《數(shù)據(jù)通信》結(jié)課論文

數(shù)據(jù)通信結(jié)課論文數(shù)據(jù)通信結(jié) 課 論 文二層、三層交換機(jī)與路由器基本工作原理及其主要區(qū)別專業(yè)班級(jí)：電工1301學(xué) 號(hào)：09900130343學(xué)生姓名：趙倢二一六 年 四 月1 交換與路由技術(shù)為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用深化帶來的挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)在規(guī)模和速度方向都在急劇發(fā)展，局域網(wǎng)的速度已從最初的10Mbit/s 提高到100Mbit/s，目前千兆以太網(wǎng)技術(shù)已得到普遍應(yīng)用。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面也從早期的共享介質(zhì)的局域網(wǎng)發(fā)展到目前的交換式局域網(wǎng)。交換式局域網(wǎng)技術(shù)使專用的帶寬為用戶所獨(dú)享，極大的提高了局域網(wǎng)傳輸?shù)男?.1 交換技術(shù)交換技術(shù)可以識(shí)別數(shù)據(jù)幀中的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(duì)應(yīng)的端口，記錄在自己內(nèi)部的一個(gè)MAC地址表中。交換 switching 是按照通信兩端傳輸信息的需要，用人工或設(shè)備自動(dòng)完成的方法，把要傳輸?shù)男畔⑺偷椒弦蟮南鄳?yīng)路由上的技術(shù)統(tǒng)稱。廣義的交換機(jī) switch 就是一種在通信系統(tǒng)中完成信息交換功能的設(shè)備。 的HUB 集線器就是一種共享設(shè)備，HUB本身不能識(shí)別目的地址，當(dāng)同一局域網(wǎng)內(nèi)的A主機(jī)給B主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)包在以HUB為架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)上是以廣播方式傳輸?shù)模擅恳慌_(tái)終端通過驗(yàn)證數(shù)據(jù)包頭的地址信息來確定是否接收。 交換機(jī)也可以把網(wǎng)絡(luò)“分段”，通過對(duì)照MAC地址表，交換機(jī)只允許必要的網(wǎng)絡(luò)流量通過交換機(jī)。通過交換機(jī)的過濾和轉(zhuǎn)發(fā)，可以有效的隔離廣播風(fēng)暴，減少誤包和錯(cuò)包的出現(xiàn)，避免共享沖突。 交換機(jī)是一種基于MAC地址識(shí)別，能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。交換機(jī)可以“學(xué)習(xí)”MAC地址，并把其存放在內(nèi)部地址表中，通過在數(shù)據(jù)幀的始發(fā)者和目標(biāo)接收者之間建立臨時(shí)的交換路徑，使數(shù)據(jù)幀直接由源地址到達(dá)目的地址。 第3層交換技術(shù)是1997年前后才開始出現(xiàn)的一種交換技術(shù)，最初是為了解決廣播域的問題。經(jīng)過多年發(fā)展，第3層交換技術(shù)已經(jīng)成為構(gòu)建多業(yè)務(wù)融合網(wǎng)絡(luò)的主要力量。在大規(guī)模局域網(wǎng)中，為了減小廣播風(fēng)暴的危害，必須把大型局域網(wǎng)按功能或地域等因素劃分成多個(gè)小局域網(wǎng)，這樣必然導(dǎo)致不同子網(wǎng)間的大量互訪，而單純使用第2層交換技術(shù)，卻無法實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)間的互訪。為了從技術(shù)上解決這個(gè)問題，網(wǎng)絡(luò)廠商利用第3層交換技術(shù)開發(fā)了3層交換機(jī)，也叫做路由交換機(jī)，它是傳統(tǒng)交換機(jī)與路由器的智能結(jié)合。1.2 路由技術(shù)路由技術(shù)主要是指路由選擇算法。因特網(wǎng)的路由選擇協(xié)議的特點(diǎn)及分類。其中，路由選擇算法可以分為靜態(tài)路由選擇算法和動(dòng)態(tài)路由算法。路由選擇的特點(diǎn)是:屬于自適應(yīng)的選擇協(xié)議(即動(dòng)態(tài)的);是分布式路由選擇協(xié)議;采用分層次的路由選擇協(xié)議，即分自制系統(tǒng)內(nèi)部和自治系統(tǒng)外部路由選擇協(xié)議。因特網(wǎng)的路由選擇協(xié)議劃分為兩大類:內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議 (IGP,具體的協(xié)議有RIP和OSPF等)和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議 (EGP,目前使用最多的是BGP)。路由技術(shù)是由兩項(xiàng)最基本的活動(dòng)組成，即決定最優(yōu)路徑和傳輸數(shù)據(jù)包。其中，數(shù)據(jù)包的傳輸相對(duì)較為簡(jiǎn)單和直接，而路由的確定則更加復(fù)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(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包所要到達(dá)的目的地選擇最佳路徑把數(shù)據(jù)包發(fā)送到可以到達(dá)該目的地的下一臺(tái)路由器處。