通訊網絡中路由和交換的對比

作者：時間：2011-05-28 來源：網絡

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路由和交換是網絡世界中兩個重要的概念。傳統(tǒng)的交換發(fā)生在網絡的第二層，即數(shù)據鏈路層，而路由則發(fā)生在第三層，網絡層。在新的網絡中，路由的智能和交換的性能被有機的結合起來，三層交換機和多層交換機在園區(qū)網絡中大量使用。本文將介紹一些路由和交換的基本概念，分為網絡層次結構、交換、路由和全交換園區(qū)網絡四個部分。

　　網絡層次結構

　　網絡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。

　　國際標準化組織定義的OSI參考模型將計算機網絡按功能劃分為七個層次，這就是我們常說的七層模型或七層結構。網絡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備可以配合使用。一個層次的設備更新或軟件重寫也不會影響到其它層次。TCP/IP協(xié)議體系中的各個層次和ISO的參考模型有大致的對應關系。如下圖所示：

　　OSI中間一層，即第四層執(zhí)行傳輸功能，它負責提供從一臺計算機到另外一臺計算機之間的可靠數(shù)據傳輸。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)據傳輸相關的功能;上面也有三層，提供與網絡應用相關的功能。

　　OSI下三層中。物理層(Physical Layer)負責實際的傳送數(shù)據信號，數(shù)據鏈路層(Data Link Layer)負責網絡內部的幀傳輸，而網絡層(Network Layer)負責網絡間的計算機尋址和數(shù)據傳輸。

　　OSI上三層中。應用層(Application Layer)是最高的層次，它負責提供用戶操作的界面，因特網中常用的電子郵件服務，文件傳輸服務等都是這一層提供的。表示層(Presentation Layer)負責數(shù)據的表示，比如發(fā)送數(shù)據之前的加密，接收數(shù)據時的解密，中英文的翻譯等等都是這一層提供的功能。會話層(Session Layer)負責建立和終止網絡的數(shù)據傳輸，計算機名字轉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)據鏈路層的功能是在網絡內部傳輸幀。所謂"網絡內部"是指這一層的傳輸不涉及網間的設備和網間尋址。通俗的理解，一個以太網內的傳輸，一條廣域網專線上的傳輸都由數(shù)據鏈路層負責。所謂"幀"是指所傳輸?shù)臄?shù)據的結構，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信息，頭尾之間的內容即是用戶的數(shù)據。

　　數(shù)據鏈路層涵蓋的功能很多，所以又將它劃分為兩個子層， MAC(Media Access Control，介質訪問控制)層和LLC(Logical Link Control，邏輯鏈路控制)層。常見的局域網和城域網的二層標準是IEEE的802協(xié)議。而在廣域網中，HDLC(High-level Data Link Control，高級鏈路控制)、PPP(Point-to-Point Protocol，點對點協(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。網絡層在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算機相距多遠，中間相隔多少個網絡，這一層保障它們可以互相通信。例如我們常用的PING命令就是一個網絡層的命令，PING通了，就是指網絡層的功能正常了。通常，網絡層不保障通訊的可靠性，也就是說，雖然正常情況下數(shù)據可以到達目的地，但即便出現(xiàn)異常，網絡層也不作任何更正和恢復的工作。

　　網絡層常用的協(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(網際報文控制)和IGMP(組管理協(xié)議)等等。由于網絡互連設備都具有路徑選擇功能，所以我們經常將 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)據的轉發(fā)都可以稱作交換。當然，現(xiàn)在我們指的是狹義上的交換，僅包括數(shù)據鏈路層的轉發(fā)。做網絡的人理解交換大多是從交換機開始的，電路交換機在通信網中已經使用了幾十年了，做幀交換的設備，尤其是以太網交換機的大規(guī)模使用則是近幾年的事情。

　　理解以太網交換機的作用還要從網橋的原理講起。傳統(tǒng)以太網是共享型的，如果網段上有四臺計算機A、B 、C和D，那么A與B通信的同時，C和D只能是被動的收聽。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，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，為了確保這兩個網段可以互相通信，需要用橋將它們連接起來，橋是有兩塊網卡的計算機，如下圖所示：

