7.2路由器与交换机的基本原理

路由器与交换机的基本原理

一 交换机的基本原理

1 交换机工作在数据链路层

数据链路层

・位于网络层和物理层之间：负责将上层数据封装成固定格式的帧，在数据帧内封装发送和接收端的数据链路层地址，并且为了防止数据传输过程中产生的误码，在帧尾部加上校验信息，发现数据错误时，可以重传数据帧

・功能：数据链路的建立、维护与拆除、帧包装、帧传输、帧同步、帧的差错校验、帧流量控制

            ・物理地址，网络拓扑

            ・组帧：把数据封装在帧中

            ・定界与同步：产生/识别帧边界

            ・差错恢复：采用重传的方法

            ・流量控制及自适应：确保中间传输的稳定及收发双方传输速率的匹配

2 交换机的工作原理:交换机里面会形成MAC地址表，交换机根据MAC地址表的信息，智能的转发数据帧；MAC地址表是主机的MAC地址和交换机接口的对应关系表

・交换机转发数据帧的过程：如图，主机A向主机B发送数据帧

1. 初始状态： MAC地址表中没有MAC地址和接口的对应条目记录
2. MAC地址的学习：假设主机A中已记录主机B的MAC地址;主机A向主机B发送数据帧（源MAC地址为主机A的MAC地址，目标MAC地址为主机B的MAC地址），数据帧到交换机的1号接口，交换机首先查询MAC地址表中1号端口对应的MAC地址条目，条目中没有 源MAC地址，于是交换机就将源MAC地址和1接口编号对应起来，添加到MAC地址表中
3. 广播未知数据帧：然后交换机会查询MAC地址表中其他接口对应的MAC地址条目，条目中没有 目标MAC地址，于是交换机会选择广播的方式，即除了1号接口外的其他接口都将转发这个数据帧（源MAC地址为主机A的MAC地址，目标MAC地址为主机B的MAC地址），于是网络中的所有主机都会收到
4. 接收方回应信息：因为目标MAC地址是主机B的MAC地址，所以主机B会回应一个数据帧（源MAC地址为主机B的MAC地址，目标MAC位主机A的MAC地址），数据帧到交换机的2号接口，交换机首先查询MAC地址表中2号端口对应的MAC地址条目，条目中没有源MAC地址，于是交换机就将源MAC地址和2号接口编号对应起来，添加到MAC地址表中
5. 交换机实现单播通信：最后交换机查询MAC地址表中其他接口对应的MAC地址条目，发现1号接口有目标MAC地址，于是通过1号接口将数据转发出去；之后的300S不需要再进行广播

・注意事项：交换机的MAC地址表示动态的，将会在300S后自动消失

・交换机接口的双工模式

・单工模式：两个数据站之间只能沿单一方向传输数据；恰若麦克风和扬声器的形式；多模光纤一般采用单工传输模式，用两根光纤连接，一根负责发送，一根负责接收

・半双工模式：两个数据站之间能实现双向数据传输，但不能同时进行；恰若对讲机，收时不发，发时不收；由于会产生冲突，所有已被淘汰

・全双工模式：两个数据站之间可双向同时进行数据传输；恰若打电话；通信双方大多采用全双工模式；设备接口默认的双工模式都为自适应，当物理连接后双方开始协商双工模式，默认都为全双工（不同厂家设别会有不同，需手动设置双工模式）；但是如果某一端是其他模式，双工不匹配，可能会出现丢包现象

・以太网接口速率：协商不成功则无法通信，这时最好手动指定接口速率

二 路由器的基本原理

1路由器工作在网络层

网络层

・位于数据链路层和传输层之间：将上层数据分装成数据包，实现数据包从源端到目的端的传输

2路由器的工作原理：路由器里面会形成路由表，路由器根据路由表智能的转发数据包；路由表是网络地址和路由器接口的对应表

・路由器转发数据包的过程：如图主机1.1向主机3.1发送数据包

1)初始状态：R1和R3的路由表中没有网络和接口的对应关系条目

2)路由表的形成

    直连网段：如上图，对R1来说，1.0、2.0网段就是它的直连网段；对R3来说，2.0和3.0是它的直连网段

当R1、R3的各个接口都配置了IP地址，并开启接口时，R1的路由表中就会出现1.0网段和自己f0/1接口的对应关系、2.0网段和自己f0/0接口的对应关系；R3的路由表中就会出现2.0网段和自己f0/0接口的对应关系、3.0网段和自己的f0/1接口的对应关系

    非直连网段：对于R1来说，3.0网段就是它的非直连网段；对于R3来说，1.0网段是它的非直连网段；非直连网段不会写进路由表中，那么就要使用静态路由或动态路由来将非直连网段写入路由表中了

3）转发过程

假设已经将静态路由分别写入了R1和R3的路由表中，当主机1.1发送数据包给主机3.1时，首先R1会接收到数据包(源IP地址和MAC地址都是主机1.1的，目的IP地址为主机3.1的，目的MAC地址为网关R1接口f0/1的)，R1会查看数据包IP首部的目标IP地址（3.1），再查看自己路由表中的记录，找到3.0网段对应的接口f0/0，然后将数据包(源IP地址和目的IP地址不变，源MAC地址是R1的接口f0/0的，目的MAC地址为网关R3接口f0/0的)从f0/0接口转发出去；同样，当R3接收到数据包时也会查看数据包IP首部的目的IP地址(3.1)，再查看自己路由表中的记录，然后从相应的接口转发出去，于是主机3.1收到这个数据包(源IP地址和目的IP地址不变，源MAC地址是R3的接口f0/1的，目的MAC地址主机3.1的MAC地址)

3 静态路由和默认路由

・静态路由：静态路由是由管理员在路由器中手动配置的固定路由；如图

・如果R1要将数据转发给非直连网段3.0，就需要在路由器上添加静态路由

・静态路由需要管理员手动添加，只能应用于网络规模不大的、拓扑结构相对固定的网络中

・静态路由是单向的，如果希望双方能互相通信，就必须在通信双方配置双向的静态路由

・静态路由不能根据网络的变化而改变，所以缺乏灵活性

・默认路由：默认路由是一种特殊的静态路由；当路由器在路由表中找不到目标网络的路由条目时，路由器把请求转发到默认路由接口

默认路由在末梢网络中非常实用；末梢网络就是只有一个唯一的路径能到达其他网络