一文详解冲突域与广播域

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一文详解冲突域与广播域
P1.冲突域与广播域
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1 什么是冲突域

“冲突”是指网络中传输的两段及两段以上电平信号出现互相干扰的现象,而“域”当然是指一片区域、一个特定范围,所以“冲突域”的本真解释就是数据信号发生碰撞冲突的区域及能影响到的范围。注意,这里的数据信号指的是 OSI 参考模型中的物理层概念——比特流。

2 为什么会出现信号冲突

一文详解冲突域与广播域
P2.共享式网络/总线型网络
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在早期的共享式网络(总线型网络,见上图2)中,因为共享同一信道,不同的主机同时发送数据时,信号间会相互干扰,出现信号冲突的问题。为了解决这一问题,引入了 载波监听多路访问/冲突检测技术(Carrier Sense Multiple Access/Collision DetectionCSMA/CD)。

2.1 CSMA/CD工作过程

2.1.1 终端设备不停检测共享线路的状态;

1. 如果线路空闲,可以发送数据;

2. 如果线路不空闲,则等待一段时间后继续检测(等待时间由退避算法决定);

2.1.2 如果有另一个设备同时发送数据,,两个设备发送的数据会产生冲突;

2.1.3 终端设备检测到冲突之后,马上停止发送自己的数据,并发送特殊阻塞信息,以强化冲突信号,使线路上其他站点能够尽早检测到冲突;

2.1.4 终端设备检测到冲突后,等待一段时间之后再进行数据发送(等待时间由退避算法决定);

CSMA/CD 的工作原理:先听后发,边听边发,冲突停发,随机延迟后重发。

通过引入 CSMA/CD 检测技术,虽然一定程度上能降低共享式网络中信号发生冲突的概率,但是共享式网络也会困于半双工模式这种传输效率奇差的工作模式之中了。以下,先让我们了解不同工作模式的基本概念与区别。

2.2 双工模式

双工模式、半双工、单工、全双工模式指的是设备间数据传输的工作模式。

单工模式:两台通信设备之间,数据只支持在一个方向上进行传输;

双工模式:两台通信设备之间,允许相互间传输数据;

半双工模式(half-duplex):允许两台通信设备之间的双向数据传输,但不能同时进行;

全双工模式(full-duplex):允许两台通信设备之间同时进行双向数据传输。

3 能彻底解决冲突域吗

网络传输过程中,电平信号出现相互干扰的现象是不可避免的,信号冲突只有还存在一天,冲突域就始终存在,无法完全去除。而技术不断发展、不断努力的方向是,降低信号冲突发生的概率,减小冲突域能影响到范围。

4 现代交换式网络是如何隔离冲突域的

计算机网络中有个非常伟大的思想就是分层思想,将下层无法处理的问题抛给上层去解决。在隔离冲突域这个问题上也是如此处理的。因为信号冲突问题发生在物理层,所以能否在二层——数据链路层对冲突域进行有效隔离呢?

没错,此刻万众瞩目的交换机闪亮登场了。相比于工作在物理层的 Hub 集线器(无脑泛洪),交换机具有更加强大的功能:

  • 默认全双工工作模式,数据发送和数据接收信道互相独立;(可参考《一文详解网线直通线、交叉线的制作标准、用途、区别及各线芯引脚功能》一文中交换机不同引脚功能信息);
  • 数据链路层引入 MAC 地址、帧尾 FCS 检验 等功能,交换机接收到数据后会先进行完整性校验,然后根据 MAC 地址表从特定的端口将数据转发出去。

基于上述功能特性,所有发生信号冲突的数据碎片,在交换机上即被过滤丢弃了,再也不会影响到全网了,有效的减小了冲突域。

集线器(Hub)上连的所有端口属于同一个冲突域;

二层交换设备能够隔离冲突域,交换机(Switch)的每一个端口是一个冲突域。

5 什么是广播域

如果设备发出一个广播信号(二层帧泛洪),所有能够接收到这个信号的设备范围称为一个广播域。注意,此处的广播信号指的是 OSI 参考模型第二层数据链路层中的 数据帧 Frame

6 如何隔离广播域

和隔离冲突域一样的思路,本层/下层无法处理的问题抛给上层去解决。因为广播问题是二层数据帧产生的,所以给工作在三层网络层中的路由器直接定义了这样一项规则——路由器不转发广播流量。嗯,就是这么的朴实无华,路由器不转发了,广播流量到此为止。

三层路由设备能够隔离广播域,路由器(Router)的每个端口就是一个广播域。

7 扩展:什么是共享式网络和交换式网络

共享式网络常见于早期网络,使用同轴电缆 或者 Hub 组网,常见网络结构为总线型网络,网络中的所有设备同处于一个大的冲突域,信号冲突极易发生,所以需要引入 CSMA/CD 技术用于保证数据有序发送。

交换式网络是当前主流网络,使用双绞线、光纤等组网,常见网络结构有星型、树型、全连接型、部分连接型等,网络中交换设备的每个端口都是一个小小的冲突域,冲突域数量增多,但单个冲突域影响范围减小,降低了信号冲突发生概率,不再使用 CSMA/CD 技术进行冲突检测。

正文完
 
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