　　在整個網絡剛剛啟動時，橋對網

絡的拓樸一無所知。這時，假設A發(fā)送數(shù)據給B，因為網絡是廣播式的，所以橋也收到了，但橋不知到B在自己的左邊還是右邊，它就進行缺省的轉發(fā)，即在另外一塊網卡上發(fā)送這個信息。雖然做了一次無用的轉發(fā)，但通過這個過程，橋學習到數(shù)據的發(fā)送者A在自己的左邊。當網絡上的每一臺計算機都發(fā)送過數(shù)據之后，橋就是智能的了，它了解每一臺計算機在哪一個網段上。當A再發(fā)送數(shù)據給B時，橋就不進行數(shù)據轉發(fā)了，與此同時，C可以發(fā)送數(shù)據給D。

　　從上面的例子可以看出，橋可以減少網絡沖突發(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算機處在一個獨立的纜段上，如果網絡上有十臺計算機，就需要一個十端口的橋將它們連接起來。但實現(xiàn)這樣一個橋不太現(xiàn)實，軟件轉發(fā)的速度也跟不上，于是有了交換機，交換機就是將上述多端口的橋硬件或固件化，以達到更低的成本和更高的性能。

　　交換機的一個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)據幀在交換機構成的網絡中循環(huán)傳送。如下圖所示，如果網絡中有冗余鏈路的話，STP協(xié)議現(xiàn)選出根交換機(Route Bridge)，然后確定每一臺非根交換機到根交換機之間的路徑，最后，將此路徑上的所有鏈路置成轉發(fā)(Forward)狀態(tài)，其余的交換機之間的連接就是冗余鏈路，置為阻塞(Block)狀態(tài)。

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

　　端口的分隔。即便在同一個交換機上，處于不同VLAN的端口也是不能通信的。這樣一個物理的交換機可以當作多個邏輯的交換機使用。

　　網絡的安全。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。更改用戶所屬的網絡不必換端口和聯(lián)線，只該軟件配置就可以了。

　　VLAN可以按端口或MAC地址來劃分。

　　有時，我們需要在交換機所構成的網絡上保持VLAN的配置的一致性。這就需要交換機之間按照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)，即交換機之間的端口上運行。

　　路由

　　路由器是網絡間的連接設備，它重要工作之一是路徑選擇。這個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現(xiàn)的。

　　路由算法有動靜之分，靜態(tài)路由是一種特殊的路由，它是由管理員手工設定的。手工配置所有的路由雖然可以使網絡正常運轉，但是也會帶來一些局限性。網絡拓撲發(fā)生變化之后，靜態(tài)路由不會自動改變，必須有網絡管理員的介入。缺省路由是靜態(tài)路由的一種，也是由管理員設置的。在沒有找到目標網絡的路由表項時，路由器將信息發(fā)送到缺省路由器(gateway of last resort)。而動態(tài)的算法，顧名思義，是由路由器自動計算出的路由，常說的RIP、OSPF等等都是動態(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)信息傳給域內所有的路由器，接收路由器利用這些信息構建網絡拓撲圖，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單，而鏈路狀態(tài)算法較為復雜，占用的CPU和內存也要多一些。但是由于鏈路狀態(tài)算法采用的是自身的計算結果，所以比較不容易產生路由循環(huán)。RIP是DV類算法的典型代表，而OSPF是LS的代表協(xié)議。

　　四種最常見路由協(xié)議是RIP、IGRP、OSPF和EIGRP。

　　RIP(Routing Information Protocols，路由信息協(xié)議)是使用最廣泛的距離向量協(xié)議，它是由施樂(Xerox)在70年代開發(fā)的。當時，RIP是XNS(Xerox Network Service，施樂網絡服務)協(xié)議簇的一部分。TCP/IP版本的RIP是施樂協(xié)議的改進版。RIP最大的特點是，無論實現(xiàn)原理還是配置方法，都非常簡單。RIP基于跳數(shù)計算路由，并且定期向鄰居路由器發(fā)送更新消息。

　　IGRP是CISCO專有的協(xié)議，只在CISCO路由器中實現(xiàn)。它也屬于距離向量類協(xié)議，所以在很多地方與RIP有共同點，比如廣播更新等等。它和RIP最大的區(qū)別表現(xiàn)在度量方法、負載均衡等幾方面。IGRP支持多路徑上的加權負載均衡，這樣網絡的帶寬可以得到更加合理的利用。另外，與RIP僅使用跳數(shù)作為度量依據不同，IGRP使用了多種參數(shù)，構成復合的度量值，這其中可以包含的因素有：帶寬、延遲、負載、可靠性和MTU(最大傳輸單元)等等。

