詳解路由與交換

詳解路由與交換

路由和交換是網(wǎng)絡(luò)世界中兩個重要的概念。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)的結(jié)合起來，三層交換機(jī)和多層交換機(jī)在園區(qū)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)、交換、路由和全交換園區(qū)網(wǎng)絡(luò)四個部分。

網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)

??? 網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)化組織定義的OSI參考模型將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)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(shè)備可以配合使用。一個層次的設(shè)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(yīng)關(guān)系。

　　 OSI中間一層，即第四層執(zhí)行傳輸功能，它負(fù)責(zé)提供從一臺計算機(jī)到另外一臺計算機(jī)之間的可靠數(shù)據(jù)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(jù)傳輸相關(guān)的功能；上面也有三層，提供與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相關(guān)的功能。

　　 OSI下三層中。物理層（Physical Layer）負(fù)責(zé)實際的傳送數(shù)據(jù)信號，數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的幀傳輸，而網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)間的計算機(jī)尋址和數(shù)據(jù)傳輸。
　　 OSI上三層中。應(yīng)用層（Application Layer）是最高的層次，它負(fù)責(zé)提供用戶操作的界面，因特網(wǎng)中常用的電子郵件服務(wù)，文件傳輸服務(wù)等都是這一層提供的。表示層（Presentation Layer）負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的表示，比如發(fā)送數(shù)據(jù)之前的加密，接收數(shù)據(jù)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(fù)責(zé)建立和終止網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，計算機(jī)名字轉(zhuǎn)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(jù)鏈路層的功能是在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳輸幀。所謂"網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部"是指這一層的傳輸不涉及網(wǎng)間的設(shè)備和網(wǎng)間尋址。通俗的理解，一個以太網(wǎng)內(nèi)的傳輸，一條廣域網(wǎng)專線上的傳輸都由數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)。所謂"幀"是指所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，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(nèi)容即是用戶的數(shù)據(jù)。

　　 數(shù)據(jù)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(zhì)訪問控制）層和LLC（Logical Link Control，邏輯鏈路控制）層。常見的局域網(wǎng)和城域網(wǎng)的二層標(biāo)準(zhǔn)是IEEE的802協(xié)議。而在廣域網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)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(jī)相距多遠(yuǎn)，中間相隔多少個網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)層的命令，PING通了，就是指網(wǎng)絡(luò)層的功能正常了。通常，網(wǎng)絡(luò)層不保障通訊的可靠性，也就是說，雖然正常情況下數(shù)據(jù)可以到達(dá)目的地，但即便出現(xiàn)異常，網(wǎng)絡(luò)層也不作任何更正和恢復(fù)的工作。

　　 網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)際報文控制）和IGMP（組管理協(xié)議）等等。由于網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備都具有路徑選擇功能，所以我們經(jīng)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(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)都可以稱作交換。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)的人理解交換大多是從交換機(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，做幀交換的設(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，如果網(wǎng)段上有四臺計算機(jī)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(wǎng)段可以互相通信，需要用橋?qū)⑺鼈冞B接起來，橋是有兩塊網(wǎng)卡的計算機(jī)。

在整個網(wǎng)絡(luò)剛剛啟動時，橋?qū)W(wǎng)絡(luò)的拓樸一無所知。這時，假設(shè)A發(fā)送數(shù)據(jù)給B，因為網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行缺省的轉(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?qū)W習(xí)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(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算機(jī)處在一個獨(dú)立的纜段上，如果網(wǎng)絡(luò)上有十臺計算機(jī)，就需要一個十端口的橋?qū)⑺鼈冞B接起來。但實現(xiàn)這樣一個橋不太現(xiàn)實，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，分支樹協(xié)議）。分支樹協(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。如下圖所示，如果網(wǎng)絡(luò)中有冗余鏈路的話，STP協(xié)議現(xiàn)選出根交換機(jī)（Route Bridge），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)。

　　 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)作多個邏輯的交換機(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。

　　 靈活的管理。更改用戶所屬的網(wǎng)絡(luò)不必?fù)Q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(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。

路由器是網(wǎng)絡(luò)間的連接設(shè)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(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)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(shè)置的。在沒有找到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)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(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算結(jié)果，所以比較不容易產(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(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(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(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(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(nèi)路由協(xié)議，他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(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)。

　　 在上述幾種域內(nèi)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(nèi)可以收斂；EIGRP最短，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化之后，幾秒鐘即可達(dá)到收斂狀態(tài)。

　　 全交換園區(qū)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，因為路由器是基于軟件的查表轉(zhuǎn)發(fā)，而交換機(jī)可以實現(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。因為80%的數(shù)據(jù)量是在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通訊，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計算模式的興起，應(yīng)用被集中管理，而不是象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，如下圖所示。

　　 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，如Cisco的5000，5500，6500系列的交換機(jī)可以選配路由模塊，實現(xiàn)三層功能。

　　 如此一來，園區(qū)網(wǎng)的內(nèi)部就是交換機(jī)和三層交換機(jī)的天下了，全交換的園區(qū)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。同時，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。

　　 本文第一部分中回顧了網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)，接下來談了傳統(tǒng)的路由和交換的原理，最后介紹了在現(xiàn)在的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)中如何將路由和交換的優(yōu)勢相結(jié)合，最好地滿足用戶的流量模型。

　　 路由，交換，路由交換是本文的主要三個問題。