交换机及路由器的原理与作用

交换机及路由的原理与应用

路由器是一种典型的网络层设备。它是两个局域网之间接帧传输数据，在OSI／RM之中被称之为中介系统，完成网络层中继或第三层中继的任务。路由器负责在两个局域网的网络层间接帧传输数据，转发帧时需要改变帧中的地址。

一、原理与作用

路由器（Router）是用于连接多个逻辑上分开的网络，所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选择路径的功能，它能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网，路由器只接受源站或其他路由器的信息，属网络层的一种互联设备。它不关心各子网使用的硬件设备，但要求运行与网络层协议相一致的软件。路由器分本地路由器和远程路由器，本地路由器是用来连接网络传输介质的，如光纤、同轴电缆、双绞线；远程路由器是用来连接远程传输介质，并要求相应的设备，如电话线要配调制解调器，无线要通过无线接收机、发射机。

一般说来，异种网络互联与多个子网互联都应采用路由器来完成。

路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。由此可见，选择最佳路径的策略即路由算法是路由器的关键所在。为了完成；这项工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据——路径表（Routing Table），供路由选择；时使用。路径表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路径表可以是由系统管理员固定设置好的，也可以由系统动态修改，可以由路由器自动调整，也可以由主机控制。

1．静态路径表

由系统管理员事先设置好固定的路径表称之为静态（static）路径表，一般是在系统安装时就根据网络的配置情况预先设定的，它不会随未来网络结构的改变而改变。

2．动态路径表

动态（Dynamic）路径表是路由器根据网络系统的运行情况而自动调整的路径表。路由器根据路由选择协议（Routing Protocol）提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据传输的最佳路径。

二、路由器的优缺点

1．优点

·适用于大规模的网络；

·复杂的网络拓扑结构，负载共享和最优路径；

·能更好地处理多媒体；

·安全性高；

·隔离不需要的通信量；

·节省局域网的频宽；

·减少主机负担。

2．缺点

·它不支持非路由协议；

·安装复杂；

·价格高。

三、路由器的功能

（1）在网络间截获发送到远地网段的报文，起转发的作用。

（2）选择最合理的路由，引导通信。为了实现这一功能，路由器要按照某种路由通信协议，查找路由表，路由表中列出整个互联网络中包含的各个节点，以及节点间的路径情况和与它们相联系的传输费用。如果到特定的节点有一条以上路径，则基于预先确定的准则选择最优（最经济）的路径。由于各种网络段和其相互连接情况可能发生变化，因此路由情况的信息需要及时更新，这是由所使用的路由信息协议规定的定时更新或者按变化情况更新来完成。网络中的每个路由器按照这一规则动态地更新它所保持的路由表，以便保持有效的路由信息。

（3）路由器在转发报文的过程中，为了便于在网络间传送报文，按照预定的规则把大的数据包分解成适当大小的数据包，到达目的地后再把分解的数据包包装成原有形式。

（4）多协议的路由器可以连接使用不同通信协议的网络段，作为不同通信协议网络段通信连接的平台。

（5）路由器的主要任务是把通信引导到目的地网络，然后到达特定的节点站地址。后一个功能是通过网络地址分解完成的。例如，把网络地址部分的分配指定成网络、子网和区域的一组节点，其余的用来指明子网中的特别站。分层寻址允许路由器对有很多个节点站的网络存储寻址信息。

在广域网范围内的路由器按其转发报文的性能可以分为两种类型，即中间节点路由器和边界路由器。尽管在不断改进的各种路由协议中，对这两类路由器所使用的名称可能有很大的差别，但所发挥的作用却是一样的。

中间节点路由器在网络中传输时，提供报文的存储和转发。同时根据当前的路由表所保持的路由信息情况，选择最好的路径传送报文。由多个互连的LAN组成的公司或企业网络一侧和外界广域网相连接的路由器，就是这个企业网络的边界路由器。它从外部广域网收集向本企业网络寻址的信息，转发到企业网络中有关的网络段；另一方面集中企业网络中各个LAN段向外部广域网发送的报文，对相关的报文确定最好的传输路径。

