詳解路由器與交換機(jī)的工作原理
詳解路由器與交換機(jī)的工作原理
路由器和交換機(jī)都是我們生活中常用的互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)的連接設(shè)備，想必對(duì)于很多新手來講都不是很了解這兩種設(shè)備的工作原理，下面是學(xué)習(xí)啦小編整理的一些關(guān)于路由器與交換機(jī)的工作原理的相關(guān)資料，供你參考。
詳解路由器與交換機(jī)的工作原理
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)往往由許多種不同類型的網(wǎng)絡(luò)互連連接而成。如果幾個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)只是在物理上連接在一起，它們之間并不能進(jìn)行通信，那么這種“互連”并沒有什么實(shí)際意義。因此通常在談到“互連”時(shí)，就已經(jīng)暗示這些相互連接的計(jì)算機(jī)是可以進(jìn)行通信的，也就是說，從功能上和邏輯上看，這些計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)組成了一個(gè)大型的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，或稱為互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，也可簡(jiǎn)稱為互聯(lián)網(wǎng)、互連網(wǎng)。
將網(wǎng)絡(luò)互相連接起來要使用一些中間設(shè)備(或中間系統(tǒng))，ISO的術(shù)語稱之為中繼(relay)系統(tǒng)。根據(jù)中繼系統(tǒng)所在的層次，可以有以下五種中繼系統(tǒng)：
1.物理層(即常說的第一層、層L1)中繼系統(tǒng)，即轉(zhuǎn)發(fā)器(repeater)。
2.數(shù)據(jù)鏈路層(即第二層，層L2)，即網(wǎng)橋或橋接器(bridge)。
3.網(wǎng)絡(luò)層(第三層，層L3)中繼系統(tǒng)，即路由器(router)。
4.網(wǎng)橋和路由器的混合物橋路器(brouter)兼有網(wǎng)橋和路由器的功能。
5.在網(wǎng)絡(luò)層以上的中繼系統(tǒng)，即網(wǎng)關(guān)(gateway).
當(dāng)中繼系統(tǒng)是轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，一般不稱之為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，因?yàn)檫@僅僅是把一個(gè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了，而這仍然是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。高層網(wǎng)關(guān)由于比較復(fù)雜，目前使用得較少。因此一般討論網(wǎng)絡(luò)互連時(shí)都是指用交換機(jī)和路由器進(jìn)行互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。本文主要闡述交換機(jī)和路由器及其區(qū)別。
交換機(jī)和路由器
“交換”是今天網(wǎng)絡(luò)里出現(xiàn)頻率最高的一個(gè)詞，從橋接到路由到ATM直至電話系統(tǒng)，無論何種場(chǎng)合都可將其套用，搞不清到底什么才是真正的交換。其實(shí)交換一詞最早出現(xiàn)于電話系統(tǒng)，特指實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同電話機(jī)之間話音信號(hào)的交換，完成該工作的設(shè)備就是電話交換機(jī)。所以從本意上來講，交換只是一種技術(shù)概念，即完成信號(hào)由設(shè)備入口到出口的轉(zhuǎn)發(fā)。因此，只要是和符合該定義的所有設(shè)備都可被稱為交換設(shè)備。由此可見，“交換”是一個(gè)涵義廣泛的詞語，當(dāng)它被用來描述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)第二層的設(shè)備時(shí)，實(shí)際指的是一個(gè)橋接設(shè)備;而當(dāng)它被用來描述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)第三層的設(shè)備時(shí)，又指的是一個(gè)路由設(shè)備。
我們經(jīng)常說到的以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)際是一個(gè)基于網(wǎng)橋技術(shù)的多端口第二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它為數(shù)據(jù)幀從一個(gè)端口到另一個(gè)任意端口的轉(zhuǎn)發(fā)提供了低時(shí)延、低開銷的通路。
