二層交換機

詞語解釋

“二層交換機”是一種用于在網(wǎng)絡中傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡設備，它可以將一個網(wǎng)絡中的多個計算機連接起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和交換。二層交換機的工作原理是：它將接收到的數(shù)據(jù)包根據(jù)目的地址轉發(fā)到相應的端口，而不是廣播到所有端口。它使用MAC地址來識別每一個網(wǎng)絡設備，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送到指定的設備。二層交換機的應用主要有以下幾點： 1、二層交換機可以提高網(wǎng)絡的性能，因為它可以將數(shù)據(jù)包轉發(fā)到目的地址，而不是廣播到所有端口，從而減少網(wǎng)絡的流量。 2、二層交換機可以支持多種網(wǎng)絡協(xié)議，可以支持以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)絡、FDDI等多種網(wǎng)絡協(xié)議。 3、二層交換機可以提供VLAN（虛擬局域網(wǎng)）功能，可以將一個物理網(wǎng)絡分割成多個邏輯網(wǎng)絡，可以提高網(wǎng)絡的安全性。 4、二層交換機可以提供QoS（服務質(zhì)量）功能，可以根據(jù)應用的不同，為不同的應用分配不同的帶寬，從而提高網(wǎng)絡的性能。 5、二層交換機可以提供網(wǎng)絡監(jiān)控功能，可以檢測網(wǎng)絡中的流量，從而及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的問題，并及時采取措施解決問題。二層交換機的應用越來越廣泛，它可以為網(wǎng)絡提供更高的性能和更高的安全性，是網(wǎng)絡中不可或缺的重要設備。

　　二層交換技術是發(fā)展比較成熟，二層交換機屬數(shù)據(jù)鏈路層設備，可以識別數(shù)據(jù)包中的MAC地址信息，根據(jù)MAC地址進行轉發(fā)，并將這些MAC地址與對應的端口記錄在自己內(nèi)部的一個地址表中。具體的工作流程如下：
　�。�1）當交換機從某個端口收到一個數(shù)據(jù)包，它先讀取包頭中的源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；
　�。�2）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；
　�。�3）如表中有與這目的MAC地址對應的端口，把數(shù)據(jù)包直接復制到這端口上；
　�。�4）如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。
　　不斷的循環(huán)這個過程，對于全網(wǎng)的MAC地址信息都可以學習到，二層交換機就是這樣建立和維護它自己的地址表。
　　從二層交換機的工作原理可以推知以下三點：
　　（1）由于交換機對多數(shù)端口的數(shù)據(jù)進行同時交換，這就要求具有很寬的交換總線帶寬，如果二層交換機有N個端口，每個端口的帶寬是M，交換機總線帶寬超過N×M，那么這交換機就可以實現(xiàn)線速交換；
　�。�2）學習端口連接的機器的MAC地址，寫入地址表，地址表的大小（一般兩種表示方式：一為BEFFER RAM，一為MAC表項數(shù)值），地址表大小影響交換機的接入容量；
　�。�3）還有一個就是二層交換機一般都含有專門用于處理數(shù)據(jù)包轉發(fā)的ASIC （Application specific Integrated Circuit）芯片，因此轉發(fā)速度可以做到非常快。由于各個廠家采用ASIC不同，直接影響產(chǎn)品性能。
　　以上三點也是評判二三層交換機性能優(yōu)劣的主要技術參數(shù)，這一點請大家在考慮設備選型時注意比較。
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　　路由器工作在OSI模型的第三層---網(wǎng)絡層操作，其工作模式與二層交換相似，但路由器工作在第三層，這個區(qū)別決定了路由和交換在傳遞包時使用不同的控制信息，實現(xiàn)功能的方式就不同。工作原理是在路由器的內(nèi)部也有一個表，這個表所標示的是如果要去某一個地方，下一步應該向那里走，如果能從路由表中找到數(shù)據(jù)包下一步往那里走，把鏈路層信息加上轉發(fā)出去；如果不能知道下一步走向那里，則將此包丟棄，然后返回一個信息交給源地址。