我们通过一个例子来说明路由器工作原理。

例：工作站A需要向工作站B传送信息（并假定工作站B的IP地址为120.0.5），它们之间需要通过多个路由器的接力传递,其工作原理如下：

（1）工作站A将工作站B的地址120.0.5连同数据信息以数据帧的形式发送给路由器1。

（2）路由器1收到工作站A的数据帧后，先从报头中取出地址120.0.5，并根据路径表计算出发往工作站B的最佳路径：R1->R2->R5->B；并将数据帧发往路由器2。

（3）路由器2重复路由器1的工作，并将数据帧转发给路由器5。

（4）路由器5同样取出目的地址，发现120.0.5就在该路由器所连接的网段上，于是将该数据帧直接交给工作站B。

（5）工作站B收到工作站A的数据帧，一次通信过程宣告结束。

事实上，路由器除了上述的路由选择这一主要功能外，还具有网络流量控制功能。有的路由器仅支持单一协议，但大部分路由器可以支持多种协议的传输，即多协议路由器。由于每一种协议都有自己的规则，要在一个路由器中完成多种协议的算法，势必会降低路由器的性能。因此，我们以为，支持多协议的路由器性能相对较低。用户购买路由器时，需要根据自己的实际情况，选择自己需要的网络协议的路由器。

近年来出现了交换路由器产品，从本质上来说它不是什么新技术，而是为了提高通信能力，把交

换机的原理组合到路由器中，使数据传输能力更快、更好。

交换机工作原理

一、概述

1993年，局域网交换设备出现，1994年，国内掀起了交换网络技术的热潮。其实，交换技术是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品，体现了桥接技术的复杂交换技术在OSI 参考模型的第二层操作。与桥接器一样，交换机按每一个包中的MAC地址相对简单地决策信息转发。而这种转发决策一般不考虑包中隐藏的更深的其他信息。与桥接器不同的是交换机转发延迟很小，操作接近单个局域网性能，远远超过了普通桥接互联网络之间的转发性能。

交换技术允许共享型和专用型的局域网段进行带宽调整，以减轻局域网之间信息流通出现的瓶颈问题。现在已有以太网、快速以太网、FDDI和ATM技术的交换产品。

类似传统的桥接器，交换机提供了许多网络互联功能。交换机能经济地将网络分成小的冲突网域，为每个工作站提供更高的带宽。协议的透明性使得交换机在软件配置简单的情况下直接安装在多协议网络中；交换机使用现有的电缆、中继器、集线器和工作站的网卡，不必作高层的硬件升级；交换机对工作站是透明的，这样管理开销低廉，简化了网络节点的增加、移动和网络变化的操作。

利用专门设计的集成电路可使交换机以线路速率在所有的端口并行转发信息，提供了比传统桥接器高得多的操作性能。如理论上单个以太网端口对含有64个八进制数的数据包，可提供14880bps

的传输速率。这意味着一台具有12个端口、支持6道并行数据流的“线路速率”以太网交换器必须提供89280bps的总体吞吐率（6道信息流Ｘ14880bps／道信息流）。专用集成电路技术使得交换器在更多端口的情况下以上述性能运行，其端口造价低于传统型桥接器。

二、三种交换技术

1．端口交换

端口交换技术最早出现在插槽式的集线器中，这类集线器的背板通常划分有多条以太网段（每条网段为一个广播域），不用网桥或路由连接，网络之间是互不相通的。以大主模块插入后通常被分配到某个背板的网段上，端口交换用于将以太模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。根据支持的程度，端口交换还可细分为：

