《路由交換技術(shù)與應用》課件第5章

第5章網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備介紹5.1中繼器5.2集線器5.3網(wǎng)橋5.4交換機5.5路由器5.6路由交換機5.7常用設(shè)備的對比小結(jié)

主要內(nèi)容：

常用數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品的種類和作用

交換機的基本工作原理

路由器的基本工作原理

路由交換機的基本工作原理

中繼器(Repeater)是位于第一層(OSI參考模型的物理層)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。數(shù)據(jù)離開源在網(wǎng)絡(luò)上傳送時，它能夠轉(zhuǎn)換沿著網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)傳輸?shù)碾娒}沖或者光脈沖——這些脈沖稱為信號。當信號離開發(fā)送工作站時，信號是規(guī)則的，而且很容易辨認出來。但是，當信號沿著網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)傳送時，隨著經(jīng)過的線纜越來越長，信號就會變得越來越弱，越來越差。中繼器可在比特級別對網(wǎng)絡(luò)信號進行再生和重定時，延長傳輸距離?，F(xiàn)在中繼器不再作為單獨的設(shè)備來使用，其它設(shè)備集成了原中繼器信號放大的功能。5.1中繼器圖5-1集線器

集線器(HUB)工作在物理層，是單一總線共享式設(shè)備，提供很多網(wǎng)絡(luò)接口，可將網(wǎng)絡(luò)中多個計算機連在一起。通過HUB連接的計算機構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)在物理上是星型拓撲結(jié)構(gòu)，但在邏輯上是總線型拓撲結(jié)構(gòu)。所有的工作站通過HUB相連都共享同一個傳輸媒體，所以所有的設(shè)備都處于同一個沖突域，所有的設(shè)備都處于同一個廣播域，設(shè)備共享相同的帶寬。集線器如圖5-1所示。5.2集線器以太網(wǎng)使用CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，帶有沖突監(jiān)測的載波偵聽多址訪問)機制，當終端數(shù)量增多時，沖突也會隨之增多，所以一個沖突域中如果主機數(shù)量過多，則會導致過多的沖突存在，消耗有效帶寬，導致網(wǎng)絡(luò)性能下降，甚至造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

網(wǎng)橋(Bridge)是第二層設(shè)備，它用來創(chuàng)建兩個或多個LAN分段。其中每一個分段都是一個獨立的沖突域。換言之，網(wǎng)橋設(shè)計用來產(chǎn)生更大的可用帶寬。它的目的是過濾LAN的通信流，使得本地的通信流保留在本地，而讓那些定向到LAN其他部分(分段)的通信流轉(zhuǎn)發(fā)到那里去。網(wǎng)橋僅僅通過查看MAC地址來過濾網(wǎng)絡(luò)通信流，因此它能夠快速轉(zhuǎn)發(fā)任何代表網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的通信流。5.3網(wǎng)橋

二層交換機是數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備，它能夠讀取數(shù)據(jù)包中的MAC地址信息并根據(jù)MAC地址來進行交換。它隔離了沖突域，工作在數(shù)據(jù)鏈路層。所以交換機每個端口都是單獨的沖突域。5.4交換機交換機內(nèi)部有一個地址表，這個地址表標明了MAC地址和交換機端口的對應關(guān)系。當交換機從某個端口收到一個數(shù)據(jù)包時，它首先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機器是連在哪個端口上的，它再去讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找相應的端口；如果表中有與該目的MAC地址對應的端口，則把數(shù)據(jù)包直接復制到該端口上；如果在表中找不到相應的端口，則把數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上；當目的機器對源機器回應時，交換機又可以學習一目的MAC地址與哪個端口對應，在下次傳送數(shù)據(jù)時就不再需要對所有端口進行廣播了。二層交換機就是這樣建立和維護它自己的地址表的。由于二層交換機一般具有很寬的交換總線帶寬，所以可以同時為很多端口進行數(shù)據(jù)交換。如果二層交換機有N個端口，每個端口的帶寬是M，而它的交換機總線帶寬超過N×M，那么該交換機就可以實現(xiàn)限速交換。二層交換機對廣播包是不做限制的，把廣播包復制到所有端口上。

