通俗易懂的《路由和交換》

路由和交換是網(wǎng)絡(luò)世界中兩個(gè)重要的概念。傳統(tǒng)的交換發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層，而路由則發(fā)生在第三層，網(wǎng)絡(luò)層。在新的網(wǎng)絡(luò)中，路由的智能和交換的性能被有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，三層交換機(jī)和多層交換機(jī)在園區(qū)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)、交換、路由和全交換園區(qū)網(wǎng)絡(luò)四個(gè)部分。

網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織定義的OSI參考模型將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)按功能劃分為七個(gè)層次，這就是我們常說(shuō)的七層模型或七層結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)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(shè)備可以配合使用。一個(gè)層次的設(shè)備更新或軟件重寫也不會(huì)影響到其它層次。TCP/IP協(xié)議體系中的各個(gè)層次和ISO的參考模型有大致的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

OSI中間一層，即第四層執(zhí)行傳輸功能，它負(fù)責(zé)提供從一臺(tái)計(jì)算機(jī)到另外一臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的可靠數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的功能；上面也有三層，提供與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相關(guān)的功能。

OSI下三層中。物理層（Physical Layer）負(fù)責(zé)實(shí)際的傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的幀傳輸，而網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)間的計(jì)算機(jī)尋址和數(shù)據(jù)傳輸。

OSI上三層中。應(yīng)用層（Application Layer）是最高的層次，它負(fù)責(zé)提供用戶*作的界面，因特網(wǎng)中常用的電子郵件服務(wù)，文件傳輸服務(wù)等都是這一層提供的。表示層（Presentation Layer）負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的表示，比如發(fā)送數(shù)據(jù)之前的加密，接收數(shù)據(jù)時(shí)的解密，中英文的翻譯等等都是這一層提供的功能。會(huì)話層（Session Layer）負(fù)責(zé)建立和終止網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，計(jì)算機(jī)名字轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)鏈路層的功能是在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳輸幀。所謂網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部是指這一層的傳輸不涉及網(wǎng)間的設(shè)備和網(wǎng)間尋址。通俗的理解，一個(gè)以太網(wǎng)內(nèi)的傳輸，一條廣域網(wǎng)專線上的傳輸都由數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)。所謂幀是指所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，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(yàn)信息，頭尾之間的內(nèi)容即是用戶的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)鏈路層涵蓋的功能很多，所以又將它劃分為兩個(gè)子層， MAC（Media Access Control，介質(zhì)訪問(wèn)控制）層和LLC（Logical Link Control，邏輯鏈路控制）層。常見的局域網(wǎng)和城域網(wǎng)的二層標(biāo)準(zhǔn)是IEEE的802協(xié)議。而在廣域網(wǎng)中，HDLC（High-level Data Link Control，高級(jí)鏈路控制）、PPP（Point-to-Point Protocol，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)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(wú)論兩臺(tái)計(jì)算機(jī)相距多遠(yuǎn)，中間相隔多少個(gè)網(wǎng)絡(luò)，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(gè)網(wǎng)絡(luò)層的命令，PING通了，就是指網(wǎng)絡(luò)層的功能正常了。通常，網(wǎng)絡(luò)層不保障通訊的可靠性，也就是說(shuō)，雖然正常情況下數(shù)據(jù)可以到達(dá)目的地，但即便出現(xiàn)異常，網(wǎng)絡(luò)層也不作任何更正和恢復(fù)的工作。

網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)際報(bào)文控制）和IGMP（組管理協(xié)議）等等。由于網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備都具有路徑選擇功能，所以我們經(jīng)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(wèn)題，從廣義上講，任何數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)都可以稱作交換。當(dāng)然，現(xiàn)在我們指的是狹義上的交換，僅包括數(shù)據(jù)鏈路層的轉(zhuǎn)發(fā)。做網(wǎng)絡(luò)的人理解交換大多是從交換機(jī)開始的，電路交換機(jī)在通信網(wǎng)中已經(jīng)使用了幾十年了，做幀交換的設(shè)備，尤其是以太網(wǎng)交換機(jī)的大規(guī)模使用則是近幾年的事情。

