交換？路由？路由協(xié)議？路由交換？

2019-11-04 12:07:17

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供稿：網(wǎng)友

　　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)地結(jié)合起來，目前三層交換機(jī)和多層交換機(jī)已在企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)骨干和園區(qū)網(wǎng)中被大量使用。這不是一個新話題，但很少有人將這些概念之間的關(guān)聯(lián)解讀清楚。
　　
　　交換
　　談到交換，從廣義上講，任何數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)都可以稱做交換。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)設(shè)備的人對交換的理解大多是從交換機(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，而幀交換的設(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。
　　
　　理解交換機(jī)
　　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，假如網(wǎng)段上有A、B 、C、D等4臺計(jì)算機(jī)，那么A與B通信的同時，C和D只能是被動收聽。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(wǎng)段可以互相通信，需要用橋?qū)⑺鼈冞B接起來，橋是具有兩塊網(wǎng)卡的計(jì)算機(jī)。
　　
　　在整個網(wǎng)絡(luò)剛剛啟動時，橋?qū)W(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湟粺o所知。這時，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，但橋不知道B在自己的左邊還是右邊，它就進(jìn)行缺省轉(zhuǎn)發(fā)，即在另外一塊網(wǎng)卡上發(fā)送這個信息。雖然做了一次無用的轉(zhuǎn)發(fā)，但通過這個過程，橋意識到數(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)在哪一個網(wǎng)段上。當(dāng)A再發(fā)送數(shù)據(jù)給B時，橋就不進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)了，與此同時，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，稱做減小沖突域。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)處在一個獨(dú)立的纜段上，假如網(wǎng)絡(luò)上有10臺計(jì)算機(jī)，就需要一個10端口的橋?qū)⑺鼈冞B接起來。但實(shí)現(xiàn)這樣一個橋不太現(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)的一個重要的功能是避免交換循環(huán)，這就涉及到了STP（Spanning Tree PRotocol，生成樹協(xié)議）。生成樹協(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。假如網(wǎng)絡(luò)中有冗余鏈路的話，STP協(xié)議現(xiàn)選出根交換機(jī)，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)。
　　
　　VLAN
　　交換機(jī)的另外一個重要功能是VLAN（Virtual LAN，虛擬局域網(wǎng)）。VLAN的好處主要有三個：
　　
　　● 端口的分隔。即便在同一個交換機(jī)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(jī)可以當(dāng)做多個邏輯的交換機(jī)使用。
　　
　　● 網(wǎng)絡(luò)的安全。不同VLAN不能直接通信，杜絕了廣播信息的不安全性。
　　
　　● 靈活的治理。更改用戶所屬的網(wǎng)絡(luò)不必?fù)Q端口和連線，只改軟件配置就可以了。
　　
　　VLAN可以按端口或MAC地址來劃分。
　　
　　有時，我們需要在交換機(jī)所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)上保持VLAN的配置的一致性。這就需要交換機(jī)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(jī)之間的端口上運(yùn)行。
　　
　　路由
　　路由器是網(wǎng)絡(luò)間的連接設(shè)備，它的重要工作之一是路徑選擇。這個功能是路由器智能的核心，它是由治理員的配置和一系列的路由算法實(shí)現(xiàn)的。
　　
　　算法
　　路由算法有動靜之分，靜態(tài)路由是一種非凡的路由，它是由治理員手工設(shè)定的。手工配置所有的路由雖然可以使網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但是也會帶來一些局限性。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化之后，靜態(tài)路由不會自動改變，必須有網(wǎng)絡(luò)治理員的介入。
　　
　　缺省路由是靜態(tài)路由的一種，也是由治理員設(shè)置的。在沒有找到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的路由表項(xiàng)時，路由器將信息發(fā)送到缺省路由器。而動態(tài)的算法，顧名思義，是由路由器自動計(jì)算出的路由，常說的Rip、OSPF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 Vector，距離向量）算法將當(dāng)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(nèi)所有的路由器，接收路由器利用這些信息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，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(fù)雜，占用的CPU和內(nèi)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(jì)算結(jié)果，所以比較不輕易產(chǎn)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。
　　
　　四種協(xié)議
　　四種最常見路由協(xié)議是RIP、IGRP、OSPF和EIGRP。
　　
