計算機網路往往由許多種不同型別的網路互連連線而成。如果幾個計算機網路只是在物理上連線在一起，它們之間並不能進行通訊，那麼這種“互連”並沒有什麼實際意義。因此通常在談到“互連”時，就已經暗示這些相互連線的計算機是可以進行通訊的，也就是說，從功能上和邏輯上看，這些計算機網路已經組成了一個大型的計算機網路，或稱為網際網路絡，也可簡稱為網際網路、互連網。

將網路互相連線起來要使用一些中間裝置（或中間系統），ISO的術語稱之為中繼（relay）系統。根據中繼系統所在的層次，可以有以下五種中繼系統：

• 物理層（即常說的第一層、層L1）中繼系統，即轉發器（repeater）。
• 資料鏈路層（即第二層，層L2），即網橋或橋接器（bridge）。
• 網路層（第三層，層L3）中繼系統，即路由器（router）。
• 網橋和路由器的混合物橋路器（brouter）兼有網橋和路由器的功能。
• 在網路層以上的中繼系統，即閘道器（gateway）.

當中繼系統是轉發器時，一般不稱之為網路互聯，因為這僅僅是把一個網路擴大了，而這仍然是一個網路。高層閘道器由於比較複雜，目前使用得較少。因此一般討論網路互連時都是指用交換機和路由器進行互聯的網路。本文主要闡述交換機和路由器及其區別。

2 交換機和路由器

“交換”是今天網路裡出現頻率最高的一個詞，從橋接到路由到ATM直至電話系統，無論何種場合都可將其套用，搞不清到底什麼才是真正的交換。其實交換一詞最早出現於電話系統，特指實現兩個不同電話機之間話音訊號的交換，完成該工作的裝置就是電話交換機。所以從本意上來講，交換隻是一種技術概念，即完成訊號由裝置入口到出口的轉發。

我們經常說到的乙太網交換機實際是一個基於網橋技術的多埠第二層網路裝置，它為資料幀從一個埠到另一個任意埠的轉發提供了低時延、低開銷的通路。

由此可見，交換機內部核心處應該有一個交換矩陣，為任意兩埠間的通訊提供通路，或是一個快速交換匯流排，以使由任意埠接收的資料幀從其他埠送出。在實際裝置中，交換矩陣的功能往往由專門的晶片（ASIC）完成。另外，乙太網交換機在設計思想上有一個重要的假設，即交換核心的速度非常之快，以致通常的大流量資料不會使其產生擁塞，換句話說，交換的能力相對於所傳資訊量而無窮大（與此相反，ATM交換機在設計上的思路是，認為交換的能力相對所傳資訊量而言有限）。

雖然乙太網第二層交換機是基於多埠網橋發展而來，但畢竟交換有其更豐富的特性，使之不但是獲得更多頻寬的最好途徑，而且還使網路更易管理。

而路由器是OSI協議模型的網路層中的分組交換裝置（或網路層中繼裝置），路由器的基本功能是把資料（IP報文）傳送到正確的網路，包括：

1. IP資料報的轉發，包括資料報的尋徑和傳送；
2. 子網隔離，抑制廣播風暴；
3. 維護路由表，並與其他路由器交換路由資訊，這是IP報文轉發的基礎。
4. IP資料報的差錯處理及簡單的擁塞控制；
5. 實現對IP資料報的過濾和記帳。

路由器---所謂路由就是指通過相互連線的網路把資訊從源地點移動到目標地點的活動。一般來說，在路由過程中，資訊至少會經過一個或多箇中間節點。通常，人們會把路由和交換進行對比，這主要是因為在普通使用者看來兩者所實現的功能是完全一樣的。其實，路由和交換之間的主要區別就是交換髮生在OSI參考模型的第二層（資料鏈路層），而路由發生在第三層，即網路層。這一區別決定了路由和交換在移動資訊的過程中需要使用不同的控制資訊，所以兩者實現各自功能的方式是不同的。

交換機---交換（switching）是按照通訊兩端傳輸資訊的需要，用人工或裝置自動完成的方法，把要傳輸的資訊送到符合要求的相應路由上的技術統稱。廣義的交換機（switch）就是一種在通訊系統中完成資訊交換功能的裝置。

在計算機網路系統中，交換概念的提出是對於共享工作模式的改進。我們以前介紹過的HUB集線器就是一種共享裝置，HUB本身不能識別目的地址，當同一區域網內的A主機給B主機傳輸資料時，資料包在以HUB為架構的網路上是以廣播方式傳輸的，由每一臺終端通過驗證資料包頭的地址資訊來確定是否接收。也就是說，在這種工作方式下，同一時刻網路上只能傳輸一組資料幀的通訊，如果發生碰撞還得重試。這種方式就是共享網路頻寬。