由此可見，交換機(jī)內(nèi)部核心處應(yīng)該有一個(gè)交換矩陣，為任意兩端口間的通信提供通路，或是一個(gè)快速交換總線，以使由任意端口接收的數(shù)據(jù)幀從其他端口送出。在實(shí)際設(shè)備中，交換矩陣的功能往往由專門的芯片(ASIC)完成。另外，以太網(wǎng)交換機(jī)在設(shè)計(jì)思想上有一個(gè)重要的假設(shè)，即交換核心的速度非常之快，以致通常的大流量數(shù)據(jù)不會(huì)使其產(chǎn)生擁塞，換句話說，交換的能力相對(duì)于所傳信息量而無窮大(與此相反，ATM交換機(jī)在設(shè)計(jì)上的思路是，認(rèn)為交換的能力相對(duì)所傳信息量而言有限)。
雖然以太網(wǎng)第二層交換機(jī)是基于多端口網(wǎng)橋發(fā)展而來，但畢竟交換有其更豐富的特性，使之不但是獲得更多帶寬的最好途徑，而且還使網(wǎng)絡(luò)更易管理。
而路由器是OSI協(xié)議模型的網(wǎng)絡(luò)層中的分組交換設(shè)備(或網(wǎng)絡(luò)層中繼設(shè)備)，路由器的基本功能是把數(shù)據(jù)(IP報(bào)文)傳送到正確的網(wǎng)絡(luò)，包括
1.IP數(shù)據(jù)報(bào)的轉(zhuǎn)發(fā)，包括數(shù)據(jù)報(bào)的尋徑和傳送;
2.子網(wǎng)隔離，抑制廣播風(fēng)暴;
3.維護(hù)路由表，并與其他路由器交換路由信息，這是IP報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)。
4.IP數(shù)據(jù)報(bào)的差錯(cuò)處理及簡(jiǎn)單的擁塞控制;
5.實(shí)現(xiàn)對(duì)IP數(shù)據(jù)報(bào)的過濾和記帳。
路由器---所謂路由就是指通過相互連接的網(wǎng)絡(luò)把信息從源地點(diǎn)移動(dòng)到目標(biāo)地點(diǎn)的活動(dòng)。一般來說，在路由過程中，信息至少會(huì)經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)。通常，人們會(huì)把路由和交換進(jìn)行對(duì)比，這主要是因?yàn)樵谄胀ㄓ脩艨磥韮烧咚鶎?shí)現(xiàn)的功能是完全一樣的。其實(shí)，路由和交換之間的主要區(qū)別就是交換發(fā)生在OSI參考模型的第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)，而路由發(fā)生在第三層，即網(wǎng)絡(luò)層。這一區(qū)別決定了路由和交換在移動(dòng)信息的過程中需要使用不同的控制信息，所以兩者實(shí)現(xiàn)各自功能的方式是不同的。
交換機(jī)---交換(switching)是按照通信兩端傳輸信息的需要，用人工或設(shè)備自動(dòng)完成的方法，把要傳輸?shù)男畔⑺偷椒弦蟮南鄳?yīng)路由上的技術(shù)統(tǒng)稱。廣義的交換機(jī)(switch)就是一種在通信系統(tǒng)中完成信息交換功能的設(shè)備。
在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，交換概念的提出是對(duì)于共享工作模式的改進(jìn)。我們以前介紹過的HUB集線器就是一種共享設(shè)備，HUB本身不能識(shí)別目的地址，當(dāng)同一局域網(wǎng)內(nèi)的A主機(jī)給B主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)包在以HUB為架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)上是以廣播方式傳輸?shù)模擅恳慌_(tái)終端通過驗(yàn)證數(shù)據(jù)包頭的地址信息來確定是否接收。也就是說，在這種工作方式下，同一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)上只能傳輸一組數(shù)據(jù)幀的通訊，如果發(fā)生碰撞還得重試。這種方式就是共享網(wǎng)絡(luò)帶寬。
交換機(jī)擁有一條很高帶寬的背部總線和內(nèi)部交換矩陣。交換機(jī)的所有的端口都掛接在這條背部總線上，控制電路收到數(shù)據(jù)包以后，處理端口會(huì)查找內(nèi)存中的地址對(duì)照表以確定目的MAC(網(wǎng)卡的硬件地址)的NIC(網(wǎng)卡)掛接在哪個(gè)端口上，通過內(nèi)部交換矩陣迅速將數(shù)據(jù)包傳送到目的端口，目的MAC若不存在才廣播到所有的端口，接收端口回應(yīng)后交換機(jī)會(huì)“學(xué)習(xí)”新的地址，并把它添加入內(nèi)部MAC地址表中。
