路由和交換的基本概念簡介

　　近年來由于Internet/Intranet計算模式的興起，應用被集中管理，而不是象從前那樣分散在各個部門的網(wǎng)絡中，園區(qū)網(wǎng)絡的流量模型發(fā)生了很大的變化。大量的網(wǎng)絡訪問是遠程的，也就是要經(jīng)過路由器的。這被稱為新的20/80流量模型。因此，路由器逐漸成為網(wǎng)絡的瓶頸。

　　為了從技術上解決這個問題，網(wǎng)絡廠商開發(fā)了三層交換機，也叫做路由交換機。它是傳統(tǒng)交換機的性能和路由器的智能的結合。路由選擇仍由路由器完成，但路選的結果被交換機保留在自身的路由緩存中。這樣，一個數(shù)據(jù)流中的第一個數(shù)據(jù)包經(jīng)過路由器，后繼的所有數(shù)據(jù)包直接由交換機查表轉發(fā)。得益于硬件轉發(fā)，三層交換機可以做到線速路由，如下圖所示。

　　許多廠家生產(chǎn)的三層交換機本身即是交換機和路由器的結合體，如Cisco的5000，5500，6500系列的交換機可以選配路由模塊，實現(xiàn)三層功能。

　　如此一來，園區(qū)網(wǎng)的內(nèi)部就是交換機和三層交換機的天下了，全交換的園區(qū)網(wǎng)絡適應新的流量模型，徹底克服了傳統(tǒng)網(wǎng)絡的路由器瓶頸，極大地提高了網(wǎng)絡的效率。同時，路由器并沒有失業(yè)，仍然被用在遠程連接、撥號訪問等場合。

　　本文第一部分中回顧了網(wǎng)絡的層次結構，接下來談了傳統(tǒng)的路由和交換的原理，最后介紹了在現(xiàn)在的園區(qū)網(wǎng)絡中如何將路由和交換的優(yōu)勢相結合，最好地滿足用戶的流量模型。

　　路由，交換，路由交換是本文的主要三個問題。

　　篇幅所限，對于具體的協(xié)議就不再贅述了，有時候，了解協(xié)議的工作流程和具體的設備，如Cisco的路由器和交換機，對于理解網(wǎng)絡的原理是很有幫助的。

　　端口的分隔。即便在同一個交換機上，處于不同VLAN的端口也是不能通信的。這樣一個物理的交換機可以當作多個邏輯的交換機使用。

　　網(wǎng)絡的安全。不同VLAN不能直接通信，杜絕了廣播信息的不安全性。

　　靈活的管理。更改用戶所屬的網(wǎng)絡不必換端口和聯(lián)線，只該軟件配置就可以了。

　　VLAN可以按端口或MAC地址來劃分。

　　有時，我們需要在交換機所構成的網(wǎng)絡上保持VLAN的配置的一致性。這就需要交換機之間按照VTP(VLAN Trunk Protocol，VLAN骨干協(xié)議)交流VLAN信息。VTP協(xié)議只在骨干端口(Trunk Port)，即交換機之間的端口上運行。

　　路由

　　路由器是網(wǎng)絡間的連接設備，它重要工作之一是路徑選擇。這個功能是路由器智能的核心，它是由管理員的配置和一系列的路由算法實現(xiàn)的。

　　路由算法有動靜之分，靜態(tài)路由是一種特殊的路由，它是由管理員手工設定的。手工配置所有的路由雖然可以使網(wǎng)絡正常運轉，但是也會帶來一些局限性。網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化之后，靜態(tài)路由不會自動改變，必須有網(wǎng)絡管理員的介入。缺省路由是靜態(tài)路由的一種，也是由管理員設置的。在沒有找到目標網(wǎng)絡的路由表項時，路由器將信息發(fā)送到缺省路由器(gateway of last resort)。而動態(tài)的算法，顧名思義，是由路由器自動計算出的路由，常說的RIP、OSPF等等都是動態(tài)算法的典型代表。

　　另外還可以將路由算法分為DV和LS兩種。DV(Distance，距離向量)算法將當前路由器的路由信息傳送給相鄰路由器，相鄰路由器將這些信息加入自身的路由表。而LS(Link State，鏈路狀態(tài))算法將鏈路狀態(tài)信息傳給域內(nèi)所有的路由器，接收路由器利用這些信息構建網(wǎng)絡拓撲圖，并利用圖論中的最短路徑優(yōu)先算法決定路由。相比之下，距離向量算法比較簡單，而鏈路狀態(tài)算法較為復雜，占用的CPU和內(nèi)存也要多一些。但是由于鏈路狀態(tài)算法采用的是自身的計算結果，所以比較不容易產(chǎn)生路由循環(huán)。RIP是DV類算法的典型代表，而OSPF是LS的代表協(xié)議。

