詳解路由器與交換機的工作原理

　　本文為大家講解詳解路由器與交換機的工作原理。

　　計算機網絡往往由許多種不同類型的網絡互連連接而成。如果幾個計算機網絡只是在物理上連接在一起，它們之間並不能進行通信，那麼這種“互連”並沒有什麼實際意義。因此通常在談到“互連”時，就已經暗示這些相互連接的計算機是可以進行通信的，也就是說，從功能上和邏輯上看，這些計算機網絡已經組成了一個大型的計算機網絡，或稱為互聯網絡，也可簡稱為互聯網、互連網。

　　將網絡互相連接起來要使用一些中間設備(或中間系統)，ISO的術語稱之為中繼(relay)系統。根據中繼系統所在的層次，可以有以下五種中繼系統：

　　1.物理層(即常說的第一層、層L1)中繼系統，即轉發器(repeater)。

　　2.數據鏈路層(即第二層，層L2)，即網橋或橋接器(bridge)。

　　3.網絡層(第三層，層L3)中繼系統，即路由器(router)。

　　4.網橋和路由器的混合物橋路器(brouter)兼有網橋和路由器的功能。

　　5.在網絡層以上的中繼系統，即網關(gateway).

　　當中繼系統是轉發器時，一般不稱之為網絡互聯，因為這僅僅是把一個網絡擴大了，而這仍然是一個網絡。高層網關由於比較復雜，目前使用得較少。因此一般討論網絡互連時都是指用交換機和路由器進行互聯的網絡。本文主要闡述交換機和路由器及其區別。

　　2 交換機和路由器

　　“交換”是今天網絡裡出現頻率最高的一個詞，從橋接到路由到ATM直至電話系統，無論何種場合都可將其套用，搞不清到底什麼才是真正的交換。其實交換一詞最早出現於電話系統，特指實現兩個不同電話機之間話音信號的交換，完成該工作的設備就是電話交換機。所以從本意上來講，交換只是一種技術概念，即完成信號由設備入口到出口的轉發。因此，只要是和符合該定義的所有設備都可被稱為交換設備。由此可見，“交換”是一個涵義廣泛的詞語，當它被用來描述數據網絡第二層的設備時，實際指的是一個橋接設備;而當它被用來描述數據網絡第三層的設備時，又指的是一個路由設備。

　　我們經常說到的以太網交換機實際是一個基於網橋技術的多端口第二層網絡設備，它為數據幀從一個端口到另一個任意端口的轉發提供了低時延、低開銷的通路。

　　由此可見，交換機內部核心處應該有一個交換矩陣，為任意兩端口間的通信提供通路，或是一個快速交換總線，以使由任意端口接收的數據幀從其他端口送出。在實際設備中，交換矩陣的功能往往由專門的芯片(ASIC)完成。另外，以太網交換機在設計思想上有一個重要的假設，即交換核心的速度非常之快，以致通常的大流量數據不會使其產生擁塞，換句話說，交換的能力相對於所傳信息量而無窮大(與此相反，ATM交換機在設計上的思路是，認為交換的能力相對所傳信息量而言有限)。

　　雖然以太網第二層交換機是基於多端口網橋發展而來，但畢竟交換有其更豐富的特性，使之不但是獲得更多帶寬的最好途徑，而且還使網絡更易管理。

　　而路由器是OSI協議模型的網絡層中的分組交換設備(或網絡層中繼設備)，路由器的基本功能是把數據(IP報文)傳送到正確的網絡，包括：

　　1.IP數據報的轉發，包括數據報的尋徑和傳送;

　　2.子網隔離，抑制廣播風暴;

　　3.維護路由表，並與其他路由器交換路由信息，這是IP報文轉發的基礎。

　　4.IP數據報的差錯處理及簡單的擁塞控制;

　　5.實現對IP數據報的過濾和記帳。

　　路由器---所謂路由就是指通過相互連接的網絡把信息從源地點移動到目標地點的活動。一般來說，在路由過程中，信息至少會經過一個或多個中間節點。通常，人們會把路由和交換進行對比，這主要是因為在普通用戶看來兩者所實現的功能是完全一樣的。其實，路由和交換之間的主要區別就是交換發生在OSI參考模型的第二層(數據鏈路層)，而路由發生在第三層，即網絡層。這一區別決定了路由和交換在移動信息的過程中需要使用不同的控制信息，所以兩者實現各自功能的方式是不同的。

　　交換機---交換(switching)是按照通信兩端傳輸信息的需要，用人工或設備自動完成的方法，把要傳輸的信息送到符合要求的相應路由上的技術統稱。廣義的交換機(switch)就是一種在通信系統中完成信息交換功能的設備。

　　在計算機網絡系統中，交換概念的提出是對於共享工作模式的改進。我們以前介紹過的HUB集線器就是一種共享設備，HUB本身不能識別目的地址，當同一局域網內的A主機給B主機傳輸數據時，數據包在以HUB為架構的網絡上是以廣播方式傳輸的，由每一台終端通過驗證數據包頭的地址信息來確定是否接收。也就是說，在這種工作方式下，同一時刻網絡上只能傳輸一組數據幀的通訊，如果發生碰撞還得重試。這種方式就是共享網絡帶寬。

　　交換機擁有一條很高帶寬的背部總線和內部交換矩陣。交換機的所有的端口都掛接在這條背部總線上，控制電路收到數據包以後，處理端口會查找內存中的地址對照表以確定目的MAC(網卡的硬件地址)的NIC(網卡)掛接在哪個端口上，通過內部交換矩陣迅速將數據包傳送到目的端口，目的MAC若不存在才廣播到所有的端口，接收端口回應後交換機會“學習”新的地址，並把它添加入內部MAC地址表中。

　　使用交換機也可以把網絡“分段”，通過對照MAC地址表，交換機只允許必要的網絡流量通過交換機。通過交換機的過濾和轉發，可以有效的隔離廣播風暴，減少誤包和錯包的出現，避免共享沖突。

　　交換機在同一時刻可進行多個端口對之間的數據傳輸。每一端口都可視為獨立的網段，連接在其上的網絡設備獨自享有全部的帶寬，無須同其他設備競爭使用。當節點A向節點D發送數據時，節點B可同時向節點C發送數據，而且這兩個傳輸都享有網絡的全部帶寬，都有著自己的虛擬連接。假使這裡使用的是10Mbps的以太網交換機，那麼該交換機這時的總流通量就等於2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB時，一個HUB的總流通量也不會超出10Mbps。

　　總之，交換機是一種基於MAC地址識別，能完成封裝轉發數據包功能的網絡設備。交換機可以“學習”MAC地址，並把其存放在內部地址表中，通過在數據幀的始發者和目標接收者之間建立臨時的交換路徑，使數據幀直接由源地址到達目的地址