使用交換機(jī)也可以把網(wǎng)絡(luò)“分段”，通過對(duì)照MAC地址表，交換機(jī)只允許必要的網(wǎng)絡(luò)流量通過交換機(jī)。通過交換機(jī)的過濾和轉(zhuǎn)發(fā)，可以有效的隔離廣播風(fēng)暴，減少誤包和錯(cuò)包的出現(xiàn)，避免共享沖突。
交換機(jī)在同一時(shí)刻可進(jìn)行多個(gè)端口對(duì)之間的數(shù)據(jù)傳輸。每一端口都可視為獨(dú)立的網(wǎng)段，連接在其上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獨(dú)自享有全部的帶寬，無須同其他設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)使用。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)B可同時(shí)向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)，而且這兩個(gè)傳輸都享有網(wǎng)絡(luò)的全部帶寬，都有著自己的虛擬連接。假使這里使用的是10Mbps的以太網(wǎng)交換機(jī)，那么該交換機(jī)這時(shí)的總流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB時(shí)，一個(gè)HUB的總流通量也不會(huì)超出10Mbps。
總之，交換機(jī)是一種基于MAC地址識(shí)別，能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。交換機(jī)可以“學(xué)習(xí)”MAC地址，并把其存放在內(nèi)部地址表中，通過在數(shù)據(jù)幀的始發(fā)者和目標(biāo)接收者之間建立臨時(shí)的交換路徑，使數(shù)據(jù)幀直接由源地址到達(dá)目的地址
說明二層交換機(jī)、三層交換機(jī)和路由器的基本工作原理和三者之間的主要區(qū)別。
1.二層交換技術(shù)
二層交換機(jī)是數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備，它能夠讀取數(shù)據(jù)包中的MAC地址信息并根據(jù)MAC地址來進(jìn)行交換。
交換機(jī)內(nèi)部有一個(gè)地址表，這個(gè)地址表標(biāo)明了MAC地址和交換機(jī)端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)交換機(jī)從某個(gè)端口收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，它首先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機(jī)器是連在哪個(gè)端口上的，它再去讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找相應(yīng)的端口，如果表中有與這目的MAC地址對(duì)應(yīng)的端口，則把數(shù)據(jù)包直接復(fù)制到這端口上，如果在表中找不到相應(yīng)的端口則把數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上，當(dāng)目的機(jī)器對(duì)源機(jī)器回應(yīng)時(shí)，交換機(jī)又可以學(xué)習(xí)一目的MAC地址與哪個(gè)端口對(duì)應(yīng)，在下次傳送數(shù)據(jù)時(shí)就不再需要對(duì)所有端口進(jìn)行廣播了。
二層交換機(jī)就是這樣建立和維護(hù)它自己的地址表。由于二層交換機(jī)一般具有很寬的交換總線帶寬，所以可以同時(shí)為很多端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。如果二層交換機(jī)有N個(gè)端口，每個(gè)端口的帶寬是M，而它的交換機(jī)總線帶寬超過N×M，那么這交換機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)線速交換。二層交換機(jī)對(duì)廣播包是不做限制的，把廣播包復(fù)制到所有端口上。
二層交換機(jī)一般都含有專門用于處理數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的ASIC (Application specific Integrated Circuit)芯片，因此轉(zhuǎn)發(fā)速度可以做到非?？?。
2.路由技術(shù)
路由器是在OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層——網(wǎng)絡(luò)層操作的。
路由器內(nèi)部有一個(gè)路由表，這表標(biāo)明了如果要去某個(gè)地方，下一步應(yīng)該往哪走。路由器從某個(gè)端口收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，它首先把鏈路層的包頭去掉(拆包)，讀取目的IP地址，然后查找路由表，若能確定下一步往哪送，則再加上鏈路層的包頭(打包)，把該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去;如果不能確定下一步的地址，則向源地址返回一個(gè)信息，并把這個(gè)數(shù)據(jù)包丟掉。