當(dāng)下一臺(tái)路由器接收到 該數(shù)據(jù)包時(shí)，也會(huì)查看其目標(biāo)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(dá)最終目的地。 2 二層交換機(jī)、三層交換機(jī)與路由器2.1 二層交換機(jī)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(shí)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(duì)應(yīng)的端口記錄在自己機(jī)器是連在哪個(gè)端口上； （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）如表中有與這目的內(nèi)部的一個(gè)地址表中. 具體如下： （1）當(dāng)交換機(jī)從某個(gè)端口收到一個(gè)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MAC地址對(duì)應(yīng)的端口，把數(shù)據(jù)包直接復(fù)制到這端口上. 2.2 三層交換機(jī)三層交換技術(shù)就是將路由技術(shù)與交換技術(shù)合二為一的技術(shù)。在對(duì)第一個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行路由后，它將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)MAC地址與IP地址的映射表，當(dāng)同樣的數(shù)據(jù)流再次通過時(shí)，將根據(jù)此表直接從二層通過而不是再次路由，從而消除了路由器進(jìn)行路由選擇而造成網(wǎng)絡(luò)的延遲，提高了數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的效率. 2.3 路由器路由器工作于OSI七層協(xié)議中的第三層，其主要任務(wù)是接收來自一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)包，根據(jù)其中所含的目的地址，決定轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)目的地址。因此，路由器首先得在轉(zhuǎn)發(fā)路由表中查找它的目的地址，若找到了目的地址，就在數(shù)據(jù)包的幀格前添加下一個(gè)MAC地址，同時(shí)IP數(shù)據(jù)包頭的TTL（Time To Live）域也開始減數(shù)，并重新計(jì)算校驗(yàn)和。當(dāng)數(shù)據(jù)包被送到輸出端口時(shí)，它需要按順序等待，以便被傳送到輸出鏈路上。 路由器在工作時(shí)能夠按照某種路由通信協(xié)議查找設(shè)備中的路由表。如果到某一特定節(jié)點(diǎn)有一條以上的路徑，則基本預(yù)先確定的路由準(zhǔn)則是選擇最優(yōu)（或最經(jīng)濟(jì)）的傳輸路徑。由于各種網(wǎng)絡(luò)段和其相互連接情況可能會(huì)因環(huán)境變化而變化，因此路由情況的信息一般也按所使用的路由信息協(xié)議的規(guī)定而定時(shí)更新。 3 二層交換機(jī)、三層交換機(jī)與路由器主要區(qū)別3.1 三層交換機(jī)與二層交換機(jī)區(qū)別三層交換機(jī)使用了三層交換技術(shù) 三層交換技術(shù)就是：二層交換技術(shù)三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。它解決了局域網(wǎng)中網(wǎng)段劃分之后，網(wǎng)段中子網(wǎng)必須依賴路由器進(jìn)行管理的局面，解決了傳統(tǒng)路由器低速、復(fù)雜所造成的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題。由于僅僅在路由過程中才需要三層處理，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)都通過二層交換轉(zhuǎn)發(fā)，因此三層交換機(jī)的速度很快，接近二層交換機(jī)的速度，同時(shí)比相同路由器的價(jià)格低很多 3.2 二層交換機(jī)與路由器區(qū)別傳統(tǒng)交換機(jī)從網(wǎng)橋發(fā)展而來，屬于OSI第二層即數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備。它根據(jù)MAC地址尋址，通過站表選擇路由，站表的建立和維護(hù)由交換機(jī)自動(dòng)進(jìn)行。路由器屬于OSI第三層即網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備，它根據(jù)IP地址進(jìn)行尋址，通過路由表路由協(xié)議產(chǎn)生。交換機(jī)最大的好處是快速，由于交換機(jī)只須識(shí)別幀中MAC地址，直接根據(jù)MAC地址產(chǎn)生選擇轉(zhuǎn)發(fā)端口算法簡(jiǎn)單，便于ASIC實(shí)現(xiàn)，因此轉(zhuǎn)發(fā)速度極高。但交換機(jī)的工作機(jī)制也帶來一些問題。 1.回路：根據(jù)交換機(jī)地址學(xué)習(xí)和站表建立算法，交換機(jī)之間不允許存在回路。一旦存在回路，必須啟動(dòng)生成樹算法，阻塞掉產(chǎn)生回路的端口。而路由器的路由協(xié)議沒有這個(gè)問題，路由器之間可以有多條通路來平衡負(fù)載，提高可靠性。 2.