路由和交換是網(wǎng)絡(luò)世界中兩個重要的概念,。傳統(tǒng)的交換發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)的第二層，即數(shù)據(jù)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(jī)的結(jié)合起來,，三層交換機(jī)和多層交換機(jī)在園區(qū)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(jié)構(gòu),、交換、路由和全交換園區(qū)網(wǎng)絡(luò)四個部分,。

網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)

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(biāo)準(zhǔn)化組織定義的OSI參考模型將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)按功能劃分為七個層次,，這就是我們常說的七層模型或七層結(jié)構(gòu),。網(wǎng)絡(luò)功能分層的直接好處是這些層次可以各司其職，由不同廠家開發(fā)的不同層次的軟硬件設(shè)備可以配合使用,。一個層次的設(shè)備更新或軟件重寫也不會影響到其它層次,。TCP/IP協(xié)議體系中的各個層次和ISO的參考模型有大致的對應(yīng)關(guān)系,。如下圖所示：

OSI中間一層，即第四層執(zhí)行傳輸功能,，它負(fù)責(zé)提供從一臺計算機(jī)到另外一臺計算機(jī)之間的可靠數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的功能;上面也有三層,，提供與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相關(guān)的功能。

OSI下三層中,。物理層(Physical Layer)負(fù)責(zé)實際的傳送數(shù)據(jù)信號,，數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的幀傳輸，而網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)間的計算機(jī)尋址和數(shù)據(jù)傳輸,。

OSI上三層中,。應(yīng)用層(Application Layer)是最高的層次，它負(fù)責(zé)提供用戶操作的界面,，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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的表示,，比如發(fā)送數(shù)據(jù)之前的加密,，接收數(shù)據(jù)時的解密，中英文的翻譯等等都是這一層提供的功能,。會話層(Session Layer)負(fù)責(zé)建立和終止網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸,，計算機(jī)名字轉(zhuǎn)換成地址的工作也在這層完成。

傳統(tǒng)意義上的交換是第二層的概念,。數(shù)據(jù)鏈路層的功能是在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳輸幀,。所謂"網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部"是指這一層的傳輸不涉及網(wǎng)間的設(shè)備和網(wǎng)間尋址。通俗的理解,，一個以太網(wǎng)內(nèi)的傳輸,，一條廣域網(wǎng)專線上的傳輸都由數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)。所謂"幀"是指所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的結(jié)構(gòu),，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(nèi)容即是用戶的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)鏈路層涵蓋的功能很多,，所以又將它劃分為兩個子層,， MAC(Media Access Control，介質(zhì)訪問控制)層和LLC(Logical Link Control,，邏輯鏈路控制)層,。常見的局域網(wǎng)和城域網(wǎng)的二層標(biāo)準(zhǔn)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，點對點協(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論兩臺計算機(jī)相距多遠(yuǎn),，中間相隔多少個網(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,，雖然正常情況下數(shù)據(jù)可以到達(dá)目的地,，但即便出現(xiàn)異常，網(wǎng)絡(luò)層也不作任何更正和恢復(fù)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(shè)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

談到交換的問題,，從廣義上講,，任何數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)都可以稱作交換。當(dāng)然,，現(xiàn)在我們指的是狹義上的交換,，僅包括數(shù)據(jù)鏈路層的轉(zhuǎn)發(fā)。做網(wǎng)絡(luò)的人理解交換大多是從交換機(jī)開始的,，電路交換機(jī)在通信網(wǎng)中已經(jīng)使用了幾十年了,，做幀交換的設(shè)備,，尤其是以太網(wǎng)交換機(jī)的大規(guī)模使用則是近幾年的事情。

理解以太網(wǎng)交換機(jī)的作用還要從網(wǎng)橋的原理講起,。傳統(tǒng)以太網(wǎng)是共享型的,，如果網(wǎng)段上有四臺計算機(jī)A、B ,、C和D,，那么A與B通信的同時，C和D只能是被動的收聽,。假如將纜段分開(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,，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,，為了確保這兩個網(wǎng)段可以互相通信,，需要用橋?qū)⑺鼈冞B接起來，橋是有兩塊網(wǎng)卡的計算機(jī),，如下圖所示：

在整個網(wǎng)絡(luò)剛剛啟動時,，橋?qū)W(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(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)處在一個獨立的纜段上,，如果網(wǎng)絡(luò)上有十臺計算機(jī),，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(jī)，交換機(jī)就是將上述多端口的橋硬件或固件化,，以達(dá)到更低的成本和更高的性能,。

交換機(jī)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(jī)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(jī)(Route Bridge)，然后確定每一臺非根交換機(jī)到根交換機(jī)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(jī)之間的連接就是冗余鏈路,，置為阻塞(Block)狀態(tài),。

交換機(jī)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(jī)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(jī)可以當(dāng)作多個邏輯的交換機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)之間的端口上運行,。