路由技術(shù)和二層交換看起來有點(diǎn)相似，其實(shí)路由和交換之間的主要區(qū)別就是交換發(fā)生在OSI參考模型的第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)，而路由發(fā)生在第三層。這一區(qū)別決定了路由和交換在傳送數(shù)據(jù)的過程中需要使用不同的控制信息，所以兩者實(shí)現(xiàn)各自功能的方式是不同的。
路由技術(shù)其實(shí)是由兩項(xiàng)最基本的活動(dòng)組成，即決定最優(yōu)路徑和傳輸數(shù)據(jù)包。其中，數(shù)據(jù)包的傳輸相對(duì)較為簡(jiǎn)單和直接，而路由的確定則更加復(fù)雜一些。路由算法在路由表中寫入各種不同的信息，路由器會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包所要到達(dá)的目的地選擇最佳路徑把數(shù)據(jù)包發(fā)送到可以到達(dá)該目的地的下一臺(tái)路由器處。當(dāng)下一臺(tái)路由器接收到該數(shù)據(jù)包時(shí)，也會(huì)查看其目標(biāo)地址，并使用合適的路徑繼續(xù)傳送給后面的路由器。依次類推，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)最終目的地。
路由器之間可以進(jìn)行相互通訊，而且可以通過傳送不同類型的信息維護(hù)各自的路由表。路由更新信息主是這樣一種信息，一般是由部分或全部路由表組成。通過分析其它路由器發(fā)出的路由更新信息，路由器可以掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。鏈路狀態(tài)廣播是另外一種在路由器之間傳遞的信息，它可以把信息發(fā)送方的鏈路狀態(tài)及進(jìn)的通知給其它路由器。
3.三層交換技術(shù)
一個(gè)具有第三層交換功能的設(shè)備是一個(gè)帶有第三層路由功能的第二層交換機(jī)，但它是二者的有機(jī)結(jié)合，并不是簡(jiǎn)單的把路由器設(shè)備的硬件及軟件簡(jiǎn)單地疊加在局域網(wǎng)交換機(jī)上。
從硬件上看，第二層交換機(jī)的接口模塊都是通過高速背板/總線(速率可高達(dá)幾十Gbit/s)交換數(shù)據(jù)的，在第三層交換機(jī)中，與路由器有關(guān)的第三層路由硬件模塊也插接在高速背板/總線上，這種方式使得路由模塊可以與需要路由的其他模塊間高速的交換數(shù)據(jù)，從而突破了傳統(tǒng)的外接路由器接口速率的限制。在軟件方面，第三層交換機(jī)也有重大的舉措，它將傳統(tǒng)的基于軟件的路由器軟件進(jìn)行了界定。
其做法是：
對(duì)于數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)：如IP/IPX包的轉(zhuǎn)發(fā)，這些規(guī)律的過程通過硬件得以高速實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于第三層路由軟件：如路由信息的更新、路由表維護(hù)、路由計(jì)算、路由的確定等功能，用優(yōu)化、高效的軟件實(shí)現(xiàn)。
假設(shè)兩個(gè)使用IP協(xié)議的機(jī)器通過第三層交換機(jī)進(jìn)行通信的過程，機(jī)器A在開始發(fā)送時(shí)，已知目的IP地址，但尚不知道在局域網(wǎng)上發(fā)送所需要的MAC地址。要采用地址解析(ARP)來確定目的MAC地址。機(jī)器A把自己的IP地址與目的IP地址比較，從其軟件中配置的子網(wǎng)掩碼提取出網(wǎng)絡(luò)地址來確定目的機(jī)器是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。若目的機(jī)器B與機(jī)器A在同一子網(wǎng)內(nèi)，A廣播一個(gè)ARP請(qǐng)求，B返回其MAC地址，A得到目的機(jī)器B的MAC地址后將這一地址緩存起來，并用此MAC地址封包轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，第二層交換模塊查找MAC地址表確定將數(shù)據(jù)包發(fā)向目的端口。若兩個(gè)機(jī)器不在同一子網(wǎng)內(nèi)，如發(fā)送機(jī)器A要與目的機(jī)器C通信，發(fā)送機(jī)器A要向“缺省網(wǎng)關(guān)”發(fā)出ARP包，而“缺省網(wǎng)關(guān)”的IP地址已經(jīng)在系統(tǒng)軟件中設(shè)置。這個(gè)IP地址實(shí)際上對(duì)應(yīng)第三層交換機(jī)的第三層交換模塊。