路由和交換的基本概念簡介
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，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應(yīng)關(guān)系。如下圖所示：
OSI中間一層，即第四層執(zhí)行傳輸功能，它負(fù)責(zé)提供從一臺計(jì)算機(jī)到另外一臺計(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，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)提供用戶操作的界面，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，高級鏈路控制)、PPP(Point-to-Point Protocol，點(diǎn)對點(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論兩臺計(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，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，橋是有兩塊網(wǎng)卡的計(jì)算機(jī)，如下圖所示：
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。雖然做了一次無用的轉(zhuǎn)發(fā)，但通過這個(gè)過程，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)上的每一臺計(jì)算機(jī)都發(fā)送過數(shù)據(jù)之后，橋就是智能的了，它了解每一臺計(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)上有十臺計(jì)算機(jī)，就需要一個(gè)十端口的橋?qū)⑺鼈冞B接起來。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)。
