路由和交换的基本概念

　　路由和交换是网络世界中两个重要的概念。传统的交换发生在网络的第二层，即数据链路层，而路由则发生在第三层，网络层。在新的网络中，路由的智能和交换的性能被有机的结合起来，三层交换机和多层交换机在园区网络中大量使用。本文将介绍一些路由和交换的基本概念，分为网络层次结构、交换、路由和全交换园区网络四个部分。　

　　网络层次结构　

　　网络参考模型的定义给出了清晰的功能层次划分。最常被提及的是ISO OSI参考模型和TCP/IP协议簇。　

　　国际标准化组织定义的OSI参考模型将计算机网络按功能划分为七个层次，这就是我们常说的七层模型或七层结构。网络功能分层的直接好处是这些层次可以各司其职，由不同厂家开发的不同层次的软硬件设备可以配合使用。一个层次的设备更新或软件重写也不会影响到其它层次。TCP/IP协议体系中的各个层次和ISO的参考模型有大致的对应关系。如下图所示：　

　　OSI中间一层，即第四层执行传输功能，它负责提供从一台计算机到另外一台计算机之间的可靠数据传输。传输层（Transport Layer）是承上启下的一层，在它的下面有三层，都是与数据传输相关的功能；上面也有三层，提供与网络应用相关的功能。　

　　OSI下三层中。物理层（Physical Layer）负责实际的传送数据信号，数据链路层（Data Link Layer）负责网络内部的帧传输，而网络层（Network Layer）负责网络间的计算机寻址和数据传输。　

　　OSI上三层中。应用层（Application Layer）是最高的层次，它负责提供用户操作的界面，因特网中常用的电子邮件服务，文件传输服务等都是这一层提供的。表示层（Presentation Layer）负责数据的表示，比如发送数据之前的加密，接收数据时的解密，中英文的翻译等等都是这一层提供的功能。会话层（Session Layer）负责建立和终止网络的数据传输，计算机名字转换成地址的工作也在这层完成。　

　　传统意义上的交换是第二层的概念。数据链路层的功能是在网络内部传输帧。所谓"网络内部"是指这一层的传输不涉及网间的设备和网间寻址。通俗的理解，一个以太网内的传输，一条广域网专线上的传输都由数据链路层负责。所谓"帧"是指所传输的数据的结构，通常帧有帧头和帧尾，头中有源目二层地址，而帧尾中通常包含校验信息，头尾之间的内容即是用户的数据。　

　　数据链路层涵盖的功能很多，所以又将它划分为两个子层， MAC（Media Access Control，介质访问控制）层和LLC（Logical Link Control，逻辑链路控制）层。常见的局域网和城域网的二层标准是IEEE的802协议。而在广域网中，HDLC（High-level Data Link Control，高级链路控制）、PPP（Point-to-Point Protocol，点对点协议）和Frame Relay（帧中继）等协议都有广泛的使用。　

　　路由是第三层的概念。网络层在Internet中是最重要的，它的功能是端到端的传输，这里端到端的含义是无论两台计算机相距多远，中间相隔多少个网络，这一层保障它们可以互相通信。例如我们常用的PING命令就是一个网络层的命令，PING通了，就是指网络层的功能正常了。通常，网络层不保障通讯的可靠性，也就是说，虽然正常情况下数据可以到达目的地，但即便出现异常，网络层也不作任何更正和恢复的工作。　

　　网络层常用的协议有IP、IPX、APPLETALK等等，其中IP协议更是Internet的基石。在TCP/IP协议体系中，第三层的其他辅助协议还包括ARP（地址解析） 、RARP（反向地址解析）、 ICMP（网际报文控制）和IGMP（组管理协议）等等。由于网络互连设备都具有路径选择功能，所以我们经常将 RIP、OSPF等路选协议也放在这一层讨论。　

　　交换　

　　谈到交换的问题，从广义上讲，任何数据的转发都可以称作交换。当然，现在我们指的是狭义上的交换，仅包括数据链路层的转发。做网络的人理解交换大多是从交换机开始的，电路交换机在通信网中已经使用了几十年了，做帧交换的设备，尤其是以太网交换机的大规模使用则是近几年的事情。　

　　理解以太网交换机的作用还要从网桥的原理讲起。传统以太网是共享型的，如果网段上有四台计算机A、B 、C和D，那么A与B通信的同时，C和D只能是被动的收听。假如将缆段分开（即微化），A、B在一段上，C、D在另一段上，那么A和B通信的同时，C和D也可以通信，这样原有10M的带宽从理论上讲就变成20M了。同时，为了确保这两个网段可以互相通信，需要用桥将它们连接起来，桥是有两块网卡的计算机，如下图所示：　

　　在整个网络刚刚启动时，桥对网络的拓朴一无所知。这时，假设A发送数据给B，因为网络是广播式的，所以桥也收到了，但桥不知到B在自己的左边还是右边，它就进行缺省的转发，即在另外一块网卡上发送这个信息。虽然做了一次无用的转发，但通过这个过程，桥学习到数据的发送者A在自己的左边。当网络上的每一台计算机都发送过数据之后，桥就是智能的了，它了解每一台计算机在哪一个网段上。当A再发送数据给B时，桥就不进行数据转发了，与此同时，C可以发送数据给D。　