所以當(dāng)發(fā)送機(jī)器A對(duì)“缺省網(wǎng)關(guān)”的IP地址廣播出一個(gè)ARP請(qǐng)求時(shí)，若第三層交換模塊在以往的通信過程中已得到目的機(jī)器C的MAC地址，則向發(fā)送機(jī)器A回復(fù)C的MAC地址;否則第三層交換模塊根據(jù)路由信息向目的機(jī)器廣播一個(gè)ARP請(qǐng)求，目的機(jī)器C得到此ARP請(qǐng)示后向第三層交換模塊回復(fù)其MAC地址，第三層交換模塊保存此地址并回復(fù)給發(fā)送機(jī)器A。以后，當(dāng)再進(jìn)行A與C之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)，將用最終的目的機(jī)器的MAC地址封裝，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程全部交給第二層交換處理，信息得以高速交換。既所謂的一次選路，多次交換。
第三層交換具有以下突出特點(diǎn)
有機(jī)的硬件結(jié)合使得數(shù)據(jù)交換加速;
優(yōu)化的路由軟件使 得路由過程效率提高;
除了必要的路由決定過程外，大部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程由第二層交換處理;
多個(gè)子網(wǎng)互連時(shí)只是與第三層交換模塊的邏輯連接，不象傳統(tǒng)的外接路由器那樣需增加端口，保護(hù)了用戶的投資。
1、交換機(jī)的定義
局域網(wǎng)交換機(jī)擁有許多端口，每個(gè)端口有自己的專用帶寬，并且可以連接不同的網(wǎng)段。交換機(jī)各個(gè)端口之間的通信是同時(shí)的、并行的，這就大大提高了信息吞吐量。為了進(jìn)一步提高性能，每個(gè)端口還可以只連接一個(gè)設(shè)備。
為了實(shí)現(xiàn)交換機(jī)之間的互連或與高檔服務(wù)器的連接，局域網(wǎng)交換機(jī)一般擁有一個(gè)或幾個(gè)高速端口，如100MB以太網(wǎng)端口、FDDI端口或155MB ATM端口，從而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。
2、交換機(jī)的特性
通過集線器共享局域網(wǎng)的用戶不僅是共享帶寬，而且是競(jìng)爭(zhēng)帶寬?？赡苡捎趥€(gè)別用戶需要更多的帶寬而導(dǎo)致其他用戶的可用帶寬相對(duì)減少，甚至被迫等待，因而也就耽誤了通信和信息處理。利用交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)微分段技術(shù)，可以將一個(gè)大型的共享式局域網(wǎng)的用戶分成許多獨(dú)立的網(wǎng)段，減少競(jìng)爭(zhēng)帶寬的用戶數(shù)量，增加每個(gè)用戶的可用帶寬，從而緩解共享網(wǎng)絡(luò)的擁擠狀況。由于交換機(jī)可以將信息迅速而直接地送到目的地能大大提高速度和帶寬，能 保護(hù)用戶以前在介質(zhì)方面的投資，并提供良好的可擴(kuò)展性，因此交換機(jī)不但是網(wǎng)橋的理想替代物，而且是集線器的理想替代物。
與網(wǎng)橋和集線器相比，交換機(jī)從下面幾方面改進(jìn)了性能：
(1)通過支持并行通信，提高了交換機(jī)的信息吞吐量。
(2)將傳統(tǒng)的一個(gè)大局域網(wǎng)上的用戶分成若干工作組，每個(gè)端口連接一臺(tái)設(shè)備 或連接一個(gè)工作組，有效地解決擁擠現(xiàn)像。這種方法人們稱之為網(wǎng)絡(luò)微分 段(Micro一segmentation)技術(shù)。
(3)虛擬網(wǎng)(VirtuaI LAN)技術(shù)的出現(xiàn)，給交換機(jī)的使用和管理帶來了更大 的靈活性。我們將在后面專門介紹虛擬網(wǎng)。
(4)端口密度可以與集線器相媲美,一般的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都是有一個(gè)或幾個(gè)服務(wù)器，而絕大部分都是普通的客戶機(jī)。客戶機(jī)都需要訪問服務(wù)器，這樣就導(dǎo)致服務(wù)器的通信和事務(wù)處理能力成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能好壞的關(guān)鍵。
交換機(jī)就主要從提高連接服務(wù)器的端口的速率以及相應(yīng)的幀緩沖區(qū)的大小，來提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，從而滿足用戶的要求。一些高檔的交換機(jī)還采用全雙工技術(shù)進(jìn)一步提高端口的帶寬。以前的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基本上都是采用半雙工的工作方式，即當(dāng)一臺(tái)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候， 它就不能接收數(shù)據(jù)包，當(dāng)接收數(shù)據(jù)包的時(shí)候，就不能發(fā)送數(shù)據(jù)包。由于采用全雙工技術(shù)，即主機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)包的同時(shí)，還可以接收數(shù)據(jù)包，普通的10M端口就可以變成20M端口，普通的100M端口就可以變成200M 端口，這樣就進(jìn)一步提高了信息吞吐量。