·模块交换：将整个模块进行网段迁移。

·端口组交换：通常模块上的端口被划分为若干组，每组端口允许进行网段迁移。

·端口级交换：支持每个端口在不同网段之间进行迁移。这种交换技术是基于OSI第一层上完成的，具有灵活性和负载平衡能力等优点。如果配置得当，那么还可以在一定程度进行客错，但没有改变共享传输介质的特点，自而未能称之为真正的交换。

2．帧交换

帧交换是目前应用最广的局域网交换技术，它通过对传统传输媒介进行微分段，提供并行传送的机制，以减小冲突域，获得高的带宽。一般来讲每个公司的产品的实现技术均会有差异，但对网络帧的处理方式一般有以下几种：

·直通交换：提供线速处理能力，交换机只读出网络帧的前14个字节，便将网络帧传送到相应的端口上。

·存储转发：通过对网络帧的读取进行验错和控制。

前一种方法的交换速度非常快，但缺乏对网络帧进行更高级的控制，缺乏智能性和安全性，同时也无法支持具有不同速率的端口的交换。因此，各厂商把后一种技术作为重点。

有的厂商甚至对网络帧进行分解，将帧分解成固定大小的信元，该信元处理极易用硬件实现，处理速度快，同时能够完成高级控制功能（如美国MADGE公司的LET集线器）如优先级控制。

3．信元交换

ATM技术代表了网络和通讯技术发展的未来方向，也是解决目前网络通信中众多难题的一剂“良药”，ATM采用固定长度53个字节的信元交换。由于长度固定，因而便于用硬件实现。ATM采用专用的非差别连接，并行运行，可以通过一个交换机同时建立多个节点，但并不会影响每个节点之间的通信能力。ATM还容许在源节点和目标、节点建立多个虚拟链接，以保障足够的带宽和容错能力。ATM 采用了统计时分电路进行复用，因而能大大提高通道的利用率。ATM的带宽可以达到25M、155M、622M 甚至数Gb的传输能力。

三、局域网交换机的种类和选择

局域网交换机根据使用的网络技术可以分为：

·以大网交换机；

·令牌环交换机；

·FDDI交换机；

·ATM交换机；

·快速以太网交换机等。

如果按交换机应用领域来划分，可分为：

·台式交换机；

·工作组交换机；

·主干交换机；

·企业交换机；

·分段交换机；

·端口交换机；

·网络交换机等。

局域网交换机是组成网络系统的核心设备。对用户而言，局域网交换机最主要的指标是端口的配置、数据交换能力、包交换速度等因素。因此，在选择交换机时要注意以下事项：（1）交换端口的数量；

（2）交换端口的类型；

（3）系统的扩充能力；

（4）主干线连接手段；

（5）交换机总交换能力；

（6）是否需要路由选择能力；

（7）是否需要热切换能力；

（8）是否需要容错能力；

（9）能否与现有设备兼容，顺利衔接；

（10）网络管理能力。

四、交换机应用中几个值得注意的问题

1．交换机网络中的瓶颈问题

交换机本身的处理速度可以达到很高，用户往往迷信厂商宣传的Gbps级的高速背板。其实这是一种误解，连接入网的工作站或服务器使用的网络是以大网，它遵循CSMA／CD介质访问规则。在当

前的客户／服务器模式的网络中多台工作站会同时访问服务器，因此非常容易形成服务器瓶颈。有的厂商已经考虑到这一点，在交换机中设计了一个或多个高速端口（如3COM的Linkswitch1000可以配置一个或两个100Mbps端口），方便用户连接服务器或高速主干网。用户也可以通过设计多台服务器（进行业务划分）或追加多个网卡来消除瓶颈。交换机还可支持生成树算法，方便用户架构容错的冗余连接。

2．网络中的广播帧

目前广泛使用的网络操作系统有Netware、Windows NT等，而Lan Server的服务器是通过发送网络广播帧来向客户机提供服务的。这类局域网中广播包的存在会大大降低交换机的效率，这时可以利用交换机的虚拟网功能（并非每种交换机都支持虚拟网）将广播包限制在一定范围内。

