路由器与交换机基本原理

路由器工作原理

定义

路由器是一种实现网络互联的设备，作为三层网络层设备提供路由与转发两种机制，可以决定数据包从源端到目的端的经过路径（路由），以及将路由器输入端的数据包送到适当的路由器输出端（内部转发）；
可以看作路由器在两个方面控制层面和转发层面的作用；

基本作用

路由器工作过程

收到数据包后拆包到网络层进行路由选择，将其从合适的端口发出（需进行封装），可实现异种网络的互联；主要有以下作用：

• 路由 ：使用路由表来实现，包括路由表的建立、更新、维护、查找
  使用静态路由和动态路由协议来获知远端网络构建路由表
• 子网间速率适配
• 隔离子网，防止广播蔓延，指定访问规则 不同类型网络互联
  路由器经常会收到以某种类型的数据链路帧封装的数据包，当转发这种数据包时，路由器可能需要将其封装为另一种类型的数据链路帧。数据链路封装取决于路由器接口的类型及其连接的介质类型。

典型的路由器的结构

整个路由器可划分为两部分，路由选择部分及分组转发部分【控制平面与数据平面】；
路由选择部分主要是根据路由协议生成路由表，交由转发引擎生成转发表，数据进入路由器后查找转发表进行转发；

报文处理路径

• 控制路径：主要是路由器的控制信息转发的路径，包括各类路由协议报文，负责完成各类信息的交互；
• 数据路径：主要是接受到的数据转发的路径，根据转发表规定的路径转发；

路由表与转发表

路由表：由链路层发现，静态路由，动态路由协议生成，主要信息有IP、下一跳、度量值、优先级等等；
转发表：转发表是基于路由生成的，路由器实际转发时使用转发表（只包括IP地址/IP子网和下一跳/出接口）；高性能路由器转发表通常都用硬件来实现，有利于高速查找。
如果在查询转发表过程中出现多个匹配时，路由器使用最长匹配原则；
RIB维护每种协议的网络拓扑和路由表。这将包括许多到达相同目的地前缀的路由。
FIB是从下推的RIB中可能的许多协议到快速转发查找内存的最佳路径的最佳路由。

CAM和TCAM用于大型表的快速查询。
• CAM执行二元运算
– 基于0或1匹配；所有比特都必须匹配
– “命中”将返回结果(出接口)
– 用于MAC地址查询
• TCAM执行三元运算
– 基于0、1或X(不关心)匹配
– 最长匹配返回“命中”
- 适用于并非所有值都需要精确匹配的查询(ACL或IP路由表)。

交换机工作原理

基本作用

交换机工作在二层，可以用来隔离冲突域，在OSI参考模型中，二层的作用是寻址，这边寻址指的是MAC地址，而交换机就是对MAC地址进行转发，在每个交换机中，都有一张MAC地址表，这个表是交换机自动学习的，所以，总得来说交换机的作用是寻址和转发；

交换机为数据链路层设备，可以将电流与二进制转换，实现了以下功能：
1、 无限的传输距离
2、 彻底解决了冲突—所有的接口可以同时收发数据
3、 二层单播—物理寻址，在一个交换网络内，实现一对一通讯，保障了数据的安全，减少了垃圾数据量，降低的转发延时；
4、 提高端口密度—可以增加更多的接口

工作原理

交换机对流量的转发机制：流量进入交换机后，先识别数据帧中的源MAC地址，然后将该MAC地址与该流量的进入接口进行绑定、记录，生成MAC地址表—再转换为CAM表
之后查看数据帧中的目标MAC地址，在CAM表中寻找对应的记录，若存在记录，按记录接口单播转发；
若没有记录将洪泛该流量； 洪泛—除流量的入口外其他所有出口复制；
默认CAM在一个mac最后出现的后300s将被删除；

MAC地址表和CAM的区别— CAM是将MAC表中的MAC地址+接口编号+vlanid转换为hash值，再转换为二进制格式；意义在于识别更快；

终端在访问其他终端前，通过目标ip地址判断是否与本地处于同一网段；
同一网段—ARP 获取对端MAC 若成功–单播通讯；若失败–放弃通讯
不同网段–IP地址正常源、目填写，但目标MAC需要本地所在网段网关地址；然后将流量传递给路由器来处理；（正常使用ARP通过网关的IP地址来获取网关的MAC地址）

交换机的工作特性

1.交换机的每一个端口所连接的网段都是一个独立的冲突域。
2.交换机所连接的设备仍然在同一个广播域内，也就是说，交换机不隔绝广播（惟一的例外是在配有VLAN的环境中）。
3.交换机依据帧头的信息进行转发，因此说交换机是工作在数据链路层的网络设备（此处所述交换机仅指传统的二层交换设备）。

