交换机原理
交换机是一种用于电(光)信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以太网交换机。交换机工作与OSI参考模型的第二层,即数据链路层。交换机拥有一条高宽带的背部总线和内部交换矩阵,在同一时刻可以进行多个端口对之间的数据传输。交换机的传输模式有全双工
,半双工
,全双工/半双工自适应
。
原理
交换机是根据网桥的原理发展起来的,学习交换机先认识两个概念:
冲突域
- 冲突域是数据必然发送到的区域。
- HUB是无智能的信号驱动,有入必出,整个由HUP组成的网络是一个冲突域。
广播域
- 广播数据时可以发送到的区域是一个广播域。
- 交换机和集线器对广播帧是透明的,所以用交换机和HUP组成的网络是一个广播域。
- 路由器的一个接口下的网络是一个广播域。所以路由器可以隔离广播域。
工作原理
地址表
- 端口地址表记录了端口下包含主机的MAC地址,端口地址表是交换机上电后自动建立的。
- 保存在
RAM
[1]中,并且自动维护。 - 交换机隔离冲突域的原理是根据其端口地址表和转发决策决定的。
转发决策
交换机的转发决策有三种操作:丢弃,转发和扩散
- 丢弃:当本端口下的主机访问已知本端口下的主机时丢弃。
- 转发:当某端口下的主机访问已知某端口下的主机时转发。
- 扩散:当某端口下的主机访问未知端口下的主机时要扩散。
每个操作都要记录下发包端的MAC地址,以备其他主机访问。
生存期
生存期是端口地址列表中表项的寿命。每个表项在建立后开始进行倒计时,每次发送数据都要刷新记录。对于长期不发送数据的主机,其MAC地址的表项在生存期结束时删除。所以端口地址表记录的总是最活跃的主机的MAC地址。
路由器
路由器是连接两个或多个网络的硬件设备,在网络间起网关的作用,是读取每一个数据包中的地址然后决定如何传送的专用智能性的网络设备。它能够理解不同的协议,例如某个局域网使用的以太网协议,因特网使用的TCP/IP
协议。这样,路由器可以分析各种不同类型网络传来的数据包的目的地址,把非TCP/IP
网络的地址转换成TCP/IP
地址,或者反之。再根据选定的路由算法把各数据包按最佳路线传送到指定位置。所以路由器可以把非TCP/IP
网络连接到因特网上。
简介
路由器又可以称之为网关设备。路由器就是在OSI/RM
中完成的网络层中继以及第三层中继任务,对不同的网络之间的数据包进行存储,分组转发处理,其主要就是在不同的逻辑分开网络。而数据在一个子网中传输到另一个子网中,可以通过路由器的路由功能进行处理。在网络通信中,路由器具有判断网络地址以及选择IP路径的作用,可以在多个网络环境中,构建灵活的链接系统,通过不同的数据分组以及介质访问方式对各个子网进行链接。路由器在操作中仅接受源站或者其他相关路由器传递的信息,是一种基于网络层的互联设备。
路由器通常位于网络层,因而路由技术也是网络层相关的一门技术,路由器与早期的网桥相比有很多的变化和不同。通常而言,网桥的局限性较大,它只能够连通数据链路层相同或者类似的网络,不能够连接数据链路层之间有着较大差异的网络。但是路由器却不同,它打破了这个局限,能够连接任意的两种不同的网络,但是这两种不同的网络之间要遵守一个原则,就是使用相同的网络层协议,这样才能够被路由器连接。路由器技术简单来说就是对网络上众多的信息进行转发和交换的一门技术,具体来说,就是通过互联网将信息从源地址传送到目的地址。
原理
网络中的设备相互通信主要是用它们的IP地址,路由器只能根据具体的IP地址来转发数据。IP地址由网络地址和主机地址两部分组成,在Internet中采用的是由子网掩码来确定网络地址和主机地址。子网掩码与IP地址一样都是32位的,并且这两者是一一对应的,子网掩码中"1"
对应IP地址中网络地址,"0"