　　路由技術實質(zhì)上來說不過兩種功能：決定最優(yōu)路由和轉發(fā)數(shù)據(jù)包。路由表中寫入各種信息，由路由算法計算出到達目的地址的最佳路徑，然后由相對簡單直接的轉發(fā)機制發(fā)送數(shù)據(jù)包。接受數(shù)據(jù)的下一臺路由器依照相同的工作方式繼續(xù)轉發(fā)，依次類推，直到數(shù)據(jù)包到達目的路由器。
　　有兩種方法來實現(xiàn)路由更新:
　　1.距離矢量路由協(xié)議
　　在所有的動態(tài)路由協(xié)議中，最簡單的就是距離矢量路由協(xié)議（D-V）。它使用的是最簡單的距離矢量（Distance-Vector，簡稱D-V）路由算法。算法模型如圖1所示。
　　距離矢量算法通過上述方法累加網(wǎng)絡距離，并維護網(wǎng)絡拓撲信息數(shù)據(jù)庫。距離矢量協(xié)議定期直接傳送各自路由表的所有信息給鄰居（RIP協(xié)議默認是30秒）。網(wǎng)絡中的路由器從自己的鄰居路由器得到路由信息，并將這些路由信息連同自己的本地路由信息發(fā)送給其他鄰居，這樣一級一級地傳遞下去以達到全網(wǎng)同步。每個路由器都不了解整個網(wǎng)絡拓撲，它們只知道與自己直接相連的網(wǎng)絡情況，并根據(jù)從鄰居得到的路由信息更新自己的路由表。它所有的信息都靠道聽途說，它相信所有鄰居告訴它的所有信息，只在這些鄰居中選擇最優(yōu)的來采用，類似于“傳話”這個游戲。
　　環(huán)路的補救與避免
　　1．定義最大值
　　如上所述，發(fā)生路由環(huán)路時，路由器去往網(wǎng)絡11.4.0.0的跳數(shù)會不斷增大，網(wǎng)絡無法收斂。為解決這個問題，我們給跳數(shù)定義一個最大值，在RIP路由協(xié)議中，允許跳數(shù)最大值為16，當跳數(shù)到達最大值時，網(wǎng)絡11.4.0.0被認為是不可達的，路由器會在路由表中顯示網(wǎng)絡不可達信息，并不再更新到達網(wǎng)絡11.4.0.0的路由。
　　通過定義最大值，距離矢量路由協(xié)議可以解決發(fā)生環(huán)路時路由權值無限增大的問題，同時也校正了錯誤的路由信息。但是，在最大權值到達之前，路由環(huán)路還是會存在。也就是說，這個方案只是補救措施，不能避免環(huán)路產(chǎn)生，只能減輕路由環(huán)路產(chǎn)生的危害。
　　2．水平分割
　　水平分割是在距離矢量路由協(xié)議中最常用的避免環(huán)路發(fā)生的解決方案之一。分析產(chǎn)生路由環(huán)路的原因，其中一條就是因為路由器將從某個鄰居學到的路由信息又告訴了這個鄰居。水平分割的思想就是在路由信息傳送過程中，不再把路由信息發(fā)送給接收此路由信息的接口上。
　　3．路由中毒和抑制時間
　　路由中毒和抑制時間結合起來，也可以在一定程度上避免路由環(huán)路產(chǎn)生，同時也可以抑制因復位接口等原因引起的網(wǎng)絡動蕩。這種方法在網(wǎng)絡故障或接口復位時，使相應路由中毒，同時啟動抑制時間，控制路由器在抑制時間內(nèi)不要輕易更新自己的路由表，從而避免環(huán)路產(chǎn)生、抑制網(wǎng)絡動蕩。
　　4．觸發(fā)更新
　　觸發(fā)更新機制是在路由信息產(chǎn)生某些改變時，立即發(fā)送給相鄰路由器一種稱為觸發(fā)更新的信息。路由器檢測到網(wǎng)絡拓撲變化，立即依次發(fā)送觸發(fā)更新信息給相鄰路由器，如果每個路由器都這樣做，這個更新會很快傳播到整個網(wǎng)絡。
　　在圖5中，當網(wǎng)絡11.4.0.0 不可達了，路由器C立即通告網(wǎng)絡11.4.0.0不可達信息，路由器B接收到這個信息，就從S0口發(fā)出網(wǎng)絡11.4.0.0不可達信息，依次路由器A從E0口通告此信息。
　　從以上敘述可以看出，使用觸發(fā)更新方法能夠在一定程度上避免路由環(huán)路發(fā)生。但是，仍然存在兩個問題：
　�。�1）包含有更新信息的數(shù)據(jù)包可能會被丟掉或損壞。
　�。�2）如果觸發(fā)更新信息還沒有來得及發(fā)送，路由器就接收到相鄰路由器的周期性路由更新信息，使路由器更新了錯誤的路由信息。
　　為解決以上的問題，我們可以將抑制時間和觸發(fā)更新相結合。抑制時間方法有一個規(guī)則就是當?shù)侥骋荒康木W(wǎng)絡的路徑出現(xiàn)故障，在一定時間內(nèi)，路由器不會輕易接收到這一目的網(wǎng)絡的路徑信息。因此，將抑制時間和觸發(fā)更新相結合，就可以確保觸發(fā)信息有足夠的時間在網(wǎng)絡中傳播。