每台文交换机的端口都支持一定数目的MAC地址，这样交换机能够“记忆”住该端口一组连接站点的情况，厂商提供的定位不同的交换机端口支持MAC数也不一样，用户使用时一定要注意交换机端口的连接端点数。如果超过厂商给定的MAC数，交换机接收到一个网络帧时，只有其目的站的MAC

地址不存在于该交换机端口的MAC地址表中，那么该帧会以广播方式发向交换机的每个端口。

3．虚拟网的划分

虚拟网是交换机的重要功能，通常虚拟网的实现形式有三种：

(1)静态端口分配

静态虚拟网的划分通常是网管人员使用网管软件或直接设置交换机的端口，使其直接从属某个虚拟网。这些端口一直保持这些从属性，除非网管人员重新设置。这种方法虽然比较麻烦，但比较安全，容易配置和维护。

（2）动态虚拟网

支持动态虚拟网的端口，可以借助智能管理软件自动确定它们的从属。端口是通过借助网络包的MAC地址、逻辑地址或协议类型来确定虚拟网的从属。当一网络节点刚连接入网时，交换机端口还未分配，于是交换机通过读取网络节点的MAC地址动态地将该端口划入某个虚拟网。这样一旦网管人员配置好后，用户的计算机可以灵活地改变交换机端口，而不会改变该用户的虚拟网的从属性，而且如果网络中出现未定义的MAC地址，则可以向网管人员报警。

（3）多虚拟网端口配置

该配置支持一用户或一端口可以同时访问多个虚拟网。这样可以将一台网络服务器配置成多个业务部门（每种业务设置成一个虚拟网）都可同时访问，也可以同时访问多个虚拟网的资源，还可让多个虚拟网间的连接只需一个路由端口即可完成。但这样会带来安全上的隐患。虚拟网的业界规范正在制定当中，因而各个公司的产品还谈不上互操作性。Cisco公司开发了Inter－Switch Link（ISL）虚拟网络协议，该协议支持跨骨干网（ATM、FDDI、Fast Ethernet）的虚拟网。但该协议被指责为缺乏安全性上的考虑。传统的计算机网络中使用了大量的共享式Hub，通过灵活接入计算机端口也可以获得好的效果。

4.高速局域网技术的应用

快速以太网技术虽然在某些方面与传统以大网保持了很好的兼容性，但100BASE-TX、

100BASAE-T4及100BASE-FX对传输距离和级连都有了比较大的限制。通过100Mbps的交换机可以打破这些局限。同时也只有交换机端口才可以支持双工高速传输。

目前也出现了CDDI／FDDI的交换技术，另外该CDDI／FDDI的端口价格也呈下降趋势，同时在传输距离和安全性方面也有比较大的优势，因此它是大型网络骨干的一种比较好的选择。

3COM的主要交换产品有Linkswitch系列和LANplex系列；BAY的主要交换产品有

LattisSwitch2800，BAY stack workgroup、System3O00／5000（提供某些可选交换模块）；Cisco的主要交换产品有Catalyst 1000／2000／3000／5000系列。

三家公司的产品形态看来都有相似之处，产品的价格也比较接近，除了设计中要考虑网络环境的具体需要（强调端口的搭配合理）外，还需从整体上考虑，例如网管、网络应用等。随着ATM技术的发展和成熟以及市场竞争的加剧，帧交换机的价格将会进一步下跌，它将成为工作组网的重要解决方案。

局域网交换机基础

对于小企业来说，从价格角度上看，集线器具有价格便宜的优势，但随着网络应用不断丰富，局域网不但需要支持越来越多的用户，而且要支持网络日渐复杂的拓扑结构。在这种形势下，网络规划和系统集成变得越来越复杂，因此交换机就成为备受关注的网络产品。

