详细解说思科路由与交换知识点

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网络层次结构

网络参考模型的定义给出了清晰的功能层次划分。最常被提及的是ISO OSI参考模型和TCP/IP协议簇。

国际标准化组织定义的OSI参考模型将计算机网络按功能划分为七个层次,这就是我们常说的七层模型或七层结构。网络功能分层的直接好处是这些层次可以各司其职,由不同厂家开发的不同层次的软硬件设备可以配合使用。一个层次的设备更新或软件重写也不会影响到其它层次。TCP/IP协议体系中的各个层次和ISO的参考模型有大致的对应关系。

OSI中间一层,即第四层执行传输功能,它负责提供从一台计算机到另外一台计算机之间的可靠数据传输。传输层(Transport Layer)是承上启下的一层,在它的下面有三层,都是与数据传输相关的功能;上面也有三层,提供与网络应用相关的功能。

OSI下三层中。物理层(Physical Layer)负责实际的传送数据信号,数据链路层(Data Link Layer)负责网络内部的帧传输,而网络层(Network Layer)负责网络间的计算机寻址和数据传输。

OSI上三层中。应用层(Application Layer)是最高的层次,它负责提供用户操作的界面,因特网中常用的电子邮件服务,文件传输服务等都是这一层提供的。表示层(Presentation Layer)负责数据的表示,比如发送数据之前的加密,接收数据时的解密,中英文的翻译等等都是这一层提供的功能。会话层(Session Layer)负责建立和终止网络的数据传输,计算机名字转换成地址的工作也在这层完成。

传统意义上的交换是第二层的概念。数据链路层的功能是在网络内部传输帧。所谓“网络内部”是指这一层的传输不涉及网间的设备和网间寻址。通俗的理解,一个以太网内的传输,一条广域网专线上的传输都由数据链路层负责。所谓“帧”是指所传输的数据的结构,通常帧有帧头和帧尾,头中有源目二层地址,而帧尾中通常包含校验信息,头尾之间的内容即是用户的数据。

数据链路层涵盖的功能很多,所以又将它划分为两个子层, MAC(Media Access Control,介质访问控制)层和LLC(Logical Link Control,逻辑链路控制)层。常见的局域网和城域网的二层标准是IEEE的802协议。而在广域网中,HDLC(High-level Data Link Control,高级链路控制)、PPP(Point-to-Point Protocol,点对点协议)和Frame Relay(帧中继)等协议都有广泛的使用。

路由是第三层的概念。网络层在Internet中是最重要的,它的功能是端到端的传输,这里端到端的含义是无论两台计算机相距多远,中间相隔多少个网络,这一层保障它们可以互相通信。例如我们常用的PING命令就是一个网络层的命令,PING通了,就是指网络层的功能正常了。通常,网络层不保障通讯的可靠性,也就是说,虽然正常情况下数据可以到达目的地,但即便出现异常,网络层也不作任何更正和恢复的工作。

网络层常用的协议有IP、IPX、APPLETALK等等,其中IP协议更是Internet的基石。在TCP/IP协议体系中,第三层的其他辅助协议还包括ARP(地址解析)、RARP(反向地址解析)、ICMP(网际报文控制)和IGMP(组管理协议)等等。由于网络互连设备都具有路径选择功能,所以我们经常将 RIP、OSPF等路选协议也放在这一层讨论。

交换

谈到交换的问题,从广义上讲,任何数据的转发都可以称作交换。当然,现在我们指的是狭义上的交换,仅包括数据链路层的转发。做网络的人理解交换大多是从交换机开始的,电路交换机在通信网中已经使用了几十年了,做帧交换的设备,尤其是以太网交换机的大规模使用则是近几年的事情。

理解以太网交换机的作用还要从网桥的原理讲起。传统以太网是共享型的,如果网段上有四台计算机A、B 、C和D,那么A与B通信的同时,C和D只能是被动的收听。假如将缆段分开(即微化),A、B在一段上,C、D在另一段上,那么A和B通信的同时,C和D也可以通信,这样原有10M的带宽从理论上讲就变成20M了。同时,为了确保这两个网段可以互相通信,需要用桥将它们连接起来,桥是有两块网卡的计算机。

