交换机与路由器的基本工作原理

1.广播域和冲突域
1.1冲突域：
  连接在同一导线上的所有工作站的集合，或者说是同一物理网段上所有节点的集合或以太网上竞争同一带宽的节点集合。这个域代表了冲突在其中发生并传播的区域，这个区域可以被认为是共享段。在OSI模型中，冲突域被看作是第一层的概念，连接同一冲突域的设备有Hub，Reperter或者其他进行简单复制信号的设备。也就是说，用Hub或者Repeater连接的所有节点可以被认为是在同一个冲突域内
1.2广播域：
  接收同样广播消息的节点的集合。如：在该集合中的任何一个节点传输一个广播帧，则所有其他能收到这个帧的节点都被认为是该广播帧的一部分。由于许多设备都极易产生广播，所以如果不维护，就会消耗大量的带宽，降低网络的效率。由于广播域被认为是OSI中的第二层概念，所以像Hub，交换机等第一，第二层设备连接的节点被认为都是在同一个广播域。而路由器，第三层交换机则可以划分广播域，即可以连接不同的广播域。

2.二层交换机
2.1交换机的作用
交换机工作于osi参考模型中的二层——数据链路层，主要有以下作用：
①提供端口密度，用于更多节点的互联 集线器（HUB）也可以实现
②、对电流信息进行识别再转发；故理论上可以无限延长传输距离
③、完全没有冲突；实现所有节点间同时数据收发
④、二层单播

2.2工作原理
数据帧进入交换机后，交换机先查看数据帧中的源mac地址，然后基于该mac、进入接口id和vlanid，进行hash运算，记录到本地的MAC地址表—CAM 表。如果CAM表中记录了目标MAC地址，则通过对应接口进行转发；若没有，则进行洪泛——向除进入接口以外的所有接口转发。

洪泛的几种情形：
   ①广播包：
    数据帧中目标mac全F，当一台主机知道对方ip地址而不知道对方的mac地址的时候，就发送一个这样的包，目标mac地址全F，mac地址的第一位是广播位，即当第一位为1时，交换机就洪泛（减少判断）
  ②组播（未进行组播部署）：
    组播是将数据帧转发到和源主机同一个组内的其他成员，根据组播的转发规则进行转发，但是，网络内没有进行组播部署的时候，就会进行广播。
  ③未知单播：
    交换机和pc中都会生成一份CAM表。交换机中，CAM表的存在时间是5min。pc中记录这个表的时间是2h——在cmd命令行窗口使用arp -a 进行查看。
若交换机连接两台主机PCA和PCB，开始时，PC和交换机CAM表齐全，当交换机中CAM表刷新后，可能出现PCA中存在PCB的MAC地址，交换机的CAM表中无PCB的MAC,此时PCA向PCB发送一个报文，出现未知单播。

3.路由器
路由器是一个三层设备，具有二层的功能。
3.1路由器的作用
①隔离广播域
②连接逻辑上分开的网络，进行逻辑寻址，对数据进行转发

3.2路由器工作原理
      当一个数据包进入路由器时，路由器先解封装到二层，查看数据包中的目标MAC地址，有三种情形：
    ①广播      解封装到3层
    ②组播     每一个组播地址均存在自己的MAC地址；基于目标MAC就可以判断本地是否
需要解封装；若本地加入了该组将解包，否则直接丢弃
    ③单播      目标MAC为路由器接收到该流量的接口mac地址 --解封装
                     目标MAC不是本地路由器的mac地址 --丢弃
若数据包不丢弃，则解封装到三层，查看3层报头；默认路由器仅查看目标ip地址；同样有三种情形：
  ①　广播    解封装
  ②　组播   若路由器加入了该组，解封；若没有加入，丢弃
  ③　单播     目标ip地址为路由器，继续解封
                      目标ip地址为其他设备，路由器将查询本地的路由表—TCAM
4.三层交换机
3层交换机工作原理：
二层交换机和路由器的功能集合设备；
当一个数据包进入3层交换机后；
①先查看源mac地址，生成cam
②再查看目标mac地址
1）广播 洪泛 同时解封装
2）组播 洪泛或者基于组转发 若该设备处于该组同时解封
3）单播 目标mac为本地，直接解封 目标mac为其他设备基于cam表转发

③解封装后，查看目标ip地址；此时行为将和路由器一致

5.数据交换方式
①原始包交换：先查询本地的TCAM表，再查看本地的ARP表来确定目标或者下一跳的mac地址—前提网络环境为以太网

②快速交换 ：一次路由多次交换 基于数据流的第一个包进行TCAM和ARP表查询；之后将该过程—源目ip地址、进出接口、新的二层封装记录到缓存中；生成一个cache列表；该数据流的第二个包将基于缓存直接转发；

③特快交换 最早由cisco提出；CEF技术 无需路由直接交换
路由器将本地的路由表和ARP直接转换为二进制的列表；之后将两个表格整合形成转发规则；
    路由表——》FIB转发信息数据库 –解决完了递归
    ARP——》adj 邻居关系表
6.网络类型
①点到点 – 在一网段内只能存在两个物理接口
②BMA – 广播型多路访问网络 在一个MA网络中，同时存在广播洪泛机制
③NBMA – 非广播型多路访问网络 在一个MA中不支持洪泛机制，只能使用伪广播来进行广播或组播行为
MA：多路访问，在一个网段内物理节点数量不做限制