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    計算機網絡往往由許多種不同類型的網絡互相連接而成。如果幾個計算機網絡只是在物理上連接在一起,它們之間并不能進行通信,那么這種互連并沒有什么實際意義。因此通常在談到互連時,就已經暗示這些相互連接的計算機是可以進行通信的,也就是說,從功能上和邏輯上看,這些計算機網絡已經組成了一個大型的計算機網絡,或稱為互聯網絡,也可簡稱為互聯網、互連網。
  將網絡互相連接起來要使用一些中間設備(或中間系統),ISO的術語稱之為中繼(relay)系統。根據中繼系統所在的層次,可以有以下五種中繼系統:
  1. 物理層(即常說的第一層,層L1)中繼系統,即轉發器(repeater)。
  2. 數據鏈路層(即第二層,層L2),即網橋或橋接器(bridge)。
  3. 網絡層(第三層,層L3)中繼系統,即路由器(router)。
  4. 網橋和路由器的混合物橋路器(brouter)兼有網橋和路由器的功能。
  5.在網絡層以上的中繼系統,即網關(gateway)。
  當中繼系統是轉發器時,一般不稱之為網絡互聯,因為這僅僅是把一個網絡擴大了,而這仍然是一個網絡。高層網關由于比較復雜,目前使用得較少。因此一般討論網絡互連時都是指用交換機和路由器進行互聯的網絡。本文主要闡述交換機和路由器及其區別。
  2 交換機和路由器
  交換是今天網絡里出現頻率最高的一個詞,從橋接到路由到ATM直至電話系統,無論何種場合都可將其套用,搞不清到底什么才是真正的交換。其實交換一詞最早出現于電話系統,特指實現兩個不同電話機之間話音信號的交換,完成該工作的設備就是電話交換機。所以從本意上來講,交換只是一種技術概念,即完成信號由設備入口到出口的轉發。因此,只要是符合該定義的所有設備都可被稱為交換設備。由此可見,交換是一個涵義廣泛的詞語,當它被用來描述數據網絡第二層的設備時,實際指的是一個橋接設備;而當它被用來描述數據網絡第三層的設備時,又指的是一個路由設備。
  我們經常說到的以太網交換機實際是一個基于網橋技術的多端口第二層網絡設備,它為數據幀從一個端口到另一個任意端口的轉發提供了低時延、低開銷的通路。
  由此可見,交換機內部核心處應該有一個交換矩陣,為任意兩端口間的通信提供通路,或是一個快速交換總線,以使由任意端口接收的數據幀從其他端口送出。在實際設備中,交換矩陣的功能往往由專門的芯片(ASIC)完成。另外,以太網交換機在設計思想上有一個重要的假設,即交換核心的速度非常之快,以致通常的大流量數據不會使其產生擁塞,換句話說,交換的能力相對于所傳信息量而言無窮大(與此相反,ATM交換機在設計上的思路是,認為交換的能力相對所傳信息量而言有限)。
  雖然以太網第二層交換機是基于多端口網橋發展而來,但畢竟交換有其更豐富的特性,使之不但是獲得更多帶寬的最好途徑,而且還使網絡更易于管理。
  而路由器是OSI協議模型的網絡層中的分組交換設備(或網絡層中繼設備),路由器的基本功能是把數據(IP 報文)傳送到正確的網絡,包括:
  1. IP 數據報的轉發,包括數據報的尋徑和傳送;
  2. 子網隔離,抑制廣播風暴;
  3. 維護路由表,并與其他路由器交換路由信息,這是 IP 報文轉發的基礎;
  4. IP 數據報的差錯處理及簡單的擁塞控制;
  5. 實現對 IP 數據報的過濾和記帳。
  對于不同規模的網絡,路由器作用的側重點有所不同。
  在主干網上,路由器的主要作用是路由選擇。主干網上的路由器,必須知道到達所有下層網絡的路徑。這需要維護龐大的路由表,并對連接狀態的變化作出盡可能迅速的反應。路由器的故障將會導致嚴重的信息傳輸問題。
  在地區網中,路由器的主要作用是網絡連接和路由選擇,即連接下層各個基層網絡單位——園區網,同時負責下層網絡之間的數據轉發。
  在園區網內部,路由器的主要作用是分隔子網。早期的互連網基層單位是局域網(LAN),其中所有主機處于同一個邏輯網絡中。隨著網絡規模的不斷擴大,局域網演變成以高速主干和路由器連接的多個子網所組成的園區網。在其中,各個子網在邏輯上獨立,而路由器就是唯一能夠分隔它們的設備,它負責子網間的報文轉發和廣播隔離,在邊界上的路由器則負責與上層網絡的連接。
  3 第二層交換機和路由器的區別
  傳統交換機從網橋發展而來,屬于OSI第二層即數據鏈路層設備。它根據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第三層即網絡層設備,它根據IP地址進行尋址,通過路由表由路由協議產生。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MAC地址產生選擇轉發端口算法簡單,便于ASIC實現,因此轉發速度極高。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,阻塞掉產生回路的端口。而路由器的路由協議沒有這個問題,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,不能進行動態分配,以平衡負載。而路由器的路由協議算法可以避免這一點,OSPF路由協議算法不但能產生多條路由,而且能為不同的網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。整個交換式網絡就是一個大的廣播域,廣播報文擴散到整個交換式網絡。而路由器可以隔離廣播域,廣播報文不能通過路由器繼續進行廣播。
