通俗易懂的《路由和交換》

路由和交換是網絡世界中兩個重要的概念。傳統(tǒng)的交換發(fā)生在網絡的第二層，即數據鏈路層，而路由則發(fā)生在第三層，網絡層。在新的網絡中，路由的智能和交換的性能被有機的結合起來，三層交換機和多層交換機在園區(qū)網絡中大量使用。本文將介紹一些路由和交換的基本概念，分為網絡層次結構、交換、路由和全交換園區(qū)網絡四個部分。

網絡層次結構

網絡參考模型的定義給出了清晰的功能層次劃分。最常被提及的是ISO OSI參考模型和TCP/IP協(xié)議簇。

國際標準化組織定義的OSI參考模型將計算機網絡按功能劃分為七個層次，這就是我們常說的七層模型或七層結構。網絡功能分層的直接好處是這些層次可以各司其職，由不同廠家開發(fā)的不同層次的軟硬件設備可以配合使用。一個層次的設備更新或軟件重寫也不會影響到其它層次。TCP/IP協(xié)議體系中的各個層次和ISO的參考模型有大致的對應關系。

OSI中間一層，即第四層執(zhí)行傳輸功能，它負責提供從一臺計算機到另外一臺計算機之間的可靠數據傳輸。傳輸層（Transport Layer）是承上啟下的一層，在它的下面有三層，都是與數據傳輸相關的功能；上面也有三層，提供與網絡應用相關的功能。

OSI下三層中。物理層（Physical Layer）負責實際的傳送數據信號，數據鏈路層（Data Link Layer）負責網絡內部的幀傳輸，而網絡層（Network Layer）負責網絡間的計算機尋址和數據傳輸。

OSI上三層中。應用層（Application Layer）是最高的層次，它負責提供用戶*作的界面，因特網中常用的電子郵件服務，文件傳輸服務等都是這一層提供的。表示層（Presentation Layer）負責數據的表示，比如發(fā)送數據之前的加密，接收數據時的解密，中英文的翻譯等等都是這一層提供的功能。會話層（Session Layer）負責建立和終止網絡的數據傳輸，計算機名字轉換成地址的工作也在這層完成。

傳統(tǒng)意義上的交換是第二層的概念。數據鏈路層的功能是在網絡內部傳輸幀。所謂網絡內部是指這一層的傳輸不涉及網間的設備和網間尋址。通俗的理解，一個以太網內的傳輸，一條廣域網專線上的傳輸都由數據鏈路層負責。所謂幀是指所傳輸的數據的結構，通常幀有幀頭和幀尾，頭中有源目二層地址，而幀尾中通常包含校驗信息，頭尾之間的內容即是用戶的數據。

數據鏈路層涵蓋的功能很多，所以又將它劃分為兩個子層， MAC（Media Access Control，介質訪問控制）層和LLC（Logical Link Control，邏輯鏈路控制）層。常見的局域網和城域網的二層標準是IEEE的802協(xié)議。而在廣域網中，HDLC（High-level Data Link Control，高級鏈路控制）、PPP（Point-to-Point Protocol，點對點協(xié)議）和Frame Relay（幀中繼）等協(xié)議都有廣泛的使用。

路由是第三層的概念。網絡層在Internet中是最重要的，它的功能是端到端的傳輸，這里端到端的含義是無論兩臺計算機相距多遠，中間相隔多少個網絡，這一層保障它們可以互相通信。例如我們常用的PING命令就是一個網絡層的命令，PING通了，就是指網絡層的功能正常了。通常，網絡層不保障通訊的可靠性，也就是說，雖然正常情況下數據可以到達目的地，但即便出現異常，網絡層也不作任何更正和恢復的工作。

網絡層常用的協(xié)議有IP、IPX、APPLETALK等等，其中IP協(xié)議更是Internet的基石。在TCP/IP協(xié)議體系中，第三層的其他輔助協(xié)議還包括ARP（地址解析） 、RARP（反向地址解析）、 ICMP（網際報文控制）和IGMP（組管理協(xié)議）等等。由于網絡互連設備都具有路徑選擇功能，所以我們經常將 RIP、OSPF等路選協(xié)議也放在這一層討論。

交換

談到交換的問題，從廣義上講，任何數據的轉發(fā)都可以稱作交換。當然，現在我們指的是狹義上的交換，僅包括數據鏈路層的轉發(fā)。做網絡的人理解交換大多是從交換機開始的，電路交換機在通信網中已經使用了幾十年了，做幀交換的設備，尤其是以太網交換機的大規(guī)模使用則是近幾年的事情。

理解以太網交換機的作用還要從網橋的原理講起。傳統(tǒng)以太網是共享型的，如果網段上有四臺計算機A、B 、C和D，那么A與B通信的同時，C和D只能是被動的收聽。假如將纜段分開（即微化），A、B在一段上，C、D在另一段上，那么A和B通信的同時，C和D也可以通信，這樣原有10M的帶寬從理論上講就變成20M了。同時，為了確保這兩個網段可以互相通信，需要用橋將它們連接起來，橋是有兩塊網卡的計算機。

在整個網絡剛剛啟動時，橋對網絡的拓樸一無所知。這時，假設A發(fā)送數據給B，因為網絡是廣播式的，所以橋也收到了，但橋不知到B在自己的左邊還是右邊，它就進行缺省的轉發(fā)，即在另外一塊網卡上發(fā)送這個信息。雖然做了一次無用的轉發(fā)，但通過這個過程，橋學習到數據的發(fā)送者A在自己的左邊。當網絡上的每一臺計算機都發(fā)送過數據之后，橋就是智能的了，它了解每一臺計算機在哪一個網段上。當A再發(fā)送數據給B時，橋就不進行數據轉發(fā)了，與此同時，C可以發(fā)送數據給D。

從上面的例子可以看出，橋可以減少網絡沖突發(fā)生的幾率，這就是我們使用橋的主要目的，稱作減小沖突域。但橋并不能阻止廣播，廣播信息的隔絕要靠三層的連接設備，路由器。

按照纜段微化的思想，纜段越多，可用帶寬就越高。極限情況是每一臺計算機處在一個獨立的纜段上，如果網絡上有十臺計算機，就需要一個十端口的橋將它們連接起來。但實現這樣一個橋不太現實，軟件轉發(fā)的速度也跟不上，于是有了交換機，交換機就是將上述多端口的橋硬件或固件化，以達到更低的成本和更高的性能。

交換機的一個重要的功能是避免交換循環(huán)，這就涉及到了STP（Spanning Tree Protocol，分支樹協(xié)議）。分支樹協(xié)議的功能是避免數據幀在交換機構成的網絡中循環(huán)傳送。如下圖所示，如果網絡中有冗余鏈路的話，STP協(xié)議現選出根交換機（Route Bridge），然后確定每一臺非根交換機到根交換機之間的路徑，最后，將此路徑上的所有鏈路置成轉發(fā)（Forward）狀態(tài)，其余的交換機之間的連接就是冗余鏈路，置為阻塞（Block）狀態(tài)。

交換機的另外一個重要功能是VLAN（Virtual LAN，虛擬局域網）。VLAN的好處主要有三個：

*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。更改用戶所屬的網絡不必換端口和聯線，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絡正常運轉，但是也會帶來一些局限性。網絡拓撲發(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)信息傳給域內所有的路由器，接收路由器利用這些信息構建網絡拓撲圖，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。