　　OSPF協(xié)議是80年代后期開發(fā)的，90年代初成為工業(yè)標準，是一種典型的鏈路狀態(tài)協(xié)議。OSPF的主要特性包括：支持VLSM(變長的子網掩嗎)、收斂迅速、帶寬占用率低等等。OSPF協(xié)議在鄰居之間交換鏈路狀態(tài)信息，以便路由器建立鏈路狀態(tài)數(shù)據庫(LSD)，之后，路由器根據數(shù)據庫中的信息利用SPF(Shortest Path First，最短路徑優(yōu)先)算法計算路由表，選擇路徑的主要依據是帶寬。

　　EIGRP是IGRP的增強版，它也是CISCO專有的路由協(xié)議。EIGRP采用了擴散更新(DUAL)算法，在某種程度上，它和距離向量算法相似，但具有更短的收斂時間和更好的可操作性。作為對IGRP的擴展，EIGRP支持多種可路由的協(xié)議，如IP、IPX和AppleTalk等等。運行在IP環(huán)境時，EIGRP還可以與IGRP進行平滑的連接，因為它們的度量方法是一致的。

　　以上四種路由協(xié)議都是域內路由協(xié)議，他們通常使用在自治系統(tǒng)的內部。當進行自治系統(tǒng)間的連接時，往往采用諸如BGP(Border Gateway Protocols，邊界路由協(xié)議)和EGP(External Gateway Protocols，外部路由協(xié)議)這樣的域間路由協(xié)議。目前在Internet上使用的域間路由協(xié)議是BGP第四版。

　　收斂是路由算法選擇時所遇到的一個重要問題。收斂時間是指從網絡的拓撲結構發(fā)生變化到網絡上所有的相關路由器都得知這一變化，并且相應地做出改變所需要的時間。這一時間越短，網絡變化對全網的擾動就越小。收斂時間過長會導致路由循環(huán)的出現(xiàn)。

　　在上述幾種域內路由算法中，RIP和IGRP的收斂時間相對較長，都是分鐘數(shù)量級的;OSPF要短一些，數(shù)十秒內可以收斂;EIGRP最短，網絡拓撲發(fā)生變化之后，幾秒鐘即可達到收斂狀態(tài)。

　　全交換園區(qū)網絡

　　傳統(tǒng)的園區(qū)網絡是路由器加交換機的結構。如下圖所示，交換機負責網絡內部的傳輸，劃分VLAN以保證二層的安全性和靈活性，路由器則完成網間的尋址和數(shù)據轉發(fā)工作。

　　通常，路由器的性能比交換機要差一些，因為路由器是基于軟件的查表轉發(fā)，而交換機可以實現(xiàn)硬件的直通式轉發(fā)。但在傳統(tǒng)的園區(qū)網絡中，路由器并不會成為網絡的瓶頸。因為80%的數(shù)據量是在網絡內部的通訊，只有20%的數(shù)據是做遠程訪問，也就是說，大多數(shù)經過交換機的信息并不經過路由器。這就是傳統(tǒng)網絡的80/20流量模型。

　　近年來由于Internet/Intranet計算模式的興起，應用被集中管理，而不是象從前那樣分散在各個部門的網絡中，園區(qū)網絡的流量模型發(fā)生了很大的變化。大量的網絡訪問是遠程的，也就是要經過路由器的。這被稱為新的20/80流量模型。因此，路由器逐漸成為網絡的瓶頸。

　　為了從技術上解決這個問題，網絡廠商開發(fā)了三層交換機，也叫做路由交換機。它是傳統(tǒng)交換機的性能和路由器的智能的結合。路由選擇仍由路由器完成，但路選的結果被交換機保留在自身的路由緩存中。這樣，一個數(shù)據流中的第一個數(shù)據包經過路由器，后繼的所有數(shù)據包直接由交換機查表轉發(fā)。得益于硬件轉發(fā)，三層交換機可以做到線速路由，如下圖所示。