3、交換機(jī)的工作原理
傳統(tǒng)的交換機(jī)本質(zhì)上是具有流量控制能力的多端口網(wǎng)橋，即傳統(tǒng)的(二層) 交換機(jī)。把路由技術(shù)引入交換機(jī)，可以完成網(wǎng)絡(luò)層路由選擇，故稱為三層交換，這是交換機(jī)的新進(jìn)展。交換機(jī)(二層交換)的工作原理交換機(jī)和網(wǎng)橋一樣，是工作在鏈路層的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，它的各個(gè)端口都具有橋接功能，每個(gè)端口可以連接一個(gè)LAN或一臺(tái)高性能網(wǎng)站或服務(wù)器，能夠通過自學(xué)習(xí)來了解每個(gè)端口的設(shè)備連接情況。所有端口由專用處理器進(jìn)行控制，并經(jīng)過控制管理總線轉(zhuǎn)發(fā)信息。
同時(shí)可以用專門的網(wǎng)管軟件進(jìn)行集中管理。 除此之外，交換機(jī)為了提高數(shù)據(jù)交換的速度和效率，一般支持多種方式。
(1)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)
所有常規(guī)網(wǎng)橋都使用這種方法。它們?cè)趯?shù)據(jù)幀發(fā)柱其他端口之前，要把收到的幀完全存儲(chǔ)在內(nèi)部的存儲(chǔ)器中，對(duì)其檢驗(yàn)后再發(fā)往其他端口，這樣其延時(shí)等于接收一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀的時(shí)間及處理時(shí)間的總和。如果級(jí)聯(lián)很長(zhǎng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的性能問題，但這種方法可以過濾掉錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀。
(2)切入法：
這種方法只檢驗(yàn)數(shù)據(jù)幀的目標(biāo)地址，這使得數(shù)據(jù)幀幾乎馬上就 可以傳出去，從而大大降低延時(shí)。
其缺點(diǎn)是：錯(cuò)誤幀也會(huì)被傳出去。錯(cuò)誤幀的概率較小的情況下，可以采用切入法以提高傳輸速度。而錯(cuò)誤幀的概率較大的情況下，可以采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)法/以減少錯(cuò)誤幀的重傳。
4、交換機(jī)的配置
我們下面以Cisco公司的Catlystl900交換機(jī)為例，介紹交換機(jī)的一般配置過程。
對(duì)一臺(tái)新的Catlystl900交換機(jī)，使用它的缺省配置就可以工作了。這因?yàn)樗且环N將軟件裝在FlashMemory中的硬件設(shè)備，當(dāng)加電時(shí)，它首先要進(jìn)行一系列自檢，對(duì)所有端口進(jìn)行測(cè)試之后，交換機(jī)就處于工作狀態(tài)。這時(shí)它的交換表是空的，它可以通過自學(xué)習(xí)來了解各個(gè)端口的設(shè)備連接情況，并將設(shè)備的 MAC地址記錄在交換表中，當(dāng)有信息交換時(shí)，交換機(jī)就根據(jù)交換表來進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。
但為了便于對(duì)它進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，Catlystl900交換機(jī)自己有一個(gè)MAC地址，這樣就可以為它分配一個(gè)IP地址和屏蔽碼。網(wǎng)絡(luò)管理員須通過交換機(jī)的串口接一臺(tái)終端或仿真終端，才能為它指定一個(gè)IP地址，其缺省值是0.0.0.0。指定IP地址以后，網(wǎng)絡(luò)管理員就可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理了。Catlystl900交換機(jī)的配置界面是菜單形式，缺省配置下，它的所有端口都屬于同一個(gè)VLAN，很多情況下都不需要作什么修改。
(1)將微機(jī)串口通過RS一232電纜與Cata1yst1900的Console口連接，運(yùn)行仿真終端軟件，Catalyst 1900 啟動(dòng)后。
(2)回車后，進(jìn)入主菜單。
(3)按“S”鍵，進(jìn)入系統(tǒng)配置菜單：(配置系統(tǒng)名，位置，日期)。
(4)在主菜單中按“N”鍵進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)管理菜單。