对于一个较大的网络来说，不但要考虑兼容性、可扩展性，而且要考虑主干与骨干之间的带宽平衡以及不同的网络介质在不同的传输距离上的稳定性，使得主干与骨干的连接既能满足带宽需要又能满足不同的传输距离。而用户在考虑以上多种因素的同时又不得不考虑可承受的价格范围。那么，究竟交换机与集线器的区别在哪儿？

交换机与集线器的区别从大的方面来看可以分为以下三点，从中不难看出我们为什么要选择交换机：

1、从OSI体系结构来看，集线器属于OSI的第一层物理层设备，而交换机属于OSI的第二层数据链路层设备。也就意味着集线器只是对数据的传输起到同步、放大和整形的作用，对数据传输中的短帧、碎片等无法进行有效的处理，不能保证数据传输的完整性和正确性；而交换机不但可以对数据的传输做到同步、放大和整形，而且可以过滤短帧、碎片等。

2、从工作方式来看，集线器是一种广播模式，也就是说集线器的某个端口工作的时候，其他所有端口都能够收听到信息，容易产生广播风暴，当网络较大时网络性能会受到很大的影响，那么用什么方法去避免这种现象呢？交换机就能够起到这种作用!当交换机工作的时候，只有发出请求的端口和目的端口之间相互响应而不影响其他端口，因此交换机就能够隔离冲突域和有效的抑制广播风暴的产生。

3、从带宽来看，集线器不管有多少个端口，所有端口都是共享一条带宽，在同一时刻只能有二个端口传送数据，其他端口只能等待，同时集线器只能工作在半双工模式下；而对于交换机而言，每个端口都有一条独占的带宽，当二个端口工作时并不影响其他端口的工作，同时交换机不但可以工作在半双工模式下而且可以工作在全双工模式下。

这里，我们选择了几款具有较好性价比的交换机产品，以满足今天以太网的多种用户的需求。

一．金长城GES－1524M

长城公司的金长城GES－1524M是一款提供一个集成于单一机箱的24端口10/100Mbps UTP快速以太网接口和1个千兆插槽的以太网交换机。金长城GES－1524M交换机是国内品牌中少数能同时提供100M和1000M传输速率的产品，不仅为用户提供从核心主干到分支的全系列介质和全系列传输速率的连接，而且为到桌面一级提供了较高的带宽。

GES－1524M灵活的设计使其成为理想的以太网骨干设备，能快速适应网络的改变和增长，而对于主干与骨干的连接来说，GES－1524M提供一种可扩展的灵活配置的插槽解决方案，在这个插槽中可以选择两种介质(UTP与光纤)的模组，传输速率有1000Base－SX/LX、100Base－FX、10/100Base －UTP。其1000Base－LX最大传输距离可达10km，100Base－FX最大传输距离可达60km。

二．STAR－S1924F

STAR－S1924F是实达网络公司研发的国内第一台自主技术的具有网络管理功能的交换机。STAR －S1924F是具有24端口和一个扩展槽、可上100Mbps光纤模块的10/100Mbps网管型以太网交换机。

STAR－S1924F交换机满足了国内用户对二层网管交换机的需求。该产品实现了对SNMP的管理，从而提供了丰富多样的管理功能：多台S1924F的管理、系统设置、动态地址表监控、基于端口的网络监控、Spanning Tree Protocol设置、TRAP管理、SuperPing、TFTP Server。

三．3Com SuperStack 3 4900系列

SuperStack 3 4900系列交换机是3Com公司主要的固定配置千兆交换产品系列，包括铜导体上的12端口100/1000M 4900交换机和多模光纤上的12端口4900SX交换机。两种型号有集成的模块插槽可以容纳额外的4端口千兆以太网交换模块，适用各种千兆介质。

3Com SuperStack 3 4900交换机可在简单低价的平台上提供高性能、多功能的千兆以太网交换，12端口交换机支持传统的5类电缆。SuperStack 3 4900系列交换机的典型用户是不断发展的中小型网络。