　　从上面的例子可以看出，桥可以减少网络冲突发生的几率，这就是我们使用桥的主要目的，称作减小冲突域。但桥并不能阻止广播，广播信息的隔绝要靠三层的连接设备，路由器。　

　　按照缆段微化的思想，缆段越多，可用带宽就越高。极限情况是每一台计算机处在一个独立的缆段上，如果网络上有十台计算机，就需要一个十端口的桥将它们连接起来。但实现这样一个桥不太现实，软件转发的速度也跟不上，于是有了交换机，交换机就是将上述多端口的桥硬件或固件化，以达到更低的成本和更高的性能。　

　　交换机的一个重要的功能是避免交换循环，这就涉及到了STP（Spanning Tree Protocol，分支树协议）。分支树协议的功能是避免数据帧在交换机构成的网络中循环传送。如下图所示，如果网络中有冗余链路的话，STP协议现选出根交换机（Route Bridge），然后确定每一台非根交换机到根交换机之间的路径，最后，将此路径上的所有链路置成转发（Forward）状态，其余的交换机之间的连接就是冗余链路，置为阻塞（Block）状态。　

　　交换机的另外一个重要功能是VLAN（Virtual LAN，虚拟局域网）。VLAN的好处主要有三个：　

　　? 端口的分隔。即便在同一个交换机上，处于不同VLAN的端口也是不能通信的。这样一个物理的交换机可以当作多个逻辑的交换机使用。　

　　? 网络的安全。不同VLAN不能直接通信，杜绝了广播信息的不安全性。　

　　? 灵活的管理。更改用户所属的网络不必换端口和联线，只该软件配置就可以了。　

　　VLAN可以按端口或MAC地址来划分。　

　　有时，我们需要在交换机所构成的网络上保持VLAN的配置的一致性。这就需要交换机之间按照VTP（VLAN Trunk Protocol，VLAN骨干协议）交流VLAN信息。VTP协议只在骨干端口（Trunk Port），即交换机之间的端口，上运行。　

　　路由　

　　路由器是网络间的连接设备，它重要工作之一是路径选择。这个功能是路由器智能的核心，它是由管理员的配置和一系列的路由算法实现的。　

　　路由算法有动静之分，静态路由是一种特殊的路由，它是由管理员手工设定的。手工配置所有的路由虽然可以使网络正常运转，但是也会带来一些局限性。网络拓扑发生变化之后，静态路由不会自动改变，必须有网络管理员的介入。缺省路由是静态路由的一种，也是由管理员设置的。在没有找到目标网络的路由表项时，路由器将信息发送到缺省路由器（gateway of last resort）。而动态的算法，顾名思义，是由路由器自动计算出的路由，常说的RIP、OSPF等等都是动态算法的典型代表。　

　　另外还可以将路由算法分为DV和LS两种。DV（Distance，距离向量）算法将当前路由器的路由信息传送给相邻路由器，相邻路由器将这些信息加入自身的路由表。而LS（Link State，链路状态）算法将链路状态信息传给域内所有的路由器，接收路由器利用这些信息构建网络拓扑图，并利用图论中的最短路径优先算法决定路由。相比之下，距离向量算法比较简单，而链路状态算法较为复杂，占用的CPU和内存也要多一些。但是由于链路状态算法采用的是自身的计算结果，所以比较不容易产生路由循环。RIP是DV类算法的典型代表，而OSPF是LS的代表协议。　

　　四种最常见路由协议是RIP、IGRP、OSPF和EIGRP。　

　　RIP（Routing Information Protocols，路由信息协议）是使用最广泛的距离向量协议，它是由施乐（Xerox）在70年代开发的。当时，RIP是XNS（Xerox Network Service，施乐网络服务）协议簇的一部分。TCP/IP版本的RIP是施乐协议的改进版。RIP最大的特点是，无论实现原理还是配置方法，都非常简单。RIP基于跳数计算路由，并且定期向邻居路由器发送更新消息。　

　　IGRP是CISCO专有的协议，只在CISCO路由器中实现。它也属于距离向量类协议，所以在很多地方与RIP有共同点，比如广播更新等等。它和RIP最大的区别表现在度量方法、负载均衡等几方面。IGRP支持多路径上的加权负载均衡，这样网络的带宽可以得到更加合理的利用。另外，与RIP仅使用跳数作为度量依据不同，IGRP使用了多种参数，构成复合的度量值，这其中可以包含的因素有：带宽、延迟、负载、可靠性和MTU（最大传输单元）等等。　

　　OSPF协议是80年代后期开发的，90年代初成为工业标准，是一种典型的链路状态协议。OSPF的主要特性包括：支持VLSM（变长的子网掩吗）、收敛迅速、带宽占用率低等等。OSP