二層交換機一般都含有專門用于處理數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)芯片，因此轉(zhuǎn)發(fā)速度可以非?？?。

路由器工作于OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層(網(wǎng)絡(luò)層)。路由器內(nèi)部有一個路由表，這表標明了數(shù)據(jù)包發(fā)往某個地方，下一步應該往哪走。路由器從某個端口收到一個數(shù)據(jù)包，它首先把鏈路層的包頭去掉(拆包)，讀取目的IP地址，然后查找路由表，若能確定下一步往哪送，則再加上鏈路層的包頭(打包)，把該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去；如果不能確定下一步的地址，則向源地址返回一個信息，并把這個數(shù)據(jù)包丟掉。5.5路由器路由技術(shù)和二層交換看起來有點相似，其實路由和交換之間的主要區(qū)別就是交換發(fā)生在OSI參考模型的第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)，而路由發(fā)生在第三層。這一區(qū)別決定了路由和交換在傳送數(shù)據(jù)的過程中需要使用不同的控制信息，所以兩者實現(xiàn)各自功能的方式是不同的。

路由技術(shù)其實是由兩項最基本的活動組成的，即決定最優(yōu)路徑和傳輸數(shù)據(jù)包。其中，數(shù)據(jù)包的傳輸較為簡單和直接，而路由的確定復雜一些。路由算法在路由表中寫入各種不同的信息，路由器會根據(jù)數(shù)據(jù)包所要到達的目的地，選擇最佳路徑把數(shù)據(jù)包發(fā)送到。路由器的工作過程如圖5-2所示。

圖5-2路由器的工作過程被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包可以到達該目的地的下一臺路由器處。當下一臺路由器接收到該數(shù)據(jù)包時，也會查看其目標地址，并使用合適的路徑繼續(xù)傳送給后面的路由器。依次類推，直到數(shù)據(jù)包到達最終目的地。

路由器之間進行相互通信，可以通過傳送不同類型的信息維護各自的路由表。路由更新信息便是這樣一種信息，一般是由部分或全部路由表組成。通過分析其它路由器發(fā)出的路由更新信息，路由器可以掌握整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。鏈路狀態(tài)廣播是另外一種在路由器之間傳遞的信息，它可以把信息發(fā)送方的鏈路狀態(tài)及時地通知給其它路由器。

路由交換機又稱三層交換機，是帶有路由功能的交換機，是路由器功能與交換機功能的有機結(jié)合。從硬件方面看，第二層交換機的接口模塊都是通過高速背板/總線(速率可高達幾十吉比特每秒)交換數(shù)據(jù)的，在第三層交換機中，與路由器有關(guān)的第三層路由硬件模塊也插接在高速背板/總線上，使得路由模塊可以與需要路由的其他模塊間高速地交換數(shù)據(jù)，突破了傳統(tǒng)的外接路由器接口速率的限制。5.6路?由?交?換?機軟件方面，第三層交換機將傳統(tǒng)的路由器軟件進行了界定，對于數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，如IP/IPX包的轉(zhuǎn)發(fā)，這些規(guī)律的過程通過硬件來高速實現(xiàn)；對于路由信息的更新、路由表維護、路由計算、路由的確定等功能，用優(yōu)化、高效的軟件實現(xiàn)。

