“交換”與“路由”的對比

在整個網(wǎng)絡(luò)剛剛啟動時，橋?qū)�網(wǎng)絡(luò)的拓樸一無所知。這時，假設(shè)A發(fā)送數(shù)據(jù)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，它就進行缺省的轉(zhuǎn)發(fā)，即在另外一塊網(wǎng)卡上發(fā)送這個信息。雖然做了一次無用的轉(zhuǎn)發(fā)，但通過這個過程，橋?qū)W習(xí)到數(shù)據(jù)的發(fā)送者A在自己的左邊。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的每一臺計算機都發(fā)送過數(shù)據(jù)之后，橋就是智能的了，它了解每一臺計算機在哪一個網(wǎng)段上。當(dāng)A再發(fā)送數(shù)據(jù)給B時，橋就不進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)了，與此同時，C可以發(fā)送數(shù)據(jù)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(shè)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獨立的纜段上，如果網(wǎng)絡(luò)上有十臺計算機，就需要一個十端口的橋?qū)⑺鼈冞B接起來。但實現(xiàn)這樣一個橋不太現(xiàn)實，軟件轉(zhuǎn)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，分支樹協(xié)議）。分支樹協(xié)議的功能是避免數(shù)據(jù)幀在交換機構(gòu)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，STP協(xié)議現(xiàn)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(zhuǎn)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)。

交換機的另外一個重要功能是VLAN（Virtual LAN，虛擬局域網(wǎng)）。VLAN的好處主要有三個： 　

端口的分隔。即便在同一個交換機上，處于不同VLAN的端口也是不能通信的。這樣一個物理的交換機可以當(dāng)作多個邏輯的交換機使用。

網(wǎng)絡(luò)的安全。不同VLAN不能直接通信，杜絕了廣播信息的不安全性。

靈活的管理。更改用戶所屬的網(wǎng)絡(luò)不必?fù)Q端口和聯(lián)線，只該軟件配置就可以了。 　

VLAN可以按端口或MAC地址來劃分。

有時，我們需要在交換機所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)上保持VLAN的配置的一致性。這就需要交換機之間按照VTP（VLAN Trunk Protocol，VLAN骨干協(xié)議）交流VLAN信息。VTP協(xié)議只在骨干端口（Trunk Port），即交換機之間的端口上運行�！�

路由

路由器是網(wǎng)絡(luò)間的連接設(shè)備，它重要工作之一是路徑選擇。這個功能是路由器智能的核心，它是由管理員的配置和一系列的路由算法實現(xiàn)的。

路由算法有動靜之分，靜態(tài)路由是一種特殊的路由，它是由管理員手工設(shè)定的。手工配置所有的路由雖然可以使網(wǎng)絡(luò)正常運轉(zhuǎn)，但是也會帶來一些局限性。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化之后，靜態(tài)路由不會自動改變，必須有網(wǎng)絡(luò)管理員的介入。缺省路由是靜態(tài)路由的一種，也是由管理員設(shè)置的。在沒有找到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的路由表項時，路由器將信息發(fā)送到缺省路由器（gateway of last resort）。而動態(tài)的算法，顧名思義，是由路由器自動計算出的路由，常說的RIP、OSPF等等都是動態(tài)算法的典型代表。 　

另外還可以將路由算法分為DV和LS兩種。DV（Distance，距離向量）算法將當(dāng)前路由器的路由信息傳送給相鄰路由器，相鄰路由器將這些信息加入自身的路由表。而LS（Link State，鏈路狀態(tài)）算法將鏈路狀態(tài)信息傳給域內(nèi)所有的路由器，接收路由器利用這些信息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，并利用圖論中的最短路徑優(yōu)先算法決定路由。相比之下，距離向量算法比較簡單，而鏈路狀態(tài)算法較為復(fù)雜，占用的CPU和內(nèi)存也要多一些。但是由于鏈路狀態(tài)算法采用的是自身的計算結(jié)果，所以比較不容易產(chǎn)生路由循環(huán)。RIP是DV類算法的典型代表，而OSPF是LS的代表協(xié)議。

四種最常見路由協(xié)議是RIP、IGRP、OSPF和EIGRP。 　

RIP（Routing Information Protocols，路由信息協(xié)議）是使用最廣泛的距離向量協(xié)議，它是由施樂（Xerox）在70年代開發(fā)的。當(dāng)時，RIP是XNS（Xerox Network Service，施樂網(wǎng)絡(luò)服務(wù)）協(xié)議簇的一部分。TCP/IP版本的RIP是施樂協(xié)議的改進版。RIP最大的特點是，無論實現(xiàn)原理還是配置方法，都非常簡單。RIP基于跳數(shù)計算路由，并且定期向鄰居路由器發(fā)送更新消息。 　

IGRP是CISCO專有的協(xié)議，只在CISCO路由器中實現(xiàn)。它也屬于距離向量類協(xié)議，所以在很多地方與RIP有共同點，比如廣播更新等等。它和RIP最大的區(qū)別表現(xiàn)在度量方法、負(fù)載均衡等幾方面。IGRP支持多路徑上的加權(quán)負(fù)載均衡，這樣網(wǎng)絡(luò)的帶寬可以得到更加合理的利用。另外，與RIP僅使用跳數(shù)作為度量依據(jù)不同，IGRP使用了多種參數(shù)，構(gòu)成復(fù)合的度量值，這其中可以包含的因素有：帶寬、延遲、負(fù)載、可靠性和MTU（最大傳輸單元）等等。 　

