播通信提供更多可用带宽。每个路由器接口都连接到单独的网络，广播流量的范围仅限于发出该广播的LAN网段内。
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