交換機擁有一條很高頻寬的背部匯流排和內部交換矩陣。交換機的所有的埠都掛接在這條背部總線上，控制電路收到資料包以後，處理埠會查詢記憶體中的地址對照表以確定目的MAC（網絡卡的硬體地址）的NIC（網絡卡）掛接在哪個埠上，通過內部交換矩陣迅速將資料包傳送到目的埠，目的MAC若不存在才廣播到所有的埠，接收埠迴應後交換機會“學習”新的地址，並把它新增入內部MAC地址表中。

使用交換機也可以把網路“分段”，通過對照MAC地址表，交換機只允許必要的網路流量通過交換機。通過交換機的過濾和轉發，可以有效的隔離廣播風暴，減少誤包和錯包的出現，避免共享衝突。

交換機在同一時刻可進行多個埠對之間的資料傳輸。每一埠都可視為獨立的網段，連線在其上的網路裝置獨自享有全部的頻寬，無須同其他裝置競爭使用。當節點A向節點D傳送資料時，節點B可同時向節點C傳送資料，而且這兩個傳輸都享有網路的全部頻寬，都有著自己的虛擬連線。假使這裡使用的是10Mbps的乙太網交換機，那麼該交換機這時的總流通量就等於2×10Mbps＝20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB時，一個HUB的總流通量也不會超出10Mbps。

總之，交換機是一種基於MAC地址識別，能完成封裝轉發資料包功能的網路裝置。交換機可以“學習”MAC地址，並把其存放在內部地址表中，通過在資料幀的始發者和目標接收者之間建立臨時的交換路徑，使資料幀直接由源地址到達目的地址

說明二層交換機、三層交換機和路由器的基本工作原理和三者之間的主要區別。

解答：1.二層交換技術

二層交換機是資料鏈路層的裝置，它能夠讀取資料包中的MAC地址資訊並根據MAC地址來進行交換。

交換機內部有一個地址表，這個地址表標明瞭MAC地址和交換機埠的對應關係。當交換機從某個埠收到一個數據包，它首先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機器是連在哪個埠上的，它再去讀取包頭中的目的MAC地址，並在地址表中查詢相應的埠，如果表中有與這目的MAC地址對應的埠，則把資料包直接複製到這埠上，如果在表中找不到相應的埠則把資料包廣播到所有埠上，當目的機器對源機器迴應時，交換機又可以學習一目的MAC地址與哪個埠對應，在下次傳送資料時就不再需要對所有埠進行廣播了。

二層交換機就是這樣建立和維護它自己的地址表。由於二層交換機一般具有很寬的交換匯流排頻寬，所以可以同時為很多埠進行資料交換。如果二層交換機有N個埠，每個埠的頻寬是M，而它的交換機匯流排頻寬超過N×M，那麼這交換機就可以實現線速交換。二層交換機對廣播包是不做限制的，把廣播包複製到所有埠上。

二層交換機一般都含有專門用於處理資料包轉發的ASIC （Application specific Integrated Circuit）晶片，因此轉發速度可以做到非常快。

2.路由技術

路由器是在OSI七層網路模型中的第三層——網路層操作的。

路由器內部有一個路由表，這表標明瞭如果要去某個地方，下一步應該往哪走。路由器從某個埠收到一個數據包，它首先把鏈路層的包頭去掉（拆包），讀取目的IP地址，然後查詢路由表，若能確定下一步往哪送，則再加上鍊路層的包頭（打包），把該資料包轉發出去；如果不能確定下一步的地址，則向源地址返回一個資訊，並把這個資料包丟掉。

路由技術和二層交換看起來有點相似，其實路由和交換之間的主要區別就是交換髮生在OSI參考模型的第二層（資料鏈路層），而路由發生在第三層。這一區別決定了路由和交換在傳送資料的過程中需要使用不同的控制資訊，所以兩者實現各自功能的方式是不同的。

路由技術其實是由兩項最基本的活動組成，即決定最優路徑和傳輸資料包。其中，資料包的傳輸相對較為簡單和直接，而路由的確定則更加複雜一些。路由演算法在路由表中寫入各種不同的資訊，路由器會根據資料包所要到達的目的地選擇最佳路徑把資料包傳送到可以到達該目的地的下一臺路由器處。當下一臺路由器接收到該資料包時，也會檢視其目標地址，並使用合適的路徑繼續傳送給後面的路由器。依次類推，直到資料包到達最終目的地。

