交换机，路由器和集线器的工作原理和区别

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计算机网络通常由许多不同类型的网络互连. 如果几个计算机网络仅在物理上连接在一起，并且彼此之间无法通信，则这种“互连”没有实际意义. 因此，在谈论“互连”时，已经暗示这些互连的计算机可以通信. 也就是说，在功能和逻辑上，这些计算机网络已经形成了一个大型计算机网络，或者称为Internet，也可以简称为Internet或Internet.

中间设备（或中间系统）用于将网络相互连接. ISO术语称为中继系统. 根据中继系统的级别，可以有以下五种类型的中继系统:

1. 物理层（即第一层，即L1层）中继系统，即中继器.

2. 数据链路层（即第二层，即L2层），即网桥或网桥.

3. 网络层（第3层，第L3层）中继系统，即路由器（router）.

4. 桥接器和路由器的混合物. 桥接器（代理）具有桥接器和路由器的功能.

5. 网络层上方的中继系统，即网关.

当中继系统是中继器时，通常不将其称为网络互连，因为这仅仅是网络的扩展，并且仍然是网络. 目前，高级网关由于其复杂性而较少使用. 因此，在讨论网络互连时，它是指由交换机和路由器互连的网络. 本文重点介绍交换机和路由器及其区别.

交换机和路由器

“交换”是当今网络中最常出现的单词. 从桥接到路由到ATM到电话系统，它可以应用于任何场合，尚不清楚什么是真正的交换. 实际上，术语“交换”首先出现在电话系统中，特别是指两个不同电话机之间的语音信号交换. 完成此任务的设备是电话交换机. 因此，从最初的意图出发，切换只是一个技术概念，即完成从设备入口到出口的信号转发. 因此，只要是符合定义的设备，所有设备都可以称为交换设备. 可以看出，“切换”是具有广泛含义的术语. 当用来描述数据网络第二层的设备时，实际上是指桥接设备. 当用于描述数据网络的第三层时，它也指路由设备.

我们经常谈论的以太网交换机实际上是基于网桥技术的多端口第2层网络设备. 它为将数据帧从一个端口转发到另一个任意端口提供了低延迟和低开销. 路径.

可以看出，交换机的核心应该有一个交换矩阵，以提供任何两个端口之间的通信路径或快速交换总线，以便可以从其他端口发送任何端口接收的数据帧端口. 在实际设备中，开关矩阵的功能通常由专用芯片（ASIC）完成. 另外，以太网交换机在设计理念上有一个重要的假设，即交换核心的速度非常快，因此通常的大流量数据不会引起拥塞. 换句话说，交换容量与传输的信息量有关. 无穷大（相反，ATM交换机的设计思想是，交换的能力相对于所传输的信息量是有限的. ）

尽管以太网第2层交换机是基于多端口网桥开发的，但毕竟交换机具有更丰富的特性，这不仅是获取更多带宽的最佳方法，而且使网络更易于管理.

路由器是OSI协议模型的网络层中的一个分组交换设备（或网络层中继设备）. 路由器的基本功能是将数据（IP数据包）传输到正确的网络，包括

1. IP数据报的转发，包括数据报的路由和传输；

2. 子网隔离以抑制广播风暴；

3. 维护路由表并与其他路由器交换路由信息，这是IP数据包转发的基础.

4. IP数据报错误处理和简单的拥塞控制；

5. 实现IP数据报的过滤和计费.

路由器-所谓的路由是指通过互连网络将信息从源位置移动到目的地位置的活动. 一般而言，在路由过程中，信息将通过至少一个或多个中间节点. 通常，人们会比较路由和交换，这主要是因为在普通用户看来，两者实现的功能是完全相同的. 实际上，路由和交换之间的主要区别在于交换发生在OSI参考模型的第二层（数据链路层），而路由发生在第三层（网络层）. 这种差异决定了路由和交换在移动信息的过程中需要使用不同的控制信息，因此两种实现各自功能的方式是不同的.

交换-交换是用于根据要在通信两端传输信息的需要将要传输的信息发送到满足手动或自动设备要求的相应路由的技术的总称. 从广义上讲，交换机是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备.

在计算机网络系统中，交换的概念是对共享工作模式的改进. 我们之前介绍的HUB集线器是一种共享设备. HUB本身无法识别目标地址. 当同一LAN中的主机A向主机B发送数据时，数据包将通过基于HUB的网络上的广播进行发送. ，每个终端通过验证分组头中的地址信息来确定是否接收它. 也就是说，在这种工作模式下，只能同时在网络上传输一组数据帧，如果发生冲突，则必须重试. 这种方式是共享网络带宽.

