《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、三層交換機與路由器基本工作原理及其主要區(qū)別專業(yè)班級：電工1301學 號：09900130343學生姓名：趙倢二一六 年 四 月1 交換與路由技術為了適應網(wǎng)絡應用深化帶來的挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡在規(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)技術已得到普遍應用。在網(wǎng)絡結(jié)構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)技術使專用的帶寬為用戶所獨享，極大的提高了局域網(wǎng)傳輸?shù)男?.1 交換技術交換技術可以識別數(shù)據(jù)幀中的MAC地址信息，根據(jù)MAC地址進行轉(zhuǎn)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，用人工或設備自動完成的方法，把要傳輸?shù)男畔⑺偷椒弦蟮南鄳酚缮系募夹g統(tǒng)稱。廣義的交換機 switch 就是一種在通信系統(tǒng)中完成信息交換功能的設備。 的HUB 集線器就是一種共享設備，HUB本身不能識別目的地址，當同一局域網(wǎng)內(nèi)的A主機給B主機傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)包在以HUB為架構的網(wǎng)絡上是以廣播方式傳輸?shù)?，由每一臺終端通過驗證數(shù)據(jù)包頭的地址信息來確定是否接收。 交換機也可以把網(wǎng)絡“分段”，通過對照MAC地址表，交換機只允許必要的網(wǎng)絡流量通過交換機。通過交換機的過濾和轉(zhuǎn)發(fā)，可以有效的隔離廣播風暴，減少誤包和錯包的出現(xiàn)，避免共享沖突。 交換機是一種基于MAC地址識別，能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包功能的網(wǎng)絡設備。交換機可以“學習”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)者和目標接收者之間建立臨時的交換路徑，使數(shù)據(jù)幀直接由源地址到達目的地址。 第3層交換技術是1997年前后才開始出現(xiàn)的一種交換技術，最初是為了解決廣播域的問題。經(jīng)過多年發(fā)展，第3層交換技術已經(jīng)成為構建多業(yè)務融合網(wǎng)絡的主要力量。在大規(guī)模局域網(wǎng)中，為了減小廣播風暴的危害，必須把大型局域網(wǎng)按功能或地域等因素劃分成多個小局域網(wǎng)，這樣必然導致不同子網(wǎng)間的大量互訪，而單純使用第2層交換技術，卻無法實現(xiàn)子網(wǎng)間的互訪。為了從技術上解決這個問題，網(wǎng)絡廠商利用第3層交換技術開發(fā)了3層交換機，也叫做路由交換機，它是傳統(tǒng)交換機與路由器的智能結(jié)合。1.2 路由技術路由技術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)路由選擇算法和動態(tài)路由算法。路由選擇的特點是:屬于自適應的選擇協(xié)議(即動態(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)關協(xié)議 (IGP,具體的協(xié)議有RIP和OSPF等)和外部網(wǎng)關協(xié)議 (EGP,目前使用最多的是BGP)。路由技術是由兩項最基本的活動組成，即決定最優(yōu)路徑和傳輸數(shù)據(jù)包。其中，數(shù)據(jù)包的傳輸相對較為簡單和直接，而路由的確定則更加復雜一些。路由算法 在路由表中寫入各種不同的信息，路由器會根據(jù)數(shù)據(jù)包所要到達的目的地選擇最佳路徑把數(shù)據(jù)包發(fā)送到可以到達該目的地的下一臺路由器處。當下一臺路由器接收到 該數(shù)據(jù)包時，也會查看其目標地址，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)包到達最終目的地。 2 二層交換機、三層交換機與路由器2.1 二層交換機二層交換技術是發(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(zhuǎn)發(fā)，并將這些MAC地址與對應的端口記錄在自己機器是連在哪個端口上； （2）再去讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找相應的端口； （3）如表中有與這目的內(nèi)部的一個地址表中. 具體如下： （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MAC地址對應的端口，把數(shù)據(jù)包直接復制到這端口上. 2.2 三層交換機三層交換技術就是將路由技術與交換技術合二為一的技術。在對第一個數(shù)據(jù)流進行路由后，它將會產(chǎn)生一個MAC地址與IP地址的映射表，當同樣的數(shù)據(jù)流再次通過時，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行路由選擇而造成網(wǎng)絡的延遲，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，其主要任務是接收來自一個網(wǎng)絡接口的數(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MAC地址，同時IP數(shù)據(jù)包頭的TTL（Time To Live）域也開始減數(shù)，并重新計算校驗和。當數(shù)據(jù)包被送到輸出端口時，它需要按順序等待，以便被傳送到輸出鏈路上。 