交换机的分类

依照交换机处理帧时不同的操作模式，主要可分为两类：

a – 存储转发

   交换机在转发之前必须接收整个帧，并进行错误校检，如无错误再将这一帧发往目的地址。帧通过交换机的转发时延随帧长度的不同而变化。

b – 直通式

  交换机只要检查到帧头中所包含的目的地址就立即转发该帧，而无需等待帧全部的被接收，也不进行错误校验。由于以太网帧头的长度总是固定的，因此帧通过交换机的转发时延也保持不变。

二层、三层、四层交换机

二层交换机 基于MAC地址
三层交换机 具有VLAN功能 有交换和路由 //基于IP
四层交换机 基于端口，就是应用

1、二层交换技术

由其工作原理可知以下：

• 交换机对多数端口的数据同时进行交换，这就要求具有很宽的交换总线带宽，如果二层交换机有N个端口，每个端口的带宽是M，交换机总线带宽超过N*M，那么此交换机就可以实现线速交换，即能够按照网络通信线上的数据传输速度实现无瓶颈的数据交换；
• 学习端口连接的机器的MAC地址，写入地址表，地址表的大小影响交换机的接入容量；
• 二层交换机一般都含有专门处理数据包转发的ASIC芯片，因此转发速度非常快，由于各个厂家采用的ASIC不同，产品性能也有所差异；

2、三层交换技术

主机A要给B发送数据，已知B的IP，不知B的MAC，需要先发送ARP；
1）如果A、B在同一网段，A发送一个ARP，B回一个ARP应答，A用B的MAC封装数据包并发送给交换机，交换机起用二层交换模块，查找MAC地址表，将数据转发；
2）若果A、B不再一个网段，A需要给网关发送一个ARP，交换机的三层模块接收到此包，需要查询路由表以确定B的路由，构造一个新的帧头，发送给B，通过一定的识别触发机制，确立主机A与B的MAC地址及转发端口的对应关系，并记录进流缓存条目表，以后A到B的数据，就直接交由二层交换模块完成，即一次路由，多次转发；

三层交换的特点：

• 由硬件结合实现数据的高速转发。
• 这就不是简单的二层交换机和路由器的叠加，三层路由模块直接叠加在二层交换的高速背板总线上，突破了传统路由器的接口速率限制，速率可达几十Gbit/s。算上背板带宽，这些是三层交换机性能的两个重要参数。
• 简洁的路由软件使路由过程简化。
• 大部分的数据转发，除了必要的路由选择交由路由软件处理，都是又二层模块高速转发，路由软件大多都是经过处理的高效优化软件，并不是简单照搬路由器中的软件。

二层交换机用于小型局域网络，路由器适用于大型的网络间的路由选择，三层交换机的最重要的功能是加快大型局域网内部的数据转发，加入路由功能也是为此服务的。

3、四层交换技术

第四层交换的一个简单定义是：它是一种功能，它决定传输不仅仅依据MAC地址(第二层网桥)或源/目标IP地址(第三层路由),而且依据TCP/UDP(第四层)应用端口号。 第四层交换功能就象是虚IP，指向物理服务器。它传输的业务服从的协议多种多样，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他协议。这些业务在物理服务器基础上，需要复杂的载量平衡算法。在IP世界，业务类型由终端TCP或UDP端口地址来决定，在第四层交换中的应用区间则由源端和终端IP地址、TCP和UDP端口共同决定。

在第四层交换中为每个供搜寻使用的服务器组设立虚IP地址（VIP），每组服务器支持某种应用。在域名服务器（DNS）中存储的每个应用服务器地址是VIP，而不是真实的服务器地址。

当某用户申请应用时，一个带有目标服务器组的VIP连接请求（例如一个TCP SYN包）发给服务器交换机。服务器交换机在组中选取最好的服务器，将终端地址中的VIP用实际服务器的IP取代，并将连接请求传给服务器。这样，同一区间所有的包由服务器交换机进行映射，在用户和同一服务器间进行传输。
　 具有第四层功能的交换机能够起到与服务器相连接的“虚拟IP”(VIP)前端的作用。
　 在发出一个服务请求时，第四层交换机通过判定TCP开始，来识别一次会话的开始。然后它利用复杂的算法来确定处理这个请求的最佳服务器。一旦做出这种决定，交换机就将会话与一个具体的IP地址联系在一起，并用该服务器真正的IP地址来代替服务器上的VIP地址。

在使用第四层交换的情况下，接入可以与真正的服务器连接在一起来满足用户制定的规则，诸如使每台服务器上有相等数量的接入或根据不同服务器的容量来分配传输流。