路由器之間可以進行相互通訊，而且可以通過傳送不同型別的資訊維護各自的路由表。路由更新資訊主是這樣一種資訊，一般是由部分或全部路由表組成。通過分析其它路由器發出的路由更新資訊，路由器可以掌握整個網路的拓撲結構。鏈路狀態廣播是另外一種在路由器之間傳遞的資訊，它可以把資訊傳送方的鏈路狀態及進的通知給其它路由器。

3.三層交換技術

一個具有第三層交換功能的裝置是一個帶有第三層路由功能的第二層交換機，但它是二者的有機結合，並不是簡單的把路由器裝置的硬體及軟體簡單地疊加在區域網交換機上。

從硬體上看，第二層交換機的介面模組都是通過高速背板/匯流排（速率可高達幾十Gbit/s）交換資料的，在第三層交換機中，與路由器有關的第三層路由硬體模組也插接在高速背板/總線上，這種方式使得路由模組可以與需要路由的其他模組間高速的交換資料，從而突破了傳統的外接路由器介面速率的限制。在軟體方面，第三層交換機也有重大的舉措，它將傳統的基於軟體的路由器軟體進行了界定。

其做法是：

對於資料包的轉發：如IP/IPX包的轉發，這些規律的過程通過硬體得以高速實現。

對於第三層路由軟體：如路由資訊的更新、路由表維護、路由計算、路由的確定等功能，用優化、高效的軟體實現。

假設兩個使用IP協議的機器通過第三層交換機進行通訊的過程，機器A在開始傳送時，已知目的IP地址，但尚不知道在區域網上傳送所需要的MAC地址。要採用地址解析（ARP）來確定目的MAC地址。機器A把自己的IP地址與目的IP地址比較，從其軟體中配置的子網掩碼提取出網路地址來確定目的機器是否與自己在同一子網內。若目的機器B與機器A在同一子網內，A廣播一個ARP請求，B返回其MAC地址，A得到目的機器B的MAC地址後將這一地址快取起來，並用此MAC地址封包轉發資料，第二層交換模組查詢MAC地址表確定將資料包發向目的埠。若兩個機器不在同一子網內，如傳送機器A要與目的機器C通訊，傳送機器A要向“預設閘道器”發出ARP包，而“預設閘道器”的IP地址已經在系統軟體中設定。這個IP地址實際上對應第三層交換機的第三層交換模組。所以當傳送機器A對“預設閘道器”的IP地址廣播出一個ARP請求時，若第三層交換模組在以往的通訊過程中已得到目的機器C的MAC地址，則向傳送機器A回覆C的MAC地址；否則第三層交換模組根據路由資訊向目的機器廣播一個ARP請求，目的機器C得到此ARP請示後向第三層交換模組回覆其MAC地址，第三層交換模組儲存此地址並回復給傳送機器A。以後，當再進行A與C之間資料包轉發進，將用最終的目的機器的MAC地址封裝，資料轉發過程全部交給第二層交換處理，資訊得以高速交換。既所謂的一次選路，多次交換。

第三層交換具有以下突出特點：

有機的硬體結合使得資料交換加速；

優化的路由軟體使 得路由過程效率提高；

除了必要的路由決定過程外，大部分資料轉發過程由第二層交換處理；

多個子網互連時只是與第三層交換模組的邏輯連線，不象傳統的外接路由器那樣需增加埠，保護了使用者的投資。

1、交換機的定義

　　區域網交換機擁有許多埠，每個埠有自己的專用頻寬，並且可以連線不同的網段。交換機各個埠之間的通訊是同時的、並行的，這就大大提高了資訊吞吐量。為了進一步提高效能，每個埠還可以只連線一個裝置。

　　為了實現交換機之間的互連或與高檔伺服器的連線，區域網交換機一般擁有一個或幾個高速埠，如100MB乙太網埠、FDDI埠或155MB ATM埠，從而保證整個網路的傳輸效能。

2、交換機的特性

　　通過集線器共享區域網的使用者不僅是共享頻寬，而且是競爭頻寬。可能由於個別使用者需要更多的頻寬而導致其他使用者的可用頻寬相對減少，甚至被迫等待，因而也就耽誤了通訊和資訊處理。利用交換機的網路微分段技術，可以將一個大型的共享式區域網的使用者分成許多獨立的網段，減少競爭頻寬的使用者數量，增加每個使用者的可用頻寬，從而緩解共享網路的擁擠狀況。由於交換機可以將資訊迅速而直接地送到目的地能大大提高速度和頻寬，能 保護使用者以前在介質方面的投資，並提供良好的可擴充套件性，因此交換機不但是網橋的理想替代物，而且是集線器的理想替代物。