在整个网络刚刚启动时,桥对网络的拓朴一无所知。这时,假设A发送数据给B,因为网络是广播式的,所以桥也收到了,但桥不知到B在自己的左边还是右边,它就进行缺省的转发,即在另外一块网卡上发送这个信息。虽然做了一次无用的转发,但通过这个过程,桥学习到数据的发送者A在自己的左边。当网络上的每一台计算机都发送过数据之后,桥就是智能的了,它了解每一台计算机在哪一个网段上。当A再发送数据给B时,桥就不进行数据转发了,与此同时,C可以发送数据给D。

从上面的例子可以看出,桥可以减少网络冲突发生的几率,这就是我们使用桥的主要目的,称作减小冲突域。但桥并不能阻止广播,广播信息的隔绝要靠三层的连接设备,路由器。

按照缆段微化的思想,缆段越多,可用带宽就越高。极限情况是每一台计算机处在一个独立的缆段上,如果网络上有十台计算机,就需要一个十端口的桥将它们连接起来。但实现这样一个桥不太现实,软件转发的速度也跟不上,于是有了交换机,交换机就是将上述多端口的桥硬件或固件化,以达到更低的成本和更高的性能。

交换机的一个重要的功能是避免交换循环,这就涉及到了STP(Spanning Tree Protocol,分支树协议)。分支树协议的功能是避免数据帧在交换机构成的网络中循环传送。如下图所示,如果网络中有冗余链路的话,STP协议现选出根交换机(Route Bridge),然后确定每一台非根交换机到根交换机之间的路径,最后,将此路径上的所有链路置成转发(Forward)状态,其余的交换机之间的连接就是冗余链路,置为阻塞(Block)状态。

交换机的另外一个重要功能是VLAN(Virtual LAN,虚拟局域网)。VLAN的好处主要有三个:

端口的分隔。即便在同一个交换机上,处于不同VLAN的端口也是不能通信的。这样一个物理的交换机可以当作多个逻辑的交换机使用。

网络的安全。不同VLAN不能直接通信,杜绝了广播信息的不安全性。

灵活的管理。更改用户所属的网络不必换端口和联线,只该软件配置就可以了。

VLAN可以按端口或MAC地址来划分。

有时,我们需要在交换机所构成的网络上保持VLAN的配置的一致性。这就需要交换机之间按照VTP(VLAN Trunk Protocol,VLAN骨干协议)交流VLAN信息。VTP协议只在骨干端口(Trunk Port),即交换机之间的端口,上运行。

路由器是网络间的连接设备,它重要工作之一是路径选择。这个功能是路由器智能的核心,它是由管理员的配置和一系列的路由算法实现的。

路由算法有动静之分,静态路由是一种特殊的路由,它是由管理员手工设定的。手工配置所有的路由虽然可以使网络正常运转,但是也会带来一些局限性。网络拓扑发生变化之后,静态路由不会自动改变,必须有网络管理员的介入。缺省路由是静态路由的一种,也是由管理员设置的。在没有找到目标网络的路由表项时,路由器将信息发送到缺省路由器(gateway of last resort)。而动态的算法,顾名思义,是由路由器自动计算出的路由,常说的RIP、OSPF等等都是动态算法的典型代表。

另外还可以将路由算法分为DV和LS两种。DV(Distance,距离向量)算法将当前路由器的路由信息传送给相邻路由器,相邻路由器将这些信息加入自身的路由表。而LS(Link State,链路状态)算法将链路状态信息传给域内所有的路由器,接收路由器利用这些信息构建网络拓扑图,并利用图论中的最短路径优先算法决定路由。相比之下,距离向量算法比较简单,而链路状态算法较为复杂,占用的CPU和内存也要多一些。但是由于链路状态算法采用的是自身的计算结果,所以比较不容易产生路由循环。RIP是DV类算法的典型代表,而OSPF是LS的代表协议。

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