　　四種最常見路由協(xié)議是RIP、IGRP、OSPF和EIGRP。

　　RIP(Routing Information Protocols，路由信息協(xié)議)是使用最廣泛的距離向量協(xié)議，它是由施樂(Xerox)在70年代開發(fā)的。當時，RIP是XNS(Xerox Network Service，施樂網(wǎng)絡服務)協(xié)議簇的一部分。TCP/IP版本的RIP是施樂協(xié)議的改進版。RIP最大的特點是，無論實現(xiàn)原理還是配置方法，都非常簡單。RIP基于跳數(shù)計算路由，并且定期向鄰居路由器發(fā)送更新消息。

　　IGRP是CISCO專有的協(xié)議，只在CISCO路由器中實現(xiàn)。它也屬于距離向量類協(xié)議，所以在很多地方與RIP有共同點，比如廣播更新等等。它和RIP最大的區(qū)別表現(xiàn)在度量方法、負載均衡等幾方面。IGRP支持多路徑上的加權負載均衡，這樣網(wǎng)絡的帶寬可以得到更加合理的利用。另外，與RIP僅使用跳數(shù)作為度量依據(jù)不同，IGRP使用了多種參數(shù)，構成復合的度量值，這其中可以包含的因素有：帶寬、延遲、負載、可靠性和MTU(最大傳輸單元)等等。

　　OSPF協(xié)議是80年代后期開發(fā)的，90年代初成為工業(yè)標準，是一種典型的鏈路狀態(tài)協(xié)議。OSPF的主要特性包括：支持VLSM(變長的子網(wǎng)掩嗎)、收斂迅速、帶寬占用率低等等。OSPF協(xié)議在鄰居之間交換鏈路狀態(tài)信息，以便路由器建立鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(LSD)，之后，路由器根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的信息利用SPF(Shortest Path First，最短路徑優(yōu)先)算法計算路由表，選擇路徑的主要依據(jù)是帶寬。

　　EIGRP是IGRP的增強版，它也是CISCO專有的路由協(xié)議。EIGRP采用了擴散更新(DUAL)算法，在某種程度上，它和距離向量算法相似，但具有更短的收斂時間和更好的可操作性。作為對IGRP的擴展，EIGRP支持多種可路由的協(xié)議，如IP、IPX和AppleTalk等等。運行在IP環(huán)境時，EIGRP還可以與IGRP進行平滑的連接，因為它們的度量方法是一致的。

　　以上四種路由協(xié)議都是域內(nèi)路由協(xié)議，他們通常使用在自治系統(tǒng)的內(nèi)部。當進行自治系統(tǒng)間的連接時，往往采用諸如BGP(Border Gateway Protocols，邊界路由協(xié)議)和EGP(External Gateway Protocols，外部路由協(xié)議)這樣的域間路由協(xié)議。目前在Internet上使用的域間路由協(xié)議是BGP第四版。

　　收斂是路由算法選擇時所遇到的一個重要問題。收斂時間是指從網(wǎng)絡的拓撲結構發(fā)生變化到網(wǎng)絡上所有的相關路由器都得知這一變化，并且相應地做出改變所需要的時間。這一時間越短，網(wǎng)絡變化對全網(wǎng)的擾動就越小。收斂時間過長會導致路由循環(huán)的出現(xiàn)。

　　在上述幾種域內(nèi)路由算法中，RIP和IGRP的收斂時間相對較長，都是分鐘數(shù)量級的;OSPF要短一些，數(shù)十秒內(nèi)可以收斂;EIGRP最短，網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化之后，幾秒鐘即可達到收斂狀態(tài)。

　　全交換園區(qū)網(wǎng)絡

　　傳統(tǒng)的園區(qū)網(wǎng)絡是路由器加交換機的結構。如下圖所示，交換機負責網(wǎng)絡內(nèi)部的傳輸，劃分VLAN以保證二層的安全性和靈活性，路由器則完成網(wǎng)間的尋址和數(shù)據(jù)轉發(fā)工作。