理解以太網(wǎng)交換機(jī)的作用還要從網(wǎng)橋的原理講起。傳統(tǒng)以太網(wǎng)是共享型的，如果網(wǎng)段上有四臺(tái)計(jì)算機(jī)A、B 、C和D，那么A與B通信的同時(shí)，C和D只能是被動(dòng)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(shí)，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(shí)，為了確保這兩個(gè)網(wǎng)段可以互相通信，需要用橋?qū)⑺鼈冞B接起來(lái)，橋是有兩塊網(wǎng)卡的計(jì)算機(jī)。

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)剛剛啟動(dòng)時(shí)，橋?qū)W(wǎng)絡(luò)的拓樸一無(wú)所知。這時(shí)，假設(shè)A發(fā)送數(shù)據(jù)給B，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)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(jìn)行缺省的轉(zhuǎn)發(fā)，即在另外一塊網(wǎng)卡上發(fā)送這個(gè)信息。雖然做了一次無(wú)用的轉(zhuǎn)發(fā)，但通過(guò)這個(gè)過(guò)程，橋?qū)W習(xí)到數(shù)據(jù)的發(fā)送者A在自己的左邊。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的每一臺(tái)計(jì)算機(jī)都發(fā)送過(guò)數(shù)據(jù)之后，橋就是智能的了，它了解每一臺(tái)計(jì)算機(jī)在哪一個(gè)網(wǎng)段上。當(dāng)A再發(fā)送數(shù)據(jù)給B時(shí)，橋就不進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)了，與此同時(shí)，C可以發(fā)送數(shù)據(jù)給D。

從上面的例子可以看出，橋可以減少網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(tái)計(jì)算機(jī)處在一個(gè)獨(dú)立的纜段上，如果網(wǎng)絡(luò)上有十臺(tái)計(jì)算機(jī)，就需要一個(gè)十端口的橋?qū)⑺鼈冞B接起來(lái)。但實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)橋不太現(xiàn)實(shí)，軟件轉(zhuǎn)發(fā)的速度也跟不上，于是有了交換機(jī)，交換機(jī)就是將上述多端口的橋硬件或固件化，以達(dá)到更低的成本和更高的性能。

交換機(jī)的一個(gè)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(shù)據(jù)幀在交換機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)傳送。如下圖所示，如果網(wǎng)絡(luò)中有冗余鏈路的話，STP協(xié)議現(xiàn)選出根交換機(jī)（Route Bridge），然后確定每一臺(tái)非根交換機(jī)到根交換機(jī)之間的路徑，最后，將此路徑上的所有鏈路置成轉(zhuǎn)發(fā)（Forward）狀態(tài)，其余的交換機(jī)之間的連接就是冗余鏈路，置為阻塞（Block）狀態(tài)。

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

*端口的分隔。即便在同一個(gè)交換機(jī)上，處于不同VLAN的端口也是不能通信的。這樣一個(gè)物理的交換機(jī)可以當(dāng)作多個(gè)邏輯的交換機(jī)使用。

*網(wǎng)絡(luò)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(luò)不必?fù)Q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(lái)劃分。

有時(shí)，我們需要在交換機(jī)所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)上保持VLAN的配置的一致性。這就需要交換機(jī)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(jī)之間的端口，上運(yùn)行。

路由

路由器是網(wǎng)絡(luò)間的連接設(shè)備，它重要工作之一是路徑選擇。這個(gè)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(shí)現(xiàn)的。

路由算法有動(dòng)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(shè)定的。手工配置所有的路由雖然可以使網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但是也會(huì)帶來(lái)一些局限性。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化之后，靜態(tài)路由不會(huì)自動(dòng)改變，必須有網(wǎng)絡(luò)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(shè)置的。在沒(méi)有找到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的路由表項(xiàng)時(shí)，路由器將信息發(fā)送到缺省路由器（gateway of last resort）。而動(dòng)態(tài)的算法，顧名思義，是由路由器自動(dòng)計(jì)算出的路由，常說(shuō)的RIP、OSPF等等都是動(dòng)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(dāng)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(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，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(jiǎn)單，而鏈路狀態(tài)算法較為復(fù)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(jì)算結(jié)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。