負(fù)載集中：交換機(jī)之間只能有一條通路，使得信息集中在一條通信鏈路上，不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，以平衡負(fù)載。而路由器的路由協(xié)議算法可以避免這一點(diǎn)，OSPF路由協(xié)議算法不但能產(chǎn)生多條路由，而且能為不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用選擇各自不同的最佳路由。 3.廣播控制：交換機(jī)只能縮小沖突域，而不能縮小廣播域。整個(gè)交換式網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)大的廣播域，廣播報(bào)文散到整個(gè)交換式網(wǎng)絡(luò)。而路由器可以隔離廣播域，廣播報(bào)文不能通過路由器繼續(xù)進(jìn)行廣播。 4.子網(wǎng)劃分：交換機(jī)只能識(shí)別MAC地址。MAC地址是物理地址，而且采用平坦的地址結(jié)構(gòu)，因此不能根據(jù)MAC地址來劃分子網(wǎng)。而路由器識(shí)別IP地址，IP地址由網(wǎng)絡(luò)管理員分配，是邏輯地址且IP地址具有層次結(jié)構(gòu)，被劃分成網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)，可以非常方便地用于劃分子網(wǎng)，路由器的主要功能就是用于連接不同的網(wǎng)絡(luò)。 5.保密問題：雖說交換機(jī)也可以根據(jù)幀的源MAC地址、目的MAC地址和其他幀中內(nèi)容對(duì)幀實(shí)施過濾，但路由器根據(jù)報(bào)文的源IP地址、目的IP地址、TCP端口地址等內(nèi)容對(duì)報(bào)文實(shí)施過濾，更加直觀方便。 6.介質(zhì)相關(guān)：交換機(jī)作為橋接設(shè)備也能完成不同鏈路層和物理層之間的轉(zhuǎn)換，但這種轉(zhuǎn)換過程比較復(fù)雜，不適合ASIC實(shí)現(xiàn)，勢(shì)必降低交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)速度。交換機(jī)和路由器是性能和功能的矛盾體，交換機(jī)交換速度快，但控制功能弱，路由器控制性能強(qiáng)，但報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)速度慢。解決這個(gè)矛盾的最新技術(shù)是三層交換，既有交換機(jī)線速轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文能力，又有路由器良好的控制功能。 3.3 三層交換機(jī)與路由器的區(qū)別在第三層交換技術(shù)出現(xiàn)之前，幾乎沒有必要將路由功能器件和路由器區(qū)別開來，他們完全是相同的：提供路由功能正在路由器的工作，然而，現(xiàn)在第三層交換機(jī)完全能夠執(zhí)行傳統(tǒng)路由器的大多數(shù)功能。作為網(wǎng)絡(luò)互連的設(shè)備，第三層交換機(jī)具有以下特征： 1.轉(zhuǎn)發(fā)基于第三層地址的業(yè)務(wù)流； 2.完全交換功能； 3.可以完成特殊服務(wù)，如報(bào)文過濾或認(rèn)證； 4.執(zhí)行或不執(zhí)行路由處理。 第三層交換機(jī)與傳統(tǒng)路由器相比有如下優(yōu)點(diǎn)： 1.子網(wǎng)間傳輸帶寬可任意分配：傳統(tǒng)路由器每個(gè)接口連接一個(gè)子網(wǎng)，子網(wǎng)通過路由器進(jìn)行傳輸?shù)乃俾时唤涌诘膸捤拗啤６龑咏粨Q機(jī)則不同，它可以把多個(gè)端口定義成一個(gè)虛擬網(wǎng)，把多個(gè)端口組成的虛擬網(wǎng)作為虛擬網(wǎng)接口，該虛擬網(wǎng)內(nèi)信息可通過組成虛擬網(wǎng)的端口送給三層交換機(jī)，由于端口數(shù)可任意指定，子網(wǎng)間傳輸帶寬沒有限制。 2.合理配置信息資源：由于訪問子網(wǎng)內(nèi)資源速率和訪問全局網(wǎng)中資源速率沒有區(qū)別，子網(wǎng)設(shè)置單獨(dú)服務(wù)器的意義不大，通過在全局網(wǎng)中設(shè)置服務(wù)器群不僅節(jié)省費(fèi)用，更可以合理配置信息資源。 3.降低成本：通常的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)用交換機(jī)構(gòu)成子網(wǎng)，用路由器進(jìn)行子網(wǎng)間互連。目前采用三層交換機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，既可以進(jìn)行任意虛擬子網(wǎng)劃分，又可以通過交換機(jī)三層路由功能完成子網(wǎng)間通信，為此節(jié)省了價(jià)格昂貴的路由器。 4.交換機(jī)之間連接靈活：作為交換機(jī)，它們之間不允許存在回路，作為路由器，又可有多條通路來提高可靠性、平衡負(fù)載。三層交換機(jī)用生成樹算法阻塞造成回路的端口，但進(jìn)行路由選擇時(shí)，依然把阻塞掉的通路作為可選路徑參與路由選擇4 三種技術(shù)對(duì)比二層交換機(jī)主要用在小型局域網(wǎng)中，機(jī)器數(shù)量在二、三十臺(tái)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(jī)的快速交換功能、多個(gè)接入端口 和低廉價(jià)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)中根本沒必要引入路由功能從而增加管理的難度和費(fèi)用，所以沒有必要使用路由器，當(dāng)然也沒必要使用三層交換機(jī)。 三層交換機(jī)是為