理解4

二層交換技術(shù)

二層交換技術(shù)是發(fā)展比較成熟，二層交換機屬數據鏈路層設備，可以識別數據包中的MAC地址信息，根據MAC地址進(jìn)行轉發(fā)，并將這些MAC地址與對應的端口記錄在自己內部的一個(gè)地址表中。具體的工作流程如下：

1. 當交換機從某個(gè)端口收到一個(gè)數據包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機器是連在哪個(gè)端口上的；
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MAC地址對應的端口，把數據包直接復制到這端口上；
4. 如表中找不到相應的端口則把數據包廣播到所有端口上，當目的機器對源機器回應時(shí)，交換機又可以學(xué)習一目的MAC地址與哪個(gè)端口對應，在下次傳送數據時(shí)就不再需要對所有端口進(jìn)行廣播了。

不斷的循環(huán)這個(gè)過(guò)程，對于全網(wǎng)的MAC地址信息都可以學(xué)習到，二層交換機就是這樣建立和維護它自己的地址表。

從二層交換機的工作原理可以推知以下三點(diǎn)：

1. 由于交換機對多數端口的數據進(jìn)行同時(shí)交換，這就要求具有很寬的交換總線(xiàn)帶寬，如果二層交換機有N個(gè)端口，每個(gè)端口的帶寬是M，交換機總線(xiàn)帶寬超過(guò)N×M，那么這交換機就可以實(shí)現線(xiàn)速交換；
2. 學(xué)習端口連接的機器的MAC地址，寫(xiě)入地址表，地址表的大?。ㄒ话銉煞N表示方式：一為BEFFER RAM，一為MAC表項數值），地址表大小影響交換機的接入容量；
3. 還有一個(gè)就是二層交換機一般都含有專(zhuān)門(mén)用于處理數據包轉發(fā)的ASIC （Application specific Integrated Circuit）芯片，因此轉發(fā)速度可以做到非?？?。由于各個(gè)廠(chǎng)家采用ASIC不同，直接影響產(chǎn)品性能。

以上三點(diǎn)也是評判二三層交換機性能優(yōu)劣的主要技術(shù)參數，這一點(diǎn)請大家在考慮設備選型時(shí)注意比較。

路由技術(shù)

路由器工作在OSI模型的第三層—網(wǎng)絡(luò )層操作，其工作模式與二層交換相似，但路由器工作在第三層，這個(gè)區別決定了路由和交換在傳遞包時(shí)使用不同的控制信息，實(shí)現功能的方式就不同。工作原理是在路由器的內部也有一個(gè)表，這個(gè)表所標示的是如果要去某一個(gè)地方，下一步應該向那里走，如果能從路由表中找到數據包下一步往那里走，把鏈路層信息加上轉發(fā)出去；如果不能知道下一步走向那里，則將此包丟棄，然后返回一個(gè)信息交給源地址。

路由技術(shù)實(shí)質(zhì)上來(lái)說(shuō)不過(guò)兩種功能：決定最優(yōu)路由和轉發(fā)數據包。路由表中寫(xiě)入各種信息，由路由算法計算出到達目的地址的最佳路徑，然后由相對簡(jiǎn)單直接的轉發(fā)機制發(fā)送數據包。接受數據的下一臺路由器依照相同的工作方式繼續轉發(fā)，依次類(lèi)推，直到數據包到達目的路由器。

而路由表的維護，也有兩種不同的方式。一種是路由信息的更新，將部分或者全部的路由信息公布出去，路由器通過(guò)互相學(xué)習路由信息，就掌握了全網(wǎng)的拓撲結構，這一類(lèi)的路由協(xié)議稱(chēng)為距離矢量路由協(xié)議；另一種是路由器將自己的鏈路狀態(tài)信息進(jìn)行廣播，通過(guò)互相學(xué)習掌握全網(wǎng)的路由信息，進(jìn)而計算出最佳的轉發(fā)路徑，這類(lèi)路由協(xié)議稱(chēng)為鏈路狀態(tài)路由協(xié)議。

由于路由器需要做大量的路徑計算工作，一般處理器的工作能力直接決定其性能的優(yōu)劣。當然這一判斷還是對中低端路由器而言，因為高端路由器往往采用分布式處理系統體系設計。

三層交換技術(shù)

近年來(lái)的對三層技術(shù)的宣傳，耳朵都能起繭子，到處都在喊三層技術(shù)，有人說(shuō)這是個(gè)非常新的技術(shù)，也有人說(shuō)，三層交換嘛，不就是路由器和二層交換機的堆疊，也沒(méi)有什么新的玩意，事實(shí)果真如此嗎？下面先來(lái)通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )來(lái)看看三層交換機的工作過(guò)程。