假設(shè)兩個使用IP協(xié)議的機器通過第三層交換機進行通信，機器A在開始發(fā)送時，已知目的IP地址，但尚不知道在局域網(wǎng)上發(fā)送所需要的MAC地址。要采用地址解析(ARP)來確定目的MAC地址。機器A把自己的IP地址與目的IP地址比較，從其軟件中配置的子網(wǎng)掩碼提取出網(wǎng)絡(luò)地址來確定目的機器是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。若目的機器B與機器A在同一子網(wǎng)內(nèi)，A廣播一個ARP請求，B返回其MAC地址，A得到目的機器B的MAC地址后將這一地址緩存起來，并用此MAC地址封包轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，第二層交換模塊查找MAC地址表來確定將數(shù)據(jù)包發(fā)向目的端口。若兩個機器不在同一子網(wǎng)內(nèi)，如發(fā)送機器A要與目的機器C通信，發(fā)送機器A要向“缺省網(wǎng)關(guān)”發(fā)出ARP包，而“缺省網(wǎng)關(guān)”的IP地址已經(jīng)在系統(tǒng)軟件中設(shè)置。這個IP地址實際上對應第三層交換機的第三層交換模塊。所以當發(fā)送機器A對“缺省網(wǎng)關(guān)”的IP地址廣播出一個ARP請求時，若第三層交換模塊在以往的通信過程中已得到目的機器C的MAC地址，則向發(fā)送機器A回復C的MAC地址；否則第三層交換模塊根據(jù)路由信息向目的機器廣播一個ARP請求，目的機器C得到此ARP請示后向第三層交換模塊回復其MAC地址，第三層交換模塊保存此地址并回復給發(fā)送機器A。當再進行A與C之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時，將用最終的目的機器的MAC地址封裝，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程全部交給第二層交換處理，信息得以高速交換。既所謂的一次選路，多次交換。

二層交換機主要用在小型局域網(wǎng)中，機器數(shù)量在二三十臺以下，這樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，廣播包影響不大，二層交換機的快速交換功能、多個接入端口和低廉價格為小型網(wǎng)絡(luò)用戶提供了很完善的解決方案。在這種小型網(wǎng)絡(luò)中，根本沒必要使用路由器和三層交換機，增加管理的難度和費用。5.7常用設(shè)備的對比三層交換機是為IP設(shè)計的，接口類型簡單，擁有很強的二層包處理能力。大型局域網(wǎng)為了減小廣播風暴的危害，必須按功能或地域等因素劃分為多個小局域網(wǎng)，也就是多個小網(wǎng)段，這導致不同網(wǎng)段之間存在大量的互訪。使用二層交換機沒辦法實現(xiàn)網(wǎng)間的互訪，而使用路由器，由于端口數(shù)量有限，路由速度較慢，限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和訪問速度。所以，由二層交換技術(shù)和路由技術(shù)結(jié)合而成的三層交換機最為適用于大型局域網(wǎng)。路由器端口類型多，支持的三層協(xié)議多，路由能力強，所以適合于大型網(wǎng)絡(luò)之間的互連。不少三層交換機甚至二層交換機都有異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的互連端口，但一般大型網(wǎng)絡(luò)的互連端口不多，互連設(shè)備的主要功能不在于端口之間的快速交換，而是要選擇最佳路徑，進行負載分擔，鏈路備份與其它網(wǎng)絡(luò)進行路由信息交換，所有這些都是路由完成的功能。在這種情況下，自然不可能使用二層交換機，但是否使用三層交換機，則視具體情況而定。影響的因素主要有網(wǎng)絡(luò)流量、響應速度要求和投資預算等。三層交換機的最重要目的是加快大型局域網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換，揉合進去的路由功能也是為這目的服務的，所以它的路由功能沒有同一檔次的專業(yè)路由器強。在網(wǎng)絡(luò)流量很大的情況下，如果三層交換機既做網(wǎng)內(nèi)的交換，又做網(wǎng)間的路由，必然會大大加重它的負擔，影響響應速度。在網(wǎng)絡(luò)流量很大，但又要求響應速度很高的情況下，由三層交換機做網(wǎng)內(nèi)的交換，由路由器專門負責網(wǎng)間的路由工作，這樣可以充分發(fā)揮不同設(shè)備的優(yōu)勢，是一個很好的配合。當然，如果受到投資預算的限制，由三層交換機兼做網(wǎng)間互連，也是一個不錯的選擇。

本章主要介紹了如下內(nèi)容：

(1)常用的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作方式、使用特點。