  4. 子網劃分: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構,因此不能根據MAC地址來劃分子網。而路由器識別IP地址,IP地址由網絡管理員分配,是邏輯地址且IP地址具有層次結構,被劃分成網絡號和主機號,可以非常方便地用于劃分子網,路由器的主要功能就是用于連接不同的網絡。
  5. 保密問題:雖說交換機也可以根據幀的源MAC地址、目的MAC地址和其他幀中內容對幀實施過濾,但路由器根據報文的源IP地址、目的IP地址、TCP端口地址等內容對報文實施過濾,更加直觀方便。
  6. 介質相關: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換,但這種轉換過程比較復雜,不適合ASIC實現,勢必降低交換機的轉發速度。因此目前交換機主要完成相同或相似物理介質和鏈路協議的網絡互連,而不會用來在物理介質和鏈路層協議相差甚遠的網絡之間進行互連。而路由器則不同,它主要用于不同網絡之間互連,因此能連接不同物理介質、鏈路層協議和網絡層協議的網絡。路由器在功能上雖然占據了優勢,但價格昂貴,報文轉發速度低。
  近幾年,交換機為提高性能做了許多改進,其中最突出的改進是虛擬網絡和三層交換。
  劃分子網可以縮小廣播域,減少廣播風暴對網絡的影響。路由器每一接口連接一個子網,廣播報文不能經過路由器廣播出去,連接在路由器不同接口的子網屬于不同子網,子網范圍由路由器物理劃分。對交換機而言,每一個端口對應一個網段,由于子網由若干網段構成,通過對交換機端口的組合,可以邏輯劃分子網。廣播報文只能在子網內廣播,不能擴散到別的子網內,通過合理劃分邏輯子網,達到控制廣播的目的。由于邏輯子網由交換機端口任意組合,沒有物理上的相關性,因此稱為虛擬子網,或叫虛擬網。虛擬網技術不用路由器就解決了廣播報文的隔離問題,且虛擬網內網段與其物理位置無關,即相鄰網段可以屬于不同虛擬網,而相隔甚遠的兩個網段可能屬于同一個虛擬網。不同虛擬網內的終端之間不能相互通信,增強了對網絡內數據的訪問控制。
  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,但報文轉發速度慢。解決這個矛盾的最新技術是三層交換,既有交換機線速轉發報文能力,又有路由器良好的控制功能。
  4 第三層交換機和路由器的區別
  在第三層交換技術出現之前,幾乎沒有必要將路由功能器件和路由器區別開來,他們完全是相同的:提供路由功能正是路由器的工作,然而,現在第三層交換機完全能夠執行傳統路由器的大多數功能。作為網絡互連的設備,第三層交換機具有以下特征:
  1. 轉發基于第三層地址的業務流;
  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. 執行或不執行路由處理。
  第三層交換機與傳統路由器相比有如下優點:
  1. 子網間傳輸帶寬可任意分配:傳統路由器每個接口連接一個子網,子網通過路由器進行傳輸的速率被接口的帶寬所限制。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,把多個端口組成的虛擬網作為虛擬網接口,該虛擬網內信息可通過組成虛擬網的端口送給三層交換機,由于端口數可任意指定,子網間傳輸帶寬沒有限制。
  2. 合理配置信息資源:由于訪問子網內資源速率和訪問全局網中資源速率沒有區別,子網設置單獨服務器的意義不大,通過在全局網中設置服務器群不僅節省費用,更可以合理配置信息資源。
  3. 降低成本:通常的網絡設計用交換機構成子網,用路由器進行子網間互連。目前采用三層交換機進行網絡設計,既可以進行任意虛擬子網劃分,又可以通過交換機三層路由功能完成子網間通信,為此節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。
  5 結論
  綜上所述,交換機一般用于LAN-WAN的連接,交換機歸于網橋,是數據鏈路層的設備,有些交換機也可實現第三層的交換。 路由器用于WAN-WAN之間的連接,可以解決異性網絡之間轉發分組,作用于網絡層。他們只是從一條線路上接受輸入分組,然后向另一條線路轉發。這兩條線路可能分屬于不同的網絡,并采用不同協議。相比較而言,路由器的功能較交換機要強大,但速度相對也慢,價格昂貴,第三層交換機既有交換機線速轉發報文能力,又有路由器良好的控制功能,因此得以廣泛應用

 

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