二層交換機(jī)

詞語解釋

“二層交換機(jī)”是一種用于在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它可以將一個網(wǎng)絡(luò)中的多個計算機(jī)連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和交換。二層交換機(jī)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(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)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(luò)設(shè)備，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送到指定的設(shè)備。二層交換機(jī)的應(yīng)用主要有以下幾點(diǎn)： 1、二層交換機(jī)可以提高網(wǎng)絡(luò)的性能，因?yàn)樗梢詫?shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的地址，而不是廣播到所有端口，從而減少網(wǎng)絡(luò)的流量。 2、二層交換機(jī)可以支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以支持以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)、FDDI等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 3、二層交換機(jī)可以提供VLAN（虛擬局域網(wǎng)）功能，可以將一個物理網(wǎng)絡(luò)分割成多個邏輯網(wǎng)絡(luò)，可以提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。 4、二層交換機(jī)可以提供QoS（服務(wù)質(zhì)量）功能，可以根據(jù)應(yīng)用的不同，為不同的應(yīng)用分配不同的帶寬，從而提高網(wǎng)絡(luò)的性能。 5、二層交換機(jī)可以提供網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能，可以檢測網(wǎng)絡(luò)中的流量，從而及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的問題，并及時采取措施解決問題。二層交換機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，它可以為網(wǎng)絡(luò)提供更高的性能和更高的安全性，是網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的重要設(shè)備。

　　二層交換技術(shù)是發(fā)展比較成熟，二層交換機(jī)屬數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備，可以識別數(shù)據(jù)包中的MAC地址信息，根據(jù)MAC地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并將這些MAC地址與對應(yīng)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(dāng)交換機(jī)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(jī)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(yīng)的端口；
　　（3）如表中有與這目的MAC地址對應(yīng)的端口，把數(shù)據(jù)包直接復(fù)制到這端口上；
　�。�4）如表中找不到相應(yīng)的端口則把數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上，當(dāng)目的機(jī)器對源機(jī)器回應(yīng)時，交換機(jī)又可以學(xué)習(xí)一目的MAC地址與哪個端口對應(yīng)，在下次傳送數(shù)據(jù)時就不再需要對所有端口進(jìn)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(xué)習(xí)到，二層交換機(jī)就是這樣建立和維護(hù)它自己的地址表。
　　從二層交換機(jī)的工作原理可以推知以下三點(diǎn)：
　�。�1）由于交換機(jī)對多數(shù)端口的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)有N個端口，每個端口的帶寬是M，交換機(jī)總線帶寬超過N×M，那么這交換機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)線速交換；
　�。�2）學(xué)習(xí)端口連接的機(jī)器的MAC地址，寫入地址表，地址表的大�。ㄒ话銉煞N表示方式：一為BEFFER RAM，一為MAC表項(xiàng)數(shù)值），地址表大小影響交換機(jī)的接入容量；
　�。�3）還有一個就是二層交換機(jī)一般都含有專門用于處理數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的ASIC （Application specific Integrated Circuit）芯片，因此轉(zhuǎn)發(fā)速度可以做到非�？臁Ｓ捎诟鱾€廠家采用ASIC不同，直接影響產(chǎn)品性能。
　　以上三點(diǎn)也是評判二三層交換機(jī)性能優(yōu)劣的主要技術(shù)參數(shù)，這一點(diǎn)請大家在考慮設(shè)備選型時注意比較。
　　（二）路由技術(shù)
　　路由器工作在OSI模型的第三層---網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(biāo)示的是如果要去某一個地方，下一步應(yīng)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(zhuǎn)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(shù)實(shí)質(zhì)上來說不過兩種功能：決定最優(yōu)路由和轉(zhuǎn)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(dá)目的地址的最佳路徑，然后由相對簡單直接的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)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(zhuǎn)發(fā)，依次類推，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)目的路由器。
　　有兩種方法來實(shí)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(luò)距離，并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?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(rèn)是30秒）。網(wǎng)絡(luò)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(dá)到全網(wǎng)同步。每個路由器都不了解整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�，它們只知道與自己直接相連的網(wǎng)絡(luò)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(bǔ)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(luò)11.4.0.0的跳數(shù)會不斷增大，網(wǎng)絡(luò)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(dāng)跳數(shù)到達(dá)最大值時，網(wǎng)絡(luò)11.4.0.0被認(rèn)為是不可達(dá)的，路由器會在路由表中顯示網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)信息，并不再更新到達(dá)網(wǎng)絡(luò)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(quán)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(quán)值到達(dá)之前，路由環(huán)路還是會存在。也就是說，這個方案只是補(bǔ)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?yàn)槁酚善鲗哪硞€鄰居學(xué)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(jié)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(fù)位接口等原因引起的網(wǎng)絡(luò)動蕩。這種方法在網(wǎng)絡(luò)故障或接口復(fù)位時，使相應(yīng)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(luò)動蕩。
　　4．觸發(fā)更新
　　觸發(fā)更新機(jī)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(luò)拓?fù)渥兓⒓匆来伟l(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(luò)。
　　在圖5中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)11.4.0.0 不可達(dá)了，路由器C立即通告網(wǎng)絡(luò)11.4.0.0不可達(dá)信息，路由器B接收到這個信息，就從S0口發(fā)出網(wǎng)絡(luò)11.4.0.0不可達(dá)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(jié)合。抑制時間方法有一個規(guī)則就是當(dāng)?shù)侥骋荒康木W(wǎng)絡(luò)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(luò)的路徑信息。因此，將抑制時間和觸發(fā)更新相結(jié)合，就可以確保觸發(fā)信息有足夠的時間在網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(luò)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(shè)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(jìn)行廣播。這樣，一個路由器收到從網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行拼裝，最終生成一個全網(wǎng)的拓?fù)湟晥D，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(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個鏈路狀態(tài)路由器提供關(guān)
　　于它鄰居的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(luò)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(guān)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(fù)制到它們的路由選擇表中，并傳遞那個信息到網(wǎng)絡(luò)的剩余部分。這個過程稱為泛洪( f l o o d i n g )。它的結(jié)果是向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送第1手信息，為網(wǎng)絡(luò)建立更新路由的準(zhǔn)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(dāng)前負(fù)載，或者甚至其他由管理員加入的權(quán)重來評價。
　　1) 當(dāng)一個鏈路狀態(tài)路由器進(jìn)入鏈路狀態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)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(guān)于它們所連接的鏈路以及相關(guān)的代價度的信息進(jìn)行應(yīng)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(guān)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?yàn)槁酚善鞑]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(diǎn)就是這樣的一個事實(shí)，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(diǎn)是，在鏈路狀態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)中聚合是非�？斓模蚴且坏┞酚蛇x擇拓?fù)涑霈F(xiàn)變動，則更新在互連網(wǎng)絡(luò)上迅速泛洪。這些優(yōu)點(diǎn)又釋放了路由器的資源，因?yàn)閷Σ缓玫穆酚尚畔⑺ㄙM(fèi)的處理能力和帶寬消耗都很少。維護(hù)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(fù)擔(dān)。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(yùn)行；這在所有的路由器上加重了C P U的負(fù)擔(dān)。
　　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(dāng)然這一判斷還是對中低端路由器而言，因?yàn)楦叨寺酚善魍捎梅植际教幚硐到y(tǒng)體系設(shè)計。

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