OSPF協(xié)議是80年代后期開發(fā)的，90年代初成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是一種典型的鏈路狀態(tài)協(xié)議。OSPF的主要特性包括：支持VLSM（變長的子網(wǎng)掩嗎）、收斂迅速、帶寬占用率低等等。OSPF協(xié)議在鄰居之間交換鏈路狀態(tài)信息，以便路由器建立鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫（LSD），之后，路由器根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的信息利用SPF（Shortest Path First，最短路徑優(yōu)先）算法計算路由表，選擇路徑的主要依據(jù)是帶寬。

EIGRP是IGRP的增強版，它也是CISCO專有的路由協(xié)議。EIGRP采用了擴散更新（DUAL）算法，在某種程度上，它和距離向量算法相似，但具有更短的收斂時間和更好的可操作性。作為對IGRP的擴展，EIGRP支持多種可路由的協(xié)議，如IP、IPX和AppleTalk等等。運行在IP環(huán)境時，EIGRP還可以與IGRP進行平滑的連接，因為它們的度量方法是一致的。

以上四種路由協(xié)議都是域內(nèi)路由協(xié)議，他們通常使用在自治系統(tǒng)的內(nèi)部。當(dāng)進行自治系統(tǒng)間的連接時，往往采用諸如BGP（Border Gateway Protocols，邊界路由協(xié)議）和EGP（External Gateway Protocols，外部路由協(xié)議）這樣的域間路由協(xié)議。目前在Internet上使用的域間路由協(xié)議是BGP第四版。

收斂是路由算法選擇時所遇到的一個重要問題。收斂時間是指從網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化到網(wǎng)絡(luò)上所有的相關(guān)路由器都得知這一變化，并且相應(yīng)地做出改變所需要的時間。這一時間越短，網(wǎng)絡(luò)變化對全網(wǎng)的擾動就越小。收斂時間過長會導(dǎo)致路由循環(huán)的出現(xiàn)。 　

在上述幾種域內(nèi)路由算法中，RIP和IGRP的收斂時間相對較長，都是分鐘數(shù)量級的；OSPF要短一些，數(shù)十秒內(nèi)可以收斂；EIGRP最短，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化之后，幾秒鐘即可達到收斂狀態(tài)。

全交換園區(qū)網(wǎng)絡(luò) 　

傳統(tǒng)的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)是路由器加交換機的結(jié)構(gòu)。如下圖所示，交換機負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的傳輸，劃分VLAN以保證二層的安全性和靈活性，路由器則完成網(wǎng)間的尋址和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作。

通常，路由器的性能比交換機要差一些，因為路由器是基于軟件的查表轉(zhuǎn)發(fā)，而交換機可以實現(xiàn)硬件的直通式轉(zhuǎn)發(fā)。但在傳統(tǒng)的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)中，路由器并不會成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。因為80%的數(shù)據(jù)量是在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通訊，只有20%的數(shù)據(jù)是做遠程訪問，也就是說，大多數(shù)經(jīng)過交換機的信息并不經(jīng)過路由器。這就是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的80/20流量模型�！�

近年來由于Internet/Intranet計算模式的興起，應(yīng)用被集中管理，而不是象從前那樣分散在各個部門的網(wǎng)絡(luò)中，園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的流量模型發(fā)生了很大的變化。大量的網(wǎng)絡(luò)訪問是遠程的，也就是要經(jīng)過路由器的。這被稱為新的20/80流量模型。因此，路由器逐漸成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。

為了從技術(shù)上解決這個問題，網(wǎng)絡(luò)廠商開發(fā)了三層交換機，也叫做路由交換機。它是傳統(tǒng)交換機的性能和路由器的智能的結(jié)合。路由選擇仍由路由器完成，但路選的結(jié)果被交換機保留在自身的路由緩存中。這樣，一個數(shù)據(jù)流中的第一個數(shù)據(jù)包經(jīng)過路由器，后繼的所有數(shù)據(jù)包直接由交換機查表轉(zhuǎn)發(fā)。得益于硬件轉(zhuǎn)發(fā)，三層交換機可以做到線速路由，如下圖所示。

許多廠家生產(chǎn)的三層交換機本身即是交換機和路由器的結(jié)合體，如Cisco的5000，5500，6500系列的交換機可以選配路由模塊，實現(xiàn)三層功能。

如此一來，園區(qū)網(wǎng)的內(nèi)部就是交換機和三層交換機的天下了，全交換的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)新的流量模型，徹底克服了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由器瓶頸，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的效率。同時，路由器并沒有失業(yè)，仍然被用在遠程連接、撥號訪問等場合。

本文第一部分中回顧了網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)，接下來談了傳統(tǒng)的路由和交換的原理，最后介紹了在現(xiàn)在的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)中如何將路由和交換的優(yōu)勢相結(jié)合，最好地滿足用戶的流量模型。

路由，交換，路由交換是本文的主要三個問題。

篇幅所限，對于具體的協(xié)議就不再贅述了，有時候，了解協(xié)議的工作流程和具體的設(shè)備，如Cisco的路由器和交換機，對于理解網(wǎng)絡(luò)的原理是很有幫助的。