　　RIP（Routing Information Protocol，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20世紀(jì)70年代開發(fā)的。當(dāng)時，RIP是XNS（Xerox Network Service，施樂網(wǎng)絡(luò)服務(wù)）協(xié)議簇的一部分。TCP/IP版本的RIP是施樂協(xié)議的改進(jìn)版。RIP最大的特點(diǎn)是，其實(shí)現(xiàn)原理和配置方法都非常簡單。RIP基于跳數(shù)計(jì)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(shí)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(diǎn)，比如廣播更新等。它和RIP最大的區(qū)別表現(xiàn)在度量方法、負(fù)載均衡等幾方面。IGRP支持多路徑上的加權(quán)負(fù)載均衡，這樣，網(wǎng)絡(luò)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(jù)不同，IGRP使用了多種參數(shù)，構(gòu)成復(fù)合的度量值，這其中可以包含的因素有：帶寬、延遲、負(fù)載、可靠性和MTU（最大傳輸單元）等。
　　
　　OSPF協(xié)議是20世紀(jì)80年代后期開發(fā)的，20世紀(jì)90年代初成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(wǎng)掩碼）、收斂迅速、帶寬占用率低等。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(jù)庫（LSD）之后，路由器根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的信息利用SPF（Shortest Path First，最短路徑優(yōu)先）算法計(jì)算路由表，選擇路徑的主要依據(jù)是帶寬。
　　
　　EIGRP是IGRP的增強(qiáng)版，它也是Cisco專有的路由協(xié)議。EIGRP采用了擴(kuò)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(kuò)展，EIGRP支持多種可路由的協(xié)議，如IP、IPX和AppleTalk等。運(yùn)行在IP環(huán)境時，EIGRP還可以與IGRP進(jìn)行平滑的連接，因?yàn)樗鼈兊亩攘糠椒ㄊ且恢碌摹?br />　　
　　以上4種路由協(xié)議都是域內(nèi)路由協(xié)議，它們通常使用在自治系統(tǒng)的內(nèi)部。當(dāng)進(jìn)行自治系統(tǒng)間的連接時，往往采用諸如BGP（Border Gateway Protocols，邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議）和EGP（External Gateway Protocols，外部網(wǎng)關(guān)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碰到的一個重要問題。收斂時間是指從網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化到網(wǎng)絡(luò)上所有的相關(guān)路由器都得知這一變化，并且相應(yīng)地做出改變所需要的時間。這一時間越短，網(wǎng)絡(luò)變化對全網(wǎng)的擾動就越小。收斂時間過長會導(dǎo)致路由循環(huán)的出現(xiàn)。
　　
　　全交換網(wǎng)絡(luò)
　　傳統(tǒng)的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)是路由器加交換機(jī)的結(jié)構(gòu)。交換機(jī)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的傳輸，劃分VLAN可以保證二層的安全性和靈活性，路由器則完成網(wǎng)間的尋址和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作。
　　
　　通常，路由器的性能比交換機(jī)要差一些，因?yàn)槁酚善魇腔谲浖牟楸磙D(zhuǎn)發(fā)，而交換機(jī)可以實(shí)現(xiàn)硬件的直通式轉(zhuǎn)發(fā)。但在傳統(tǒng)的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)中，路由器并不會成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。因?yàn)?0%的數(shù)據(jù)量是在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通信，只有20%的數(shù)據(jù)是做遠(yuǎn)程訪問，也就是說，大多數(shù)經(jīng)過交換機(jī)的信息并不經(jīng)過路由器。這就是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的“80/20”流量模型。
　　
　　近年來，由于Internet/Intranet計(jì)算模式的興起，應(yīng)用被集中治理，而不是像從前那樣分散在各個部門的網(wǎng)絡(luò)中，園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的流量模型發(fā)生了很大的變化。大量的網(wǎng)絡(luò)訪問是遠(yuǎn)程的，也就是要經(jīng)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(wǎng)絡(luò)的瓶頸。
　　
　　為了從技術(shù)上解決這個問題，網(wǎng)絡(luò)廠商開發(fā)了三層交換機(jī)，也叫做路由交換機(jī)。它是傳統(tǒng)交換機(jī)的性能和路由器的智能的結(jié)合。路由選擇仍由路由器完成，但路選的結(jié)果被交換機(jī)保留在自身的路由緩存中。這樣，一個數(shù)據(jù)流中的第一個數(shù)據(jù)包經(jīng)過路由器，后繼的所有數(shù)據(jù)包直接由交換機(jī)查表轉(zhuǎn)發(fā)。得益于硬件轉(zhuǎn)發(fā)，三層交換機(jī)可以做到線速路由。
　　
　　許多廠家生產(chǎn)的三層交換機(jī)本身即是交換機(jī)和路由器的結(jié)合體，例如一些二層交換機(jī)可以選配路由模塊，實(shí)現(xiàn)三層功能。
　　
　　如此看來，企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)和園區(qū)網(wǎng)的內(nèi)部就是交換機(jī)的天下了，全交換的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)新的流量模型，徹底克服了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由器瓶頸，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的效率。當(dāng)然，路由器并沒有失業(yè)，仍然被用在遠(yuǎn)程連接、撥號訪問等場合。

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