对应主机地址,网络地址和主机地址就构成了一个完整的IP地址。在同一个网络中,IP地址的网络地址必须是相同的。计算机之间的通信只能在具有相同网络地址的IP地址之间进行,如果想要与其他网段的计算机进行通信,则必须经过路由器转发出去。不同网络地址的IP地址是不能直接通信的,即便它们距离很近,也不能进行通信。路由器的多个端口可以连接多个网段,每个端口的IP地址的网络地址都必须与所连接的网段的网络地址一致。不同的端口它的网络地址是不同的,所对应的网段也是不同的,这样才能是各个网段中的主机通过自己网段的IP地址把数据发送到路由器上。
传输介质
路由器分本地路由器和远程路由器,本地路由器是用来连接网络传输介质的,入光纤,同轴电缆,双绞线;远程路由器是用来连接远程传输介质,并要求相应的设备,如电话线要配调制解调器,无线要通过无线接收机和发射机。
结构
- 电源接口(POWER):接口连接电源。
- 复位键(RESET):此按键可以还原路由器的出厂设置。
- 猫(MODEM)或者是交换机与路由器的连接口(WAN):此接口用一条网线与家用宽带调制解调器(或者与交换机)进行连接。
- 电脑与路由器连接口(LAN1~4):此接口用一条网线把电脑与路由器进行连接。
启动过程
作为路由器来将,也有一个类似于我们PC系统中BIOS一样作用的部分,加做MinilOS。MinilOS可以使我们在路由器的FLASH中不存在ISO时,先引导起来,进入恢复模式,来使用TFTP或X-MODEM等方式去给FLASH中导入ISO文件。所以,路由器的启动过程应该是这样的:
- 路由器在加电后首先会进行
POST
,Power On self Test
(上电自检,对硬件进行检测的过程) -
POST
完成后,首先读取ROM
里的BootStrap
程序进行初步引导。 - 初步引导完成后,尝试定位并读取完整的ISO镜像文件。在这里,路由器将会首先在FLASH中查找ISO文件,如果找到了ISO文件的话,那么读取ISO文件,引导路由器。
- 如果在FLASH中没有找到ISO文件的话,那么路由器会进入BOOT模式,在BOOT模式下可以使用TFTP上的ISO文件。或者使用TFTP/X-MODEM来给路由器的FLASH中传一个ISO文件(一般我们把这个过程叫做灌ISO)。传输完毕后重新启动路由器,路由器就可以正常启动到CLI模式。
- 当路由器初始化完成ISO文件后,就会开始在NVRAM中查找STARTUO-CONFIG文件,STARTUP-CONFIG叫做启动配置文件。该文件里保存了我们对路由器所做的所有配置和修改。当路由器找到了这个文件后,路由器就会加载该文件里的所有配置,并且根据配置来学习,生成,维护路由表,并将所有的配置加载到RAM(路由器的内存)里后,进入用户模式,最终完成启动过程。
- 如果在NVRAM里没有STARTUP-CONFIG文件,则路由器会进入询问配置模式,也就是俗称的问答配置模式,在该模式下所有有关路由器的配置都可以以问答的形式进行配置。不过一般情况下我们基本上是不用这个模式的。我们一般都会进入CLI(Comman Line Interface)命令行模式后对路由器进行配置。
作用功能
路由器最主要的功能可以理解为实现信息的传送。因此,我们把这个过程称之为寻址过程。因为路由器处在不同网络之间,但并不一定是信息的最终接收地址。所以在路由器中,通常存在着一张路由表。根据传送网站传送的信息的最终地址,寻找下一转发地址,应该是哪个网络。其实深入简出的说,就如同快递公司来发送邮件。邮件并不是瞬间到达最终目的地,而是通过不同分站的分拣,不断的接近最终地址,从而实现邮件的投递过程。路由器寻址过程也是类似原理。通过最终地址,在路由表中进行匹配,通过算法确定下一转发地址。这个地址可以能是中间地址,也可能是最终的到达地址。
路由器功能就是将不同子网之间的数据进行传递。具体功能有以下几点:
1. 实现IP
,TCP
,UDP
,ICMP
等网络的互连。
2. 对数据进行处理。收到数据包,具有对数据的分组过滤,复用,加密,压缩及防护墙等各项功能。