(5)配置IP地置。
(6)配置SNMP參數(shù)。
5、交換機(jī)的種類
交換機(jī)是數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備，它可將多個(gè)物理LAN網(wǎng)段連接到一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)上，與網(wǎng)絡(luò)類似交換機(jī)傳輸和溢出也是基于MAC地址的傳輸。由于交換機(jī)是用硬件實(shí)現(xiàn)的，因此，傳輸速度很快。傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，交換機(jī)要么使用存儲(chǔ)---轉(zhuǎn)發(fā)交換方式，要么使用斷---通交換方式。目前有許多類型的交換機(jī)，其中包括ATM交換機(jī)，LAN交換機(jī)和不同類型的WAN交換機(jī)。
ATM交換機(jī)
ATM(Asynchronous Transfer Mode)交換機(jī)為工作組，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中樞以及其它眾多領(lǐng)域提供了高速交換信息和可伸縮帶寬的能力。ATM交換機(jī)支持語音，視頻和文本數(shù)據(jù)應(yīng)用，并可用來交換固定長(zhǎng)度的信息單位(有時(shí)也稱元素)。企業(yè)網(wǎng)絡(luò)是通過ATM中樞鏈路連接多個(gè)LAN組成的。
局域網(wǎng)交換機(jī)
LAN交換機(jī)用于多LAN網(wǎng)段的相互連接，它在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間進(jìn)行專用的無沖突的通信，同時(shí)支持多個(gè)設(shè)備間的對(duì)話。LAN交換機(jī)主要是用于高速交換數(shù)據(jù)幀。通過LAN交換機(jī)將一個(gè)0Mbps以太網(wǎng)與一個(gè)100Mbps 以太網(wǎng)互聯(lián)。
路由器工作原理
傳統(tǒng)地，路由器工作于OSI七層協(xié)議中的第三層，其主要任務(wù)是接收來自一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)包，根據(jù)其中所含的目的地址，決定轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)目的地址。因此，路由器首先得在轉(zhuǎn)發(fā)路由表中查找它的目的地址，若找到了目的地址，就在數(shù)據(jù)包的幀格前添加下一個(gè)MAC地址，同時(shí)IP數(shù)據(jù)包頭的TTL(Time To Live)域也開始減數(shù)，并重新計(jì)算校驗(yàn)和。當(dāng)數(shù)據(jù)包被送到輸出端口時(shí)，它需要按順序等待，以便被傳送到輸出鏈路上。
路由器在工作時(shí)能夠按照某種路由通信協(xié)議查找設(shè)備中的路由表。如果到某一特定節(jié)點(diǎn)有一條以上的路徑，則基本預(yù)先確定的路由準(zhǔn)則是選擇最優(yōu)(或最經(jīng)濟(jì))的傳輸路徑。由于各種網(wǎng)絡(luò)段和其相互連接情況可能會(huì)因環(huán)境變化而變化，因此路由情況的信息一般也按所使用的路由信息協(xié)議的規(guī)定而定時(shí)更新。
網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)路由器的基本功能都是按照一定的規(guī)則來動(dòng)態(tài)地更新它所保持的路由表，以便保持路由信息的有效性。為了便于在網(wǎng)絡(luò)間傳送報(bào)文，路由器總是先按照預(yù)定的規(guī)則把較大的數(shù)據(jù)分解成適當(dāng)大小的數(shù)據(jù)包，再將這些數(shù)據(jù)包分別通過相同或不同路徑發(fā)送出去。當(dāng)這些數(shù)據(jù)包按先后秩序到達(dá)目的地后，再把分解的數(shù)據(jù)包按照一定順序包裝成原有的報(bào)文形式。路由器的分層尋址功能是路由器的重要功能之一，該功能可以幫助具有很多節(jié)點(diǎn)站的網(wǎng)絡(luò)來存儲(chǔ)尋址信息，同時(shí)還能在網(wǎng)絡(luò)間截獲發(fā)送到遠(yuǎn)地網(wǎng)段的報(bào)文，起轉(zhuǎn)發(fā)作用;選擇最合理的路由，引導(dǎo)通信也是路由器基本功能;多協(xié)議路由器還可以連接使用不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)段，成為不同通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)段之間的通信平臺(tái)。
一般來說，路由器的主要工作是對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，具體過程如下：