組網(wǎng)比較簡(jiǎn)單

• 使用IP的設備A————三層交換機———–使用IP的設備B
• 比如A要給B發(fā)送數據，已知目的IP，那么A就用子網(wǎng)掩碼取得網(wǎng)絡(luò )地址，判斷目的IP是否與自己在同一網(wǎng)段。
• 如果在同一網(wǎng)段，但不知道轉發(fā)數據所需的MAC地址，A就發(fā)送一個(gè)ARP請求，B返回其MAC地址，A用此MAC封裝數據包并發(fā)送給交換機，交換機起用二層交換模塊，查找MAC地址表，將數據包轉發(fā)到相應的端口。
• 如果目的IP地址顯示不是同一網(wǎng)段的，那么A要實(shí)現和B的通訊，在流緩存條目中沒(méi)有對應MAC地址條目，就將第一個(gè)正常數據包發(fā)送向一個(gè)缺省網(wǎng)關(guān)，這個(gè)缺省網(wǎng)關(guān)一般在操作系統中已經(jīng)設好，對應第三層路由模塊，所以可見(jiàn)對于不是同一子網(wǎng)的數據，最先在MAC表中放的是缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址；然后就由三層模塊接收到此數據包，查詢(xún)路由表以確定到達B的路由，將構造一個(gè)新的幀頭，其中以缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址為源MAC地址，以主機B的MAC地址為目的MAC地址。通過(guò)一定的識別觸發(fā)機制，確立主機A與B的MAC地址及轉發(fā)端口的對應關(guān)系，并記錄進(jìn)流緩存條目表，以后的A到B的數據，就直接交由二層交換模塊完成。這就通常所說(shuō)的一次路由多次轉發(fā)。

以上就是三層交換機工作過(guò)程的簡(jiǎn)單概括，可以看出三層交換的特點(diǎn)：

• 由硬件結合實(shí)現數據的高速轉發(fā)。
• 這就不是簡(jiǎn)單的二層交換機和路由器的疊加，三層路由模塊直接疊加在二層交換的高速背板總線(xiàn)上，突破了傳統路由器的接口速率限制，速率可達幾十Gbit/s。算上背板帶寬，這些是三層交換機性能的兩個(gè)重要參數。
• 簡(jiǎn)潔的路由軟件使路由過(guò)程簡(jiǎn)化。
• 大部分的數據轉發(fā)，除了必要的路由選擇交由路由軟件處理，都是又二層模塊高速轉發(fā)，路由軟件大多都是經(jīng)過(guò)處理的高效優(yōu)化軟件，并不是簡(jiǎn)單照搬路由器中的軟件。

結論：

• 二層交換機用于小型的局域網(wǎng)絡(luò )。這個(gè)就不用多言了，在小型局域網(wǎng)中，廣播包影響不大，二層交換機的快速交換功能、多個(gè)接入端口和低謙價(jià)格為小型網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)提供了很完善的解決方案。
• 路由器的優(yōu)點(diǎn)在于接口類(lèi)型豐富，支持的三層功能強大，路由能力強大，適合用于大型的網(wǎng)絡(luò )間的路由，它的優(yōu)勢在于選擇最佳路由，負荷分擔，鏈路備份及和其他網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行路由信息的交換等等路由器所具有功能。
• 三層交換機的最重要的功能是加快大型局域網(wǎng)絡(luò )內部的數據的快速轉發(fā)，加入路由功能也是為這個(gè)目的服務(wù)的。如果把大型網(wǎng)絡(luò )按照部門(mén)，地域等等因素劃分成一個(gè)個(gè)小局域網(wǎng)，這將導致大量的網(wǎng)際互訪(fǎng)，單純的使用二層交換機不能實(shí)現網(wǎng)際互訪(fǎng)；如單純的使用路由器，由于接口數量有限和路由轉發(fā)速度慢，將限制網(wǎng)絡(luò )的速度和網(wǎng)絡(luò )規模，采用具有路由功能的快速轉發(fā)的三層交換機就成為首選。
• 一般來(lái)說(shuō)，在內網(wǎng)數據流量大，要求快速轉發(fā)響應的網(wǎng)絡(luò )中，如全部由三層交換機來(lái)做這個(gè)工作，會(huì )造成三層交換機負擔過(guò)重，響應速度受影響，將網(wǎng)間的路由交由路由器去完成，充分發(fā)揮不同設備的優(yōu)點(diǎn)，不失為一種好的組網(wǎng)策略，當然，前提是客戶(hù)的腰包很鼓，不然就退而求其次，讓三層交換機也兼為網(wǎng)際互連。

3第四層交換技術(shù)