3. 依据路由表的信息,对数据包下一传输目的地进行选择。
4. 进行外部网关协议和其他自制域之间拓扑信息的交换。
5. 实现网络管理和系统支持功能。
连通不同的网络
从过滤网络流量的角度来看,路由器的作用与交换机和网桥非常相似。但是与工作在网络数据链路层,从物理上划分网段的交换机不同,路由器使用专门的软件协议从逻辑上对整个网络进行划分。例如,一台支持IP协议的路由器可以把2网络划分成多个子网段,只有指向特殊IP地址的网络流量才可以通过路由器。对于每一个接收到的数据包,路由器都会重新计算其校验值,并写入新的物理地址。因此,使用路由器转发和过滤数据的速度往往要比只查看数据包物理地址的交换机慢。但是,对于那些结构复杂的网络,使用路由器可以提高网络的整体效率。路由器的另外一个明显优势就是可以自动过滤网络广播。总体上说,在网络中添加路由器的整个安装过程要比即插即用的交换机复杂很多。
信息传输
有的路由器仅支持单一协议,但大部分路由器可以支持多种协议的传输,即多协议路由器。由于每一种协议都有自己的规则,要在一个路由器中完成多种协议的算法,势必会降低路由器的性能。路由器的主要工作就是为经过路由器的每一个数据帧寻找一条最佳传输路径,并将该数据有效地传送到哦目的站点。由此可见,选择最佳路径的策略即路由算法是路由器的关键所在。为了完成这项工作,在路由器中保存着各种传输路径的相关数据--路径表(Routing Table),供路由选择时使用。路径表中保存着子网的标志信息,网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路径表可以是系统管理员固定设置好的。
静态路由
所使用的路径选择是预先在离线情况下计算好的,并在网络启动时被下载到路由器中的。它无法响应故障,静态路由对于路由选择已经很清楚的场合非常有用。
动态路由
会改变它们的路由决策以便反映出拓扑结构的变化,通常也会反映出流量的变化情况。动态路由算法在多个方面有所不同:获取信息的来源不同,改变路径的时间不同以及用于路由优化的度量不同。
名词解释
RAM
:随机存取存储器(Random Access Memory),也加作主存,是与CPU直接交换数据的内部存储器。它可以随时读写(刷新时除外),而且速度很快,通常作为操作系统或者其他正在运作中的程序的临时数据存储介质。RAM工作时可以随时从任何一个指定的地址写入(存入)或者读出(取出)信息。它与ROM的最大区别是数据的易失性,即一旦断电所存储的数据将随之丢失。RAM在计算机和数字系统中用来暂时存储程序,数据和中间结果。
ROM
:只读内存(Read Only Memory),只读存储器是一种在正常工作时其存储的数据固定不变,其中的数据只能读出,不能写入,即使断电也能保留数据,要想在只读存储器中存入或改变数据,必须具备特定的条件。按存取信息的不同方式,存储器可以分为随机存取存储器(RAM)和非随机存取存储器。只读存储器就属于非随机存取存储器。主要分为掩膜ROM,PROM,EPROM, EEROM, flash ROM等几类。
单工
:单工(Simplex Communication)模式的数据传输是单向的。通信双方中,一方固定为发送端,一方则固定为接收端。信息只能沿一个方向传输,使用一根传输线。
半双工
:半双工(Half Duplex)数据传输指数据可以在一个信号载体的两个方向上传输,但是不能同时传输。例如,在一个局域网上使用具有半双工传输的技术,一个工作站可以在线上发送数据,然后立即在线上接收数据,这些数据来自数据刚刚传输的方向。想全双工传输一样,半双工包含一个双向线路(线路可以在两个方向上传递数据)。
全双工
:全双工(Full Duplex)是通信传输的一个术语。通信允许数据在两个方向上同时传输,他在能力上相当于两个单工通信方式的结合。全双工指可以同时(瞬时)进行信号的双向传输(A->B且B->A)。指A->B的同时B->A,是瞬时同步、