该开关具有高带宽的反向总线和内部开关矩阵. 交换机的所有端口都连接到该反向总线. 控制电路收到数据包后，处理端口将在内存中查找地址比较表，以确定目标MAC（网卡的硬件地址）和NIC（网卡）的连接. 通过内部交换矩阵将其快速传输到目标端口. 如果目标MAC不存在，它将被广播到所有端口. 收到端口响应后，交换机将“学习”新地址并将其添加到内部MAC地址表中.

使用交换机还可以“分段”网络. 通过比较MAC地址表，交换机仅允许必要的网络流量通过交换机. 通过交换机的过滤和转发，可以有效隔离广播风暴，减少错误包和错误包的出现，避免共享冲突.

交换机可以同时在多个端口对之间传输数据. 每个端口都可以视为一个独立的网段，并且与其相连的网络设备可以独立享受全部带宽，而不必与其他设备竞争使用. 当节点A将数据发送到节点D时，节点B可以同时将数据发送到节点C，并且两种传输都享受网络的全部带宽，并且都有自己的虚拟连接. 如果在此处使用10Mbps以太网交换机，则此时交换机的总流通量等于2×10Mbps = 20Mbps，而在使用10Mbps共享HUB时，HUB的总流通量将不超过10Mbps.

简而言之，交换机是一种基于MAC地址标识并且能够封装和转发数据包的网络设备. 交换机可以“学习” MAC地址并将其存储在内部地址表中. 通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时切换路径，数据帧可以直接从源地址到达目标地址.

描述第二层交换机，第三层交换机和路由器的基本工作原理以及两者之间的主要区别.

1. 第2层交换技术

第2层交换机是数据链路层上的设备. 它可以读取数据包中的MAC地址信息并根据MAC地址进行交换.

交换机内部有一个地址表，用于指示MAC地址和交换机端口之间的对应关系. 当交换机从某个端口接收到数据包时，它首先读取标头中的源MAC地址，以便知道具有源MAC地址的机器连接到哪个端口，然后读取标头中的目标MAC地址. ，然后在地址表中查找相应的端口. 如果表中有与目标MAC地址相对应的端口，则将数据包直接复制到该端口. 如果在表中未找到相应的端口，则数据包将广播到所有端口. 当目标计算机响应源计算机时，交换机可以了解目标MAC地址对应于哪个端口. 下次传输数据时，不再需要广播到所有端口.

这是第2层交换机建立和维护其自己的地址表的方式. 由于第2层交换机通常具有较宽的交换总线带宽，因此它们可以同时为许多端换数据. 如果二层交换机有N个端口，每个端口的带宽为M，且其交换机总线带宽超过N×M，则可以实现线速交换. 第2层交换机不对广播数据包施加限制，而是将广播数据包复制到所有端口.

第2层交换机通常包含专用于处理数据包转发的ASIC（专用集成电路）芯片，因此转发速度可以非常快.

2. 路由技术

路由器在OSI七层网络模型的第三层即网络层上运行.

路由器内部有一个路由表. 下表指示您要去的地方要去的地方. 当路由器从某个端口接收到数据包时，它首先删除链接层的标头（拆包），读取目标IP地址，然后查找路由表. 如果可以确定下一步将其发送到何处，则添加链. 道路层的数据包头（打包）转发数据数据包；如果无法确定下一步的地址，则将消息返回到源地址，并丢弃数据包.

路由技术和第2层交换看起来有点相似. 实际上，路由和交换之间的主要区别在于交换发生在OSI参考模型的第二层（数据链路层），而路由发生在第三层. 这种差异决定了路由和交换在传输数据的过程中需要使用不同的控制信息，因此实现各自功能的两种方式是不同的.

路由技术实际上由两个最基本的活动组成，即确定最佳路径和传输数据包. 其中，数据包的传输相对简单直接，而路由确定则更为复杂. 路由算法在路由表中写入各种信息，路由器根据数据包的目的地选择最佳路径，并将数据包发送到可以到达该目的地的下一个路由器. 当下一个路由器接收到数据包时，它还将检查其目标地址并使用适当的路径继续将其传输到下一个路由器. 依此类推，直到数据包到达最终目的地为止.