第四層交換的一個(gè)簡(jiǎn)單定義是：它是一種功能，它決定傳輸不僅僅依據MAC地址(第二層網(wǎng)橋)或源/目標IP地址(第三層路由),而且依據TCP/UDP(第四層) 應用端口號。第四層交換功能就象是虛IP，指向物理服務(wù)器。它傳輸的業(yè)務(wù)服從的協(xié)議多種多樣，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他協(xié)議。這些業(yè)務(wù)在物理服務(wù)器基礎上，需要復雜的載量平衡算法。在IP世界，業(yè)務(wù)類(lèi)型由終端TCP或UDP端口地址來(lái)決定，在第四層交換中的應用區間則由源端和終端IP地址、TCP和UDP端口共同決定。

在第四層交換中為每個(gè)供搜尋使用的服務(wù)器組設立虛IP地址（VIP），每組服務(wù)器支持某種應用。在域名服務(wù)器（DNS）中存儲的每個(gè)應用服務(wù)器地址是VIP，而不是真實(shí)的服務(wù)器地址。

當某用戶(hù)申請應用時(shí)，一個(gè)帶有目標服務(wù)器組的VIP連接請求（例如一個(gè)TCP SYN包）發(fā)給服務(wù)器交換機。服務(wù)器交換機在組中選取最好的服務(wù)器，將終端地址中的VIP用實(shí)際服務(wù)器的IP取代，并將連接請求傳給服務(wù)器。這樣，同一區間所有的包由服務(wù)器交換機進(jìn)行映射，在用戶(hù)和同一服務(wù)器間進(jìn)行傳輸。

第四層交換的原理

OSI模型的第四層是傳輸層。傳輸層負責端對端通信，即在網(wǎng)絡(luò )源和目標系統之間協(xié)調通信。在IP協(xié)議棧中這是TCP（一種傳輸協(xié)議）和UDP（用戶(hù)數據包協(xié)議）所在的協(xié)議層。

在第四層中，TCP和UDP標題包含端口號（portnumber），它們可以唯一區分每個(gè)數據包包含哪些應用協(xié)議（例如HTTP、FTP等）。端點(diǎn)系統利用這種信息來(lái)區分包中的數據，尤其是端口號使一個(gè)接收端計算機系統能夠確定它所收到的IP包類(lèi)型，并把它交給合適的高層軟件。端口號和設備IP地址的組合通常稱(chēng)作“插口（socket）”。

1和255之間的端口號被保留，他們稱(chēng)為“熟知”端口，也就是說(shuō)，在所有主機TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現中，這些端口號是相同的。除了“熟知”端口外，標準UNIX服務(wù)分配在256到1024端口范圍，定制的應用一般在1024以上分配端口號.

分配端口號的最近清單可以在RFc1700”Assigned Numbers”上找到。TCP／UDP端口號提供的附加信息可以為網(wǎng)絡(luò )交換機所利用，這是第4層交換的基礎。

熟知的端口號舉例:

應用協(xié)議  端口號
FTP    20（數據），21（控制）
TELNET  23
SMTP    25
HTTP    80
NNTP    119
NNMP   16，162（SNMP traps）

TCP/UDP端口號提供的附加信息可以為網(wǎng)絡(luò )交換機所利用，這是第四層交換的基礎。

具有第四層功能的交換機能夠起到與服務(wù)器相連接的“虛擬IP”(VIP)前端的作用。

每臺服務(wù)器和支持單一或通用應用的服務(wù)器組都配置一個(gè)VIP地址。這個(gè)VIP地址被發(fā)送出去并在域名系統上注冊。

在發(fā)出一個(gè)服務(wù)請求時(shí)，第四層交換機通過(guò)判定TCP開(kāi)始，來(lái)識別一次會(huì )話(huà)的開(kāi)始。然后它利用復雜的算法來(lái)確定處理這個(gè)請求的最佳服務(wù)器。一旦做出這種決定，交換機就將會(huì )話(huà)與一個(gè)具體的IP地址聯(lián)系在一起，并用該服務(wù)器真正的IP地址來(lái)代替服務(wù)器上的VIP地址。

每臺第四層交換機都保存一個(gè)與被選擇的服務(wù)器相配的源IP地址以及源TCP 端口相關(guān)聯(lián)的連接表。然后第四層交換機向這臺服務(wù)器轉發(fā)連接請求。所有后續包在客戶(hù)機與服務(wù)器之間重新影射和轉發(fā)，直到交換機發(fā)現會(huì )話(huà)為止。

在使用第四層交換的情況下，接入可以與真正的服務(wù)器連接在一起來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)制定的規則，諸如使每臺服務(wù)器上有相等數量的接入或根據不同服務(wù)器的容量來(lái)分配傳輸流。