　　在多路徑的情況下，要綜合使用這幾種方案才能在一定程度上解決環(huán)路問題。距離矢量協(xié)議無論是實現(xiàn)還是管理都比較簡單，但是它的收斂速度慢，報文量大，占用較多網(wǎng)絡開銷，并且為避免路由環(huán)路需要做各種特殊處理
　　2.鏈路狀態(tài)路由協(xié)議
　　是目前使用最廣的一類域內(nèi)路由協(xié)議。它采用一種“拼圖”的設計策略，即每個路由器將它到其周圍鄰居的鏈路狀態(tài)向全網(wǎng)的其他路由器進行廣播。這樣，一個路由器收到從網(wǎng)絡中其他路由器發(fā)送過來的路由信息后，它對這些鏈路狀態(tài)進行拼裝，最終生成一個全網(wǎng)的拓撲視圖，近而可以通過最短路徑算法來計算它到別的路由器的最短路徑。
　　鏈路狀態(tài)路由選擇協(xié)議的目的是映射互連網(wǎng)絡的拓撲結構。每個鏈路狀態(tài)路由器提供關
　　于它鄰居的拓撲結構的信息。這包括：
　　&＃8226; 路由器所連接的網(wǎng)段(鏈路)。
　　&＃8226; 那些鏈路的情況(狀態(tài))。
　　這個信息在網(wǎng)絡上泛洪，目的是所有的路由器可以接收到第1手信息。鏈路狀態(tài)路由器并不會廣播包含在它們的路由表內(nèi)的所有信息。相反，鏈路狀態(tài)路由器將發(fā)送關于已經(jīng)改動的路由的信息。鏈路狀態(tài)路由器將向它們的鄰居發(fā)送呼叫消息，這稱為鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)包( L S P )或者鏈路狀態(tài)通告( L S A )。然后，鄰居將L S P復制到它們的路由選擇表中，并傳遞那個信息到網(wǎng)絡的剩余部分。這個過程稱為泛洪( f l o o d i n g )。它的結果是向網(wǎng)絡發(fā)送第1手信息，為網(wǎng)絡建立更新路由的準確映射。
　　鏈路狀態(tài)路由選擇協(xié)議使用稱為代價的方法，而不是使用跳。代價是自動或人工賦值的。根據(jù)鏈路狀態(tài)協(xié)議的算法，代價可以計算數(shù)據(jù)包必須穿越的跳數(shù)目、鏈路帶寬、鏈路上的當前負載，或者甚至其他由管理員加入的權重來評價。
　　1) 當一個鏈路狀態(tài)路由器進入鏈路狀態(tài)互連網(wǎng)絡時，它發(fā)送一個呼叫數(shù)據(jù)包，以了解其鄰居。
　　2) 鄰居用關于它們所連接的鏈路以及相關的代價度的信息進行應答。
　　3) 起始的路由器用這個信息來建立它的路由選擇表。
　　4) 然后，作為定期更新的一部分。路由器向它的鄰居發(fā)送鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)包。這個L S P包括了那個路由器的鏈路及相關代價。
　　5) 每個鄰居賦值數(shù)據(jù)包，并且將L S P傳遞到下一個鄰居。這個過程稱為泛洪。
　　6) 因為路由器并沒有在向前泛洪L S P之前重新計算路由選擇數(shù)據(jù)庫，聚合時間減少了。鏈路狀態(tài)路由選擇協(xié)議的一個主要優(yōu)點就是這樣的一個事實，即路由選擇循環(huán)不可能形成，原因是鏈路狀態(tài)協(xié)議建立它們自己的路由選擇信息表的方式。第2個優(yōu)點是，在鏈路狀態(tài)互連網(wǎng)絡中聚合是非�？斓模蚴且坏┞酚蛇x擇拓撲出現(xiàn)變動，則更新在互連網(wǎng)絡上迅速泛洪。這些優(yōu)點又釋放了路由器的資源，因為對不好的路由信息所花費的處理能力和帶寬消耗都很少。維護路由器區(qū)域的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫將在路由器上加入R A M負擔。類似的是，
　　D i j k s t r a算法不得不在每次路由改變的時候運行；這在所有的路由器上加重了C P U的負擔。
　　D i j k s t r a算法首先是最短的路徑，在這里對路徑長度的迭代確定了最短的路徑生成樹。
　　由于路由器需要做大量的路徑計算工作，一般處理器的工作能力直接決定其性能的優(yōu)劣。當然這一判斷還是對中低端路由器而言，因為高端路由器往往采用分布式處理系統(tǒng)體系設計。

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