路由器之间可以相互通信，并且可以通过传输不同类型的信息来维护自己的路由表. 主路由更新信息就是这种信息，通常由部分或全部路由表组成. 通过分析其他路由器发送的路由更新信息，路由器可以掌握整个网络的拓扑. 链路状态广播是路由器之间传输的另一种信息. 它可以将链接状态和信息发送者的进度通知其他路由器.

3. 三层交换技术

具有第三层交换功能的设备是具有第三层路由功能的第二层交换机，但这是两者的有机结合，而不仅仅是在局域网上叠加路由器设备的硬件和软件切换.

从硬件的角度来看，第二层交换机的接口模块通过高速背板/总线（速度高达数十Gbit / s）交换数据. 在第三层交换机中，第三层路由硬件模块也插入了高速背板/总线. 此方法允许路由模块与需要高速路由的其他模块交换数据，从而突破了传统的外部路由器接口速率限制. 在软件方面，第三层交换机也有一个重大举措，它定义了传统的基于软件的路由器软件.

方法是:

对于数据包的转发: 例如IP / IPX包的转发，这些常规过程可以通过硬件高速实现.

对于第三层路由软件: 路由信息更新，路由表维护，路由计算，路由确定等功能是通过优化高效的软件实现的.

假定使用IP协议的两台计算机通过第3层交换机进行通信. 机器A开始发送时，它知道目标IP地址，但尚不知道在LAN上发送它所需的MAC地址. 使用地址解析（ARP）确定目标MAC地址. 机器A将其自己的IP地址与目标IP地址进行比较，并从其软件中配置的子网掩码中提取网络地址，以确定目标机器是否与其自身位于同一子网中. 如果目标计算机B和计算机A在同一子网中，则A广播ARP请求，然后B返回其MAC地址. A获得目标机器B的MAC地址后，将缓存该地址并使用该MAC地址对数据包进行转发. 两层交换模块查找MAC地址表，以确定将数据包发送到目标端口. 例如，如果两台计算机不在同一子网中，则发送计算机A需要与目标计算机C进行通信，并且发送计算机A需要将ARP数据包发送到“默认网关”，并且IP地址为系统软件中已设置“默认网关”. 该IP地址实际上对应于第3层交换机的第3层交换模块. 因此，当发送方机器A向“默认网关”的IP地址广播ARP请求时，如果第三层交换模块在先前的通信过程中已经获得了目的地方机器C的MAC地址，它将回复发送方机器地址为C的MAC地址；否则，第三层交换模块根据路由信息向目的机广播ARP请求. 接收到ARP请求后，目标计算机C将其MAC地址回复到第三层交换模块. 第三层交换模块保存该地址并答复发送机A. 稍后，当数据包在A和C之间转发时，它们将与最终目标计算机的MAC地址一起封装，并且数据转发过程将全部进行. 到交换处理的第二层，可以高速交换信息. 所谓一路选择，多次交换.

第三层交换具有以下突出功能

有机硬件组合加快了数据交换；

优化的路由软件提高了路由过程的效率；

除了必要的路由决策过程外，大部分数据转发过程均由第二层交换处理；

当多个子网互连时，它们仅在逻辑上连接到第三层交换模块，这与传统的外部路由器需要增加端口的情况不同，这可以保护用户的投资.

1. 开关的定义

LAN交换机有许多端口，每个端口都有自己的专用带宽，并且可以连接到不同的网段. 交换机各个端口之间的通信是同时并行的，这大大提高了信息吞吐量. 为了进一步提高性能，每个端口只能连接一个设备.

为了实现交换机之间的互连或与高端服务器的连接，LAN交换机通常具有一个或几个高速端口，例如100MB以太网端口，FDDI端口或155MB ATM端口，以确保整个网络的传输性能.

2. 开关的功能

通过集线器共享LAN的用户不仅共享带宽，而且还争夺带宽. 可能是单个用户需要更多带宽，而其他用户的可用带宽则相对减少，甚至被迫等待，从而延迟了通信和信息处理. 使用交换机的网络微分段技术，可以将大型共享LAN的用户划分为许多独立的网段，从而减少争夺带宽的用户数量并增加每个用户的可用带宽，从而减轻共享的拥塞. 网络. 由于交换机可以快速，直接地将信息发送到目的地，因此可以大大提高速度和带宽，保护用户以前在媒体上的投资，并提供良好的可伸缩性. 因此，该交换机不仅是网桥的理想替代品，而且还是集线器的理想替代品.

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