路由和交換的基本概念簡介

　　近年來由于Internet/Intranet計算模式的興起，應用被集中管理，而不是象從前那樣分散在各個部門的網絡中，園區網絡的流量模型發生了很大的變化。大量的網絡訪問是遠程的，也就是要經過路由器的。這被稱為新的20/80流量模型。因此，路由器逐漸成為網絡的瓶頸。

　　為了從技術上解決這個問題，網絡廠商開發了三層交換機，也叫做路由交換機。它是傳統交換機的性能和路由器的智能的結合。路由選擇仍由路由器完成，但路選的結果被交換機保留在自身的路由緩存中。這樣，一個數據流中的第一個數據包經過路由器，后繼的所有數據包直接由交換機查表轉發。得益于硬件轉發，三層交換機可以做到線速路由，如下圖所示。

　　許多廠家生產的三層交換機本身即是交換機和路由器的結合體，如Cisco的5000，5500，6500系列的交換機可以選配路由模塊，實現三層功能。

　　如此一來，園區網的內部就是交換機和三層交換機的天下了，全交換的園區網絡適應新的流量模型，徹底克服了傳統網絡的路由器瓶頸，極大地提高了網絡的效率。同時，路由器并沒有失業，仍然被用在遠程連接、撥號訪問等場合。

　　本文第一部分中回顧了網絡的層次結構，接下來談了傳統的路由和交換的原理，最后介紹了在現在的園區網絡中如何將路由和交換的優勢相結合，最好地滿足用戶的流量模型。

　　路由，交換，路由交換是本文的主要三個問題。

　　篇幅所限，對于具體的協議就不再贅述了，有時候，了解協議的工作流程和具體的設備，如Cisco的路由器和交換機，對于理解網絡的原理是很有幫助的。

　　端口的分隔。即便在同一個交換機上，處于不同VLAN的端口也是不能通信的。這樣一個物理的交換機可以當作多個邏輯的交換機使用。

　　網絡的安全。不同VLAN不能直接通信，杜絕了廣播信息的不安全性。

　　靈活的管理。更改用戶所屬的網絡不必換端口和聯線，只該軟件配置就可以了。

　　VLAN可以按端口或MAC地址來劃分。

　　有時，我們需要在交換機所構成的網絡上保持VLAN的配置的一致性。這就需要交換機之間按照VTP(VLAN Trunk Protocol，VLAN骨干協議)交流VLAN信息。VTP協議只在骨干端口(Trunk Port)，即交換機之間的端口上運行。

　　路由

　　路由器是網絡間的連接設備，它重要工作之一是路徑選擇。這個功能是路由器智能的核心，它是由管理員的配置和一系列的路由算法實現的。

　　路由算法有動靜之分，靜態路由是一種特殊的路由，它是由管理員手工設定的。手工配置所有的路由雖然可以使網絡正常運轉，但是也會帶來一些局限性。網絡拓撲發生變化之后，靜態路由不會自動改變，必須有網絡管理員的介入。缺省路由是靜態路由的一種，也是由管理員設置的。在沒有找到目標網絡的路由表項時，路由器將信息發送到缺省路由器(gateway of last resort)。而動態的算法，顧名思義，是由路由器自動計算出的路由，常說的RIP、OSPF等等都是動態算法的典型代表。

　　另外還可以將路由算法分為DV和LS兩種。DV(Distance，距離向量)算法將當前路由器的路由信息傳送給相鄰路由器，相鄰路由器將這些信息加入自身的路由表。而LS(Link State，鏈路狀態)算法將鏈路狀態信息傳給域內所有的路由器，接收路由器利用這些信息構建網絡拓撲圖，并利用圖論中的最短路徑優先算法決定路由。相比之下，距離向量算法比較簡單，而鏈路狀態算法較為復雜，占用的CPU和內存也要多一些。但是由于鏈路狀態算法采用的是自身的計算結果，所以比較不容易產生路由循環。RIP是DV類算法的典型代表，而OSPF是LS的代表協議。

　　四種最常見路由協議是RIP、IGRP、OSPF和EIGRP。

　　RIP(Routing Information Protocols，路由信息協議)是使用最廣泛的距離向量協議，它是由施樂(Xerox)在70年代開發的。當時，RIP是XNS(Xerox Network Service，施樂網絡服務)協議簇的一部分。TCP/IP版本的RIP是施樂協議的改進版。RIP最大的特點是，無論實現原理還是配置方法，都非常簡單。RIP基于跳數計算路由，并且定期向鄰居路由器發送更新消息。

　　IGRP是CISCO專有的協議，只在CISCO路由器中實現。它也屬于距離向量類協議，所以在很多地方與RIP有共同點，比如廣播更新等等。它和RIP最大的區別表現在度量方法、負載均衡等幾方面。IGRP支持多路徑上的加權負載均衡，這樣網絡的帶寬可以得到更加合理的利用。另外，與RIP僅使用跳數作為度量依據不同，IGRP使用了多種參數，構成復合的度量值，這其中可以包含的因素有：帶寬、延遲、負載、可靠性和MTU(最大傳輸單元)等等。

　　OSPF協議是80年代后期開發的，90年代初成為工業標準，是一種典型的鏈路狀態協議。OSPF的主要特性包括：支持VLSM(變長的子網掩嗎)、收斂迅速、帶寬占用率低等等。OSPF協議在鄰居之間交換鏈路狀態信息，以便路由器建立鏈路狀態數據庫(LSD)，之后，路由器根據數據庫中的信息利用SPF(Shortest Path First，最短路徑優先)算法計算路由表，選擇路徑的主要依據是帶寬。

　　EIGRP是IGRP的增強版，它也是CISCO專有的路由協議。EIGRP采用了擴散更新(DUAL)算法，在某種程度上，它和距離向量算法相似，但具有更短的收斂時間和更好的可操作性。作為對IGRP的擴展，EIGRP支持多種可路由的協議，如IP、IPX和AppleTalk等等。運行在IP環境時，EIGRP還可以與IGRP進行平滑的連接，因為它們的度量方法是一致的。

　　以上四種路由協議都是域內路由協議，他們通常使用在自治系統的內部。當進行自治系統間的連接時，往往采用諸如BGP(Border Gateway Protocols，邊界路由協議)和EGP(External Gateway Protocols，外部路由協議)這樣的域間路由協議。目前在Internet上使用的域間路由協議是BGP第四版。

　　收斂是路由算法選擇時所遇到的一個重要問題。收斂時間是指從網絡的拓撲結構發生變化到網絡上所有的相關路由器都得知這一變化，并且相應地做出改變所需要的時間。這一時間越短，網絡變化對全網的擾動就越小。收斂時間過長會導致路由循環的出現。

　　在上述幾種域內路由算法中，RIP和IGRP的收斂時間相對較長，都是分鐘數量級的;OSPF要短一些，數十秒內可以收斂;EIGRP最短，網絡拓撲發生變化之后，幾秒鐘即可達到收斂狀態。

　　全交換園區網絡

　　傳統的園區網絡是路由器加交換機的結構。如下圖所示，交換機負責網絡內部的傳輸，劃分VLAN以保證二層的安全性和靈活性，路由器則完成網間的尋址和數據轉發工作。