通訊網(wǎng)絡(luò )中路由和交換的對比

路由和交換是網(wǎng)絡(luò )世界中兩個(gè)重要的概念。傳統的交換發(fā)生在網(wǎng)絡(luò )的第二層，即數據鏈路層，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的結合起來(lái)，三層交換機和多層交換機在園區網(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 )層次結構、交換、路由和全交換園區網(wǎng)絡(luò )四個(gè)部分。

　　網(wǎng)絡(luò )層次結構

　　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。

　　國際標準化組織定義的OSI參考模型將計算機網(wǎng)絡(luò )按功能劃分為七個(gè)層次，這就是我們常說(shuō)的七層模型或七層結構。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(chǎng)家開(kāi)發(fā)的不同層次的軟硬件設備可以配合使用。一個(gè)層次的設備更新或軟件重寫(xiě)也不會(huì )影響到其它層次。TCP/IP協(xié)議體系中的各個(gè)層次和ISO的參考模型有大致的對應關(guān)系。如下圖所示：

　　OSI中間一層，即第四層執行傳輸功能，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，都是與數據傳輸相關(guān)的功能;上面也有三層，提供與網(wǎng)絡(luò )應用相關(guān)的功能。

　　OSI下三層中。物理層(Physical Layer)負責實(shí)際的傳送數據信號，數據鏈路層(Data Link Layer)負責網(wǎng)絡(luò )內部的幀傳輸，而網(wǎng)絡(luò )層(Network Layer)負責網(wǎng)絡(luò )間的計算機尋址和數據傳輸。

　　OSI上三層中。應用層(Application Layer)是最高的層次，它負責提供用戶(hù)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)負責數據的表示，比如發(fā)送數據之前的加密，接收數據時(shí)的解密，中英文的翻譯等等都是這一層提供的功能。會(huì )話(huà)層(Session Layer)負責建立和終止網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸，計算機名字轉換成地址的工作也在這層完成。

　　傳統意義上的交換是第二層的概念。數據鏈路層的功能是在網(wǎng)絡(luò )內部傳輸幀。所謂網(wǎng)絡(luò )內部是指這一層的傳輸不涉及網(wǎng)間的設備和網(wǎng)間尋址。通俗的理解，一個(gè)以太網(wǎng)內的傳輸，一條廣域網(wǎng)專(zhuān)線(xiàn)上的傳輸都由數據鏈路層負責。所謂幀是指所傳輸的數據的結構，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(hù)的數據。

　　數據鏈路層涵蓋的功能很多，所以又將它劃分為兩個(gè)子層， MAC(Media Access Control，介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制)層和LLC(Logical Link Control，邏輯鏈路控制)層。常見(jiàn)的局域網(wǎng)和城域網(wǎng)的二層標準是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(diǎn)對點(diǎn)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(wú)論兩臺計算機相距多遠，中間相隔多少個(gè)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(gè)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(shuō)，雖然正常情況下數據可以到達目的地，但即便出現異常，網(wǎng)絡(luò )層也不作任何更正和恢復的工作。

　　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(wèn)題，從廣義上講，任何數據的轉發(fā)都可以稱(chēng)作交換。當然，現在我們指的是狹義上的交換，僅包括數據鏈路層的轉發(fā)。做網(wǎng)絡(luò )的人理解交換大多是從交換機開(kāi)始的，電路交換機在通信網(wǎng)中已經(jīng)使用了幾十年了，做幀交換的設備，尤其是以太網(wǎng)交換機的大規模使用則是近幾年的事情。

　　理解以太網(wǎng)交換機的作用還要從網(wǎng)橋的原理講起。傳統以太網(wǎng)是共享型的，如果網(wǎng)段上有四臺計算機A、B 、C和D，那么A與B通信的同時(shí)，C和D只能是被動(dòng)的收聽(tīng)。假如將纜段分開(kāi)(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(shí)，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(shí)，為了確保這兩個(gè)網(wǎng)段可以互相通信，需要用橋將它們連接起來(lái)，橋是有兩塊網(wǎng)卡的計算機，如下圖所示：

　　在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )剛剛啟動(dòng)時(shí)，橋對網(wǎng)

絡(luò )的拓樸一無(wú)所知。這時(shí)，假設A發(fā)送數據給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)行缺省的轉發(fā)，即在另外一塊網(wǎng)卡上發(fā)送這個(gè)信息。雖然做了一次無(wú)用的轉發(fā)，但通過(guò)這個(gè)過(guò)程，橋學(xué)習到數據的發(fā)送者A在自己的左邊。當網(wǎng)絡(luò )上的每一臺計算機都發(fā)送過(guò)數據之后，橋就是智能的了，它了解每一臺計算機在哪一個(gè)網(wǎng)段上。當A再發(fā)送數據給B時(shí)，橋就不進(jìn)行數據轉發(fā)了，與此同時(shí)，C可以發(fā)送數據給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(chēng)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(gè)獨立的纜段上，如果網(wǎng)絡(luò )上有十臺計算機，就需要一個(gè)十端口的橋將它們連接起來(lái)。但實(shí)現這樣一個(gè)橋不太現實(shí)，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(gè)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(shù)協(xié)議)。分支樹(shù)協(xié)議的功能是避免數據幀在交換機構成的網(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(huà)，STP協(xié)議現選出根交換機(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)。