网络：以太网交换机、路由器

红太狼 2022-10-05 08:48 230阅读 0赞

# 局域网的中枢—以太网交换机 #

令牌环网、FDDI、ARCNET等都已成往事，以太网几乎成为了互联网的唯一。

## 以太网工作原理 ##

局域网要解决的最大问题，无非是多台主句都想在网络上发言，在任何一个时刻，让谁先"发言"的问题。

这就像一个多人会议，没有主持人，而每次发言者只能一个人，可能会出现多个人同时想发言的情况。

为了解决这个问题，比如令牌环网是让这个网络只有一个"令牌"，谁先拿到就谁发言。其缺点是令牌维护难；一个节点出问题就会使得网络失效；新主机入环退环都要暂停令牌环网。

以太网是这样解决发言冲突问题的。如果某台主机想要发送数据(发言)，可以遵照下面步骤运行：

1.  开始：如果线路空闲，则启动传输，否则转到第4步
2.  发送：如果检测到冲突，继续发送数据直到到达最小报文时间(保证所有其他转发器和终端检测到冲突)，再转到第4步
3.  成功传输：向更高层的网络协议报告发送成功，退出传输模式
4.  线路忙：等待，直到线路空闲
5.  线路空闲：等待一个随机的时间，再转到第一步，除非超过最大尝试次数
6.  超过最大尝试传输次数：向更高层的网络协议报告发送失败，退出传输模式

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基于以上流程，以太网被设计成总线型的，一根主线贯穿始末，在主线上"分叉"来链接主机。

这一设计简单、快捷、灵活性强，随机可以添加主机、删除主机，方便非专业人士组网。因此，以太网很快流行开来。

这套机制也叫做CSMA/CD（载波侦听多路复用-冲突检测）

## 从共享主线到交换式 ##

一根主线，被多台主机共享，其工作效率将会被降得很低。而且，这种“一人说、大家听”的特性有安全问题，网络上任何主句都可以选择是否监听线路上传输的所有信息。（这种模式的以太网被称为共享式以太网）。

为改进上面缺点，交换式以太网技术产生了。它能够同时提供多条传输路径，从而显著提高网络的整体带宽，同时也为网络安全性提供了保证。交换式以太网核心设备是以太网交换机，而非共享总线。CSMA-CD仍旧有效，但共享总线模式被彻底颠覆了。

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## 以太网交换机 ##

交换式以太网需要一种核心设备，能够快速的指导所有进入者，你该从哪个门走，并将进入者"扭送"到出口。这个设备只负责处理以太网信息，因此被称为"以太网交换机"

这种家伙往往只有一种物理接口----以太网接口。不同的以太网接口，因为接口类型和数量、交换容纳、所处理的协议层等不同而不同。

以太网交换机根据其处理的协议层不同，分为二层交换机、三层交换机、四层交换机… (这里的层指的是ISO/OSI的7层结构)。二层指的是链路层，也就是处理以太网帧的相关操作；三层指的是IP层，处理IP层的操作

二层交换机在操作过程中不停地收集资料，并建立它本身的地址表，这个表标明每个MAC地址是在哪个断开上被发现的。当交换机接收到一个数据包时，会检查该数据包的目的地址，检查一下自己的地址表，并决定把数据包从哪个端口发送出去。

这与HUB不同，HUB组成的共享式以太网，某个站点发送的数据会出现在HUB所有端口上，不但效率低而且不安全。

以太网交换机的引入，使得网络节点可以独占带宽。只有一个例外----对于二层广播报文(比如ARP请求)，二层交换机会对所有主机广播

当多个二层交换机用以太网连接起来，二层交换网络上的所有设备都会收到广播信息。如果这个以太网太大，泛滥的广播信息会造成网络效率大幅降低----这就是“广播风暴”

解决这个问题的方法，是在一个二层交换网络内进一步划分为多个虚拟的局域网(VLAN)。这里的虚拟是“逻辑”的意思。也就是说，按照一定的逻辑关系将主机划分为若干群组(逻辑组)，和主机所在的物理位置无关。

在一个VLAN中，由一台主机发出的信息只能被具有相同虚拟网编号的其他主机接收，局域网的其他成员则收不到这些信息。

VLAN也叫做“广播领”

一般来讲，局域网之间可以相互通信，无需路由器。但划分VLAN之后，这种情况将发生变化-----在一个以太网内的主机，如果被划分在不同的VLAN中，它们之间必须通过路由设备才能通信

从上面可以看出，VLAN解决了“广播风暴”但是成本(路由器)和效率升高了。于是，就引入了三层交换机

三层交换机是在二层交换机的基础上增加了三层路由功能。三层交换机的路由查找是针对“流”的，它利用高速缓存技术，在成本不高的情况下实现快速转发。

# 引路者—路由器 #

## 路由器能干什么 ##

*  路由器是组成IP网络的最主要的选路设备
 *  路由器是一个能够让进入其体内的、携带原始信息的数据包选择出口道路的盒子
 *  路由器是一个信息中转站，它能够将不同制式的网络连接在一起。数据可能以各种方式进入路由器，比如以太网帧、ATM信源等。无论采用何种方式，路由器都会把数据打开并进行分析，根据出口线路的类型重新封装到帧何种信元里面。
 *  路由器专门执行各种路由协议，并进行数据包的转发工作
 *  路由器还能做很忙比如安全、VPB、流控、负载均衡等方面的工作
 *  路由器由自己的记忆，其中最关键的记忆，就是它的路由表。
    
     *  每台路由器都可以按照一定的规则动态更新它的路由表(这叫做动态路由)
     *  有了这张路由表，从某个断开进来的IP包才能在其指导下正确的选路。

## 路由器的拥塞 ##

路由器是网络中的交叉路口，信息在线路上传送，是不会引起任何拥塞的，那么拥塞的发生地就一定出现在路口上。这就像道路交通，正常的道路交通，除非车祸等非可控因素，都是在交叉路口，道路出入口才发生拥塞的。

## IP包的转发规则 ##

*  路由器根据IP包的目的IP地址和路由表寻找下一跳的路径，并将该IP包发送到正确的出口，这就是IP包的转发
 *  路由器通过路由协议获得路由表，路由协议分为静态路由协议和动态路由协议
 *  动态路由协议分为内部网关协议和外部网关协议
 *  常见的内部网关协议又RIR3、IS-IS、EIGRP、IGRP等。外部网关协议只有一种：BGP

IP包在IP节点进行下一跳路径的选择，如果IP节点没有明确规定下一跳的路径，那么久按照“缺省路径”所指引的方向行进。这就是IP包的转发规则。

在以太网中，任何一台主机发出的IP包，都有目的IP地址(当然，目的IP地址可能不止一个，比如组播、广播中)。这条计算机自己就能排队，目的IP地址是否属于这个以太网。如果不属于同一个以太网段，主机将首先把这个包发送到“缺省网关”那里

缺省网关一定是属于这个以太网段的，因为主机必须通过地址解析法找到缺省网关。大部分情况下，缺省网关是这个以太网的出口路由器。  
![在这里插入图片描述][20210608110045881.png]

当IP到达出口路由器，路由工作才真正开始：路由器查看这个包的目的IP地址，并检索自身的路由表，根据对应的路由表项。把它从合适的出口送出去。

路由器是通过路由协议来获取路由表的

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