　　與網橋和集線器相比，交換機從下面幾方面改進了效能：

　　（1）通過支援並行通訊，提高了交換機的資訊吞吐量。

　　（2）將傳統的一個大區域網上的使用者分成若干工作組，每個埠連線一臺裝置 或連線一個工作組，有效地解決擁擠現像。這種方法人們稱之為網路微分 段（Micro一segmentation）技術。

　　（3）虛擬網（VirtuaI LAN）技術的出現，給交換機的使用和管理帶來了更大 的靈活性。我們將在後面專門介紹虛擬網。

　　（4）埠密度可以與集線器相媲美,一般的網路系統都是有一個或幾個伺服器，而絕大部分都是普通的客戶機。客戶機都需要訪問伺服器，這樣就導致伺服器的通訊和事務處理能力成為整個網路效能好壞的關鍵。

　　交換機就主要從提高連線伺服器的埠的速率以及相應的幀緩衝區的大小，來提高整個網路的效能，從而滿足使用者的要求。一些高檔的交換機還採用全雙工技術進一步提高階口的頻寬。以前的網路裝置基本上都是採用半雙工的工作方式，即當一臺主機發送資料包的時候， 它就不能接收資料包，當接收資料包的時候，就不能傳送資料包。由於採用全雙工技術，即主機在傳送資料包的同時，還可以接收資料包，普通的10M埠就可以變成20M埠，普通的100M埠就可以變成200M 埠，這樣就進一步提高了資訊吞吐量。

3、交換機的工作原理

　　傳統的交換機本質上是具有流量控制能力的多埠網橋，即傳統的（二層） 交換機。把路由技術引入交換機，可以完成網路層路由選擇，故稱為三層交換，這是交換機的新進展。交換機（二層交換）的工作原理交換機和網橋一樣，是工作在鏈路層的聯網裝置，它的各個埠都具有橋接功能，每個埠可以連線一個LAN或一臺高效能網站或伺服器，能夠通過自學習來了解每個埠的裝置連線情況。所有埠由專用處理器進行控制，並經過控制管理匯流排轉發資訊。

　　同時可以用專門的網管軟體進行集中管理。 除此之外，交換機為了提高資料交換的速度和效率，一般支援多種方式。

（1）儲存轉發：

　　所有常規網橋都使用這種方法。它們在將資料幀發柱其他埠之前，要把收到的幀完全儲存在內部的儲存器中，對其檢驗後再發往其他埠，這樣其延時等於接收一個完整的資料幀的時間及處理時間的總和。如果級聯很長時，會導致嚴重的效能問題，但這種方法可以過濾掉錯誤的資料幀。

（2）切入法：

　　這種方法只檢驗資料幀的目標地址，這使得資料幀幾乎馬上就 可以傳出去，從而大大降低延時。

　　其缺點是：錯誤幀也會被傳出去。錯誤幀的概率較小的情況下，可以採用切入法以提高傳輸速度。而錯誤幀的概率較大的情況下，可以採用儲存轉發法／以減少錯誤幀的重傳。

4、交換機的配置

　　我們下面以Cisco公司的Catlystl900交換機為例，介紹交換機的一般配置過程。

　　對一臺新的Catlystl900交換機，使用它的預設配置就可以工作了。這因為它是一種將軟體裝在FlashMemory中的硬體裝置，當加電時，它首先要進行一系列自檢，對所有埠進行測試之後，交換機就處於工作狀態。這時它的交換表是空的，它可以通過自學習來了解各個埠的裝置連線情況，並將裝置的 MAC地址記錄在交換表中，當有資訊交換時，交換機就根據交換表來進行資料轉發。

　　但為了便於對它進行網路管理，Catlystl900交換機自己有一個MAC地址，這樣就可以為它分配一個IP地址和遮蔽碼。網路管理員須通過交換機的串列埠接一臺終端或模擬終端，才能為它指定一個IP地址，其預設值是0．0．0．0。指定IP地址以後，網路管理員就可以通過網路進行遠端管理了。Catlystl900交換機的配置介面是選單形式，預設配置下，它的所有埠都屬於同一個VLAN，很多情況下都不需要作什麼修改。