第一步：當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)路由器，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)物理接口的類型，路由器調(diào)用相應(yīng)的鏈路層功能模塊，以解釋處理此數(shù)據(jù)包的鏈路層協(xié)議報(bào)頭。這一步處理比較簡(jiǎn)單，主要是對(duì)數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行驗(yàn)證，如CRC校驗(yàn)、幀長(zhǎng)度檢查等。
第二步：在鏈路層完成對(duì)數(shù)據(jù)幀的完整性驗(yàn)證后，路由器開始處理此數(shù)據(jù)幀的IP層。這一過程是路由器功能的核心。根據(jù)數(shù)據(jù)幀中IP包頭的目的IP地址，路由器在路由表中查找下一跳的IP地址;同時(shí)，IP數(shù)據(jù)包頭的TTL(Time To Live)域開始減數(shù)，并重新計(jì)算校驗(yàn)和(Checksum)。
第三步：根據(jù)路由表中所查到的下一跳IP地址，將IP數(shù)據(jù)包送往相應(yīng)的輸出鏈路層，被封裝上相應(yīng)的鏈路層包頭，最后經(jīng)輸出網(wǎng)絡(luò)物理接口發(fā)送出去。
簡(jiǎn)單地說，路由器的主要工作就是為經(jīng)過路由器的每個(gè)數(shù)據(jù)包尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數(shù)據(jù)包有效地傳送到目的站點(diǎn)。由此可見，選擇最佳路徑策略或叫選擇最佳路由算法是路由器的關(guān)鍵所在。為了完成這項(xiàng)工作，在路由器中保存著各種傳輸路徑的相關(guān)數(shù)據(jù)——路由表(Routing Table)，供路由選擇時(shí)使用。上述過程描述了路由器的主要而且關(guān)鍵的工作過程，但沒有說明其它附加性能，例如訪問控制、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換、排隊(duì)優(yōu)先級(jí)等。
ARP全稱 地址解析協(xié)議在局域網(wǎng)內(nèi)信息是以幀傳輸?shù)摹Ｒ涀〉刂肪鸵幸粋€(gè)ARP緩存表，大概是幾分鐘刷新一次我忘記了。保存的就是當(dāng)前局域網(wǎng)內(nèi)與你連接的機(jī)器的IP和MAC的地址。ARP—a就可以查看到這個(gè)表。第一個(gè)是IP。第二個(gè)是網(wǎng)卡地址。第三個(gè)是連接類型。
交換機(jī)如何學(xué)習(xí)MAC地址的？
假設(shè)一個(gè)交換機(jī)剛剛啟動(dòng)，MAC表完全是空的，局域網(wǎng)內(nèi)有兩臺(tái)主機(jī)PC1和PC2，IP地址為192.168.0.1和192.168.0.2：那么交換機(jī)接到1端口的PC1的第一個(gè)數(shù)據(jù)幀，因?yàn)镻C1只知道PC2的IP地址而不知道PC2的MAC地址，所以源IP地址為192.168.0.1源MAC地址是0000-0000-0001，目標(biāo)IP地址為192.168.0.2而目標(biāo)MAC地址是FFFF-FFFF-FFFF(此報(bào)文為ARP請(qǐng)求報(bào)文，是二層廣播報(bào)問)，交換機(jī)首先將源MAC地址和相對(duì)應(yīng)的端口記錄在MAC表中，然后把這個(gè)數(shù)據(jù)幀從所有活動(dòng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去，;假設(shè)PC2在2端口接收到數(shù)據(jù)幀對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回應(yīng)時(shí)，則目標(biāo)MAC地址為0000-0000-0001源MAC地址為0000-0000-0002。此時(shí)交換機(jī)收到數(shù)據(jù)幀后，首先學(xué)習(xí)PC2的MAC地址和對(duì)應(yīng)端口到MAC表，然后查找MAC地址表中是否有PC1的MAC地址，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)MAC地址對(duì)應(yīng)端口1，則將此數(shù)據(jù)幀由交換機(jī)的1端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。此時(shí)PC1和PC2的MAC地址都已記錄在交換機(jī)MAC表中，數(shù)據(jù)在開始正常轉(zhuǎn)發(fā)。所以，交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的過程，就是查找目標(biāo)MAC地址，學(xué)習(xí)源地址的過程，希望能理解!
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