路由器在工作時能夠按照某種路由通信協(xié)議查找設備中的路由表。如果到某一特定節(jié)點有一條以上的路徑，則基本預先確定的路由準則是選擇最優(yōu)（或最經(jīng)濟）的傳輸路徑。由于各種網(wǎng)絡段和其相互連接情況可能會因環(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)定而定時更新。 3 二層交換機、三層交換機與路由器主要區(qū)別3.1 三層交換機與二層交換機區(qū)別三層交換機使用了三層交換技術 三層交換技術就是：二層交換技術三層轉(zhuǎn)發(fā)技術。它解決了局域網(wǎng)中網(wǎng)段劃分之后，網(wǎng)段中子網(wǎng)必須依賴路由器進行管理的局面，解決了傳統(tǒng)路由器低速、復雜所造成的網(wǎng)絡瓶頸問題。由于僅僅在路由過程中才需要三層處理，絕大部分數(shù)據(jù)都通過二層交換轉(zhuǎn)發(fā)，因此三層交換機的速度很快，接近二層交換機的速度，同時比相同路由器的價格低很多 3.2 二層交換機與路由器區(qū)別傳統(tǒng)交換機從網(wǎng)橋發(fā)展而來，屬于OSI第二層即數(shù)據(jù)鏈路層設備。它根據(jù)MAC地址尋址，通過站表選擇路由，站表的建立和維護由交換機自動進行。路由器屬于OSI第三層即網(wǎng)絡層設備，它根據(jù)IP地址進行尋址，通過路由表路由協(xié)議產(chǎn)生。交換機最大的好處是快速，由于交換機只須識別幀中MAC地址，直接根據(jù)MAC地址產(chǎn)生選擇轉(zhuǎn)發(fā)端口算法簡單，便于ASIC實現(xiàn)，因此轉(zhuǎn)發(fā)速度極高。但交換機的工作機制也帶來一些問題。 1.回路：根據(jù)交換機地址學習和站表建立算法，交換機之間不允許存在回路。一旦存在回路，必須啟動生成樹算法，阻塞掉產(chǎn)生回路的端口。而路由器的路由協(xié)議沒有這個問題，路由器之間可以有多條通路來平衡負載，提高可靠性。 2.負載集中：交換機之間只能有一條通路，使得信息集中在一條通信鏈路上，不能進行動態(tài)分配，以平衡負載。而路由器的路由協(xié)議算法可以避免這一點，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)絡應用選擇各自不同的最佳路由。 3.廣播控制：交換機只能縮小沖突域，而不能縮小廣播域。整個交換式網(wǎng)絡就是一個大的廣播域，廣播報文散到整個交換式網(wǎng)絡。而路由器可以隔離廣播域，廣播報文不能通過路由器繼續(xù)進行廣播。 4.子網(wǎng)劃分：交換機只能識別MAC地址。MAC地址是物理地址，而且采用平坦的地址結(jié)構，因此不能根據(jù)MAC地址來劃分子網(wǎng)。而路由器識別IP地址，IP地址由網(wǎng)絡管理員分配，是邏輯地址且IP地址具有層次結(jié)構，被劃分成網(wǎng)絡號和主機號，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。 5.保密問題：雖說交換機也可以根據(jù)幀的源MAC地址、目的MAC地址和其他幀中內(nèi)容對幀實施過濾，但路由器根據(jù)報文的源IP地址、目的IP地址、TCP端口地址等內(nèi)容對報文實施過濾，更加直觀方便。 6.介質(zhì)相關：交換機作為橋接設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)換過程比較復雜，不適合ASIC實現(xiàn)，勢必降低交換機的轉(zhuǎn)發(fā)速度。交換機和路由器是性能和功能的矛盾體，交換機交換速度快，但控制功能弱，路由器控制性能強，但報文轉(zhuǎn)發(fā)速度慢。解決這個矛盾的最新技術是三層交換，既有交換機線速轉(zhuǎn)發(fā)報文能力，又有路由器良好的控制功能。 3.3 三層交換機與路由器的區(qū)別在第三層交換技術出現(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)絡互連的設備，第三層交換機具有以下特征： 1.轉(zhuǎn)發(fā)基于第三層地址的業(yè)務流； 2.完全交換功能； 3.可以完成特殊服務，如報文過濾或認證； 4.執(zhí)行或不執(zhí)行路由處理。 第三層交換機與傳統(tǒng)路由器相比有如下優(yōu)點： 1.子網(wǎng)間傳輸帶寬可任意分配：傳統(tǒng)路由器每個接口連接一個子網(wǎng)，子網(wǎng)通過路由器進行傳輸?shù)乃俾时唤涌诘膸捤拗?。而三層交換機則不同，它可以把多個端口定義成一個虛擬網(wǎng)，把多個端口組成的虛擬網(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，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)設置單獨服務器的意義不大，通過在全局網(wǎng)中設置服務器群不僅節(jié)省費用，更可以合理配置信息資源。 3.降低成本：通常的網(wǎng)絡設計用交換機構成子網(wǎng)，用路由器進行子網(wǎng)間互連。目前采用三層交換機進行網(wǎng)絡設計，既可以進行任意虛擬子網(wǎng)劃分，又可以通過交換機三層路由功能完成子網(wǎng)間通信，為此節(jié)省了價格昂貴的路由器。 4.交換機之間連接靈活：作為交換機，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、平衡負載。三層交換機用生成樹算法阻塞造成回路的端口，但進行路由選擇時，依然把阻塞掉的通路作為可選路徑參與路由選擇4 三種技術對比二層交換機主要用在小型局域網(wǎng)中，機器數(shù)量在二、三十臺以下，這樣的網(wǎng)絡環(huán)境下，廣播包影響不大，二層交換機的快速交換功能、多個接入端口 和低廉價格為小型網(wǎng)絡用戶提供了很完善的解決方案。在這種小型網(wǎng)絡中根本沒必要引入路由功能從而增加管理的難度和費用，所以沒有必要使用路由器，當然也沒必要使用三層交換機。 三層交換機是為