（1）將微機串列埠通過RS一232電纜與Cata1yst1900的Console口連線，執行模擬終端軟體，Catalyst 1900 啟動後。

（2）回車後，進入主選單。

（3）按“S”鍵，進入系統配置選單：（配置系統名，位置，日期）。

（4）在主選單中按“N”鍵進入網路管理選單。

（5）配置IP地置。

（6）配置SNMP引數。

5、交換機的種類

　　交換機是資料鏈路層裝置，它可將多個物理LAN網段連線到一個大型網路上，與網路類似交換機傳輸和溢位也是基於MAC地址的傳輸。由於交換機是用硬體實現的，因此，傳輸速度很快。傳輸資料包時，交換機要麼使用儲存---轉發交換方式，要麼使用斷---通交換方式。目前有許多型別的交換機，其中包括ATM交換機，LAN交換機和不同型別的WAN交換機。

ATM交換機

　　ATM（Asynchronous Transfer Mode）交換機為工作組，企業網路中樞以及其它眾多領域提供了高速交換資訊和可伸縮頻寬的能力。ATM交換機支援語音，視訊和文字資料應用，並可用來交換固定長度的資訊單位（有時也稱元素）。企業網路是通過ATM中樞鏈路連線多個LAN組成的。

區域網交換機

　　LAN交換機用於多LAN網段的相互連線，它在網路裝置之間進行專用的無衝突的通訊，同時支援多個裝置間的對話。LAN交換機主要是用於高速交換資料幀。通過LAN交換機將一個0Mbps乙太網與一個100Mbps 乙太網互聯。

路由器工作原理

路由器工作原理

傳統地，路由器工作於OSI七層協議中的第三層，其主要任務是接收來自一個網路介面的資料包，根據其中所含的目的地址，決定轉發到下一個目的地址。因此，路由器首先得在轉發路由表中查詢它的目的地址，若找到了目的地址，就在資料包的幀格前新增下一個MAC地址，同時IP資料包頭的TTL（Time To Live）域也開始減數，並重新計算校驗和。當資料包被送到輸出埠時，它需要按順序等待，以便被傳送到輸出鏈路上。

路由器在工作時能夠按照某種路由通訊協議查詢裝置中的路由表。如果到某一特定節點有一條以上的路徑，則基本預先確定的路由準則是選擇最優（或最經濟）的傳輸路徑。由於各種網路段和其相互連線情況可能會因環境變化而變化，因此路由情況的資訊一般也按所使用的路由資訊協議的規定而定時更新。

網路中，每個路由器的基本功能都是按照一定的規則來動態地更新它所保持的路由表，以便保持路由資訊的有效性。為了便於在網路間傳送報文，路由器總是先按照預定的規則把較大的資料分解成適當大小的資料包，再將這些資料包分別通過相同或不同路徑傳送出去。當這些資料包按先後秩序到達目的地後，再把分解的資料包按照一定順序包裝成原有的報文形式。路由器的分層定址功能是路由器的重要功能之一，該功能可以幫助具有很多節點站的網路來儲存定址資訊，同時還能在網路間截獲傳送到遠地網段的報文，起轉發作用；選擇最合理的路由，引導通訊也是路由器基本功能；多協議路由器還可以連線使用不同通訊協議的網路段，成為不同通訊協議網路段之間的通訊平臺。

一般來說，路由器的主要工作是對資料包進行儲存轉發，具體過程如下：

第一步：當資料包到達路由器，根據網路物理介面的型別，路由器呼叫相應的鏈路層功能模組，以解釋處理此資料包的鏈路層協議報頭。這一步處理比較簡單，主要是對資料的完整性進行驗證，如CRC校驗、幀長度檢查等。

第二步：在鏈路層完成對資料幀的完整性驗證後，路由器開始處理此資料幀的IP層。這一過程是路由器功能的核心。根據資料幀中IP包頭的目的IP地址，路由器在路由表中查詢下一跳的IP地址；同時，IP資料包頭的TTL（Time To Live）域開始減數，並重新計算校驗和（Checksum）。

第三步：根據路由表中所查到的下一跳IP地址，將IP資料包送往相應的輸出鏈路層，被封裝上相應的鏈路層包頭，最後經輸出網路物理介面傳送出去。

簡單地說，路由器的主要工作就是為經過路由器的每個資料包尋找一條最佳傳輸路徑，並將該資料包有效地傳送到目的站點。由此可見，選擇最佳路徑策略或叫選擇最佳路由演算法是路由器的關鍵所在。為了完成這項工作，在路由器中儲存著各種傳輸路徑的相關資料——路由表（Routing Table），供路由選擇時使用。上述過程描述了路由器的主要而且關鍵的工作過程，但沒有說明其它附加效能，例如訪問控制、網路地址轉換、排隊優先順序等。