SuperStack 3 4900 交换机家族提供高级的第二层交换功能（如每端口多优先权排序以及基于820.1p的分类）、虚拟LAN及VLAN标记、标准多点传输过滤支持以及7组RMON。该家族还支持固有的弹性特性，如Spanning Tree、弹性链接、链路集中等，允许您建立强大、耐故障的冗余网络中枢链路。另外，4900系列交换机的高级ASIC结构可提供行业领先的千兆交换性能以及有线速度的IP 路由，支持未来的第三层交换。

第三节网络互联设备

如果说由于微型计算机的普及，导致了若干台微机相互连接，从而产生了局域网的话，那么由于网络的普遍应用，为了满足在更大范围内实现相互通信和资源共享，因而，导致了网络之间的互联。本节将介绍一般网络互联的硬件设备。

网络互联时，必须解决如下问题：在物理上如何把两种网络连接起来。一种网络如何与另一种网络实现互访与通信，如何解决它们之间协议方面的差别，如何处理速率与带宽的差别，解决这些问题，协调，转换机制的部件就是中继器，网桥，路由器和网关等。

用硬件的方法解决网络之间的差异：

l.中继器：

传输介质超过了网段长度后，可用中继器延伸网络的距离，对弱信号予以再生放大，IEEE802标准规定最多允许四个中继器接五个网段。中继器工作在物理层，不提供网段隔离功能。

2．特殊的中继器：

集线器与交换器(多端口中继器)：

(1)集线器：

是一种以星型拓并结构将通信线路集中在一起的设备，相当于总线，工作在物理层，是局域网中应用最广的连接设备，按配置形式分为独立型hub，模块化hub和堆叠式hub三种。

智能型hub改进了一般hub的缺点，增加了桥接能力，可滤掉不属于自己网段的帧，增大网段的频宽，且具有网管能力和自动检测端口所连接的PC网卡速度的能力。

市场上常见有10M，100M等速率的hub。

(2)交换器(switch)：

交换式以太网数据包的目的地址将以太包从原端口送至目的端，向不同的目的端口发送以太包

时，就可以同时传送这些以太包，达到提高网络实际吞吐量的效果。交换器可以同时建立多个传输路径，所以在应用联结多台服务器的网段上可以收到明显的效果。主要用于联hub，server或分散式主干网。

按采用技术对交换器进行分类：

直通交换．(cut—through)：一旦收到信息包中的目标地址，在收到全帧之前便开始转发。适用于同速率端口和碰撞误码率低的环境。

存储转发：(store—and—forward)：确认收到的帧，过滤处理坏帧。适用于不同速率端口和碰撞，误码串高的环境。

应用注意：

(1)选10／100M适应交换机。

(2)选两种以上技术的交换机。

3、网桥：

(1)过滤和转发。

(2)学习功能。

(3)连接不同的传输介质，无路径选择能力。

4、路由器：在多个网络和介质之间实现网络互联的一种设备，是一种比网桥更复杂的网络互联设备。

主要功能：

(1)分组转发，提供最佳路径，将不同硬件技术的网络互联起来。必要时进行分组格式和分组长度的转换。

(2)提供隔离，划分子网，路由器的每一端口都是一个单独的子网。

(3)提供经济合理的WAN接入。

(4)支持备用网络路径，支持网状网络拓扑，交换机，网桥要求，无环路拓扑。互联各种局域网和广域网。适用于大型交换网络。可以认为使用Route后，形形色色的通信子网融为一体，形成了一个更大范围的网络，从宏观的角度出发,可以认为通信子网实际上是由路由器组成的网络，路由器之间的通信则通过各种通信子网的通信能力予以实现。

4．网关：用来互联完全不同的网络。

主要功能：把一种协议变成另一种协议，把一种数据格式变成另一种数据格式，把一种速率变成另一种速率，以求两者的统一。提供中转中间接口。在Internet中，网关是一台计算机设备，它能根据用户通信用的计算机的IP地址，界定是否将用户发出的信息送出本地网络，同时，它还将外界发送给本地网络计算机的信息接收。