网络互联设备(集线器、交换机、路由器)

简介: 网络互连设备用于将网络的各个部件连接到一起,从连接性质的不同可分为两种:物理上的互连能力:指所支持的物理接口,能连接的物理介质类型协议上的互连能力:指工作在不同协议类型的网络之间,实现不同协议数据包的转换。

网络互连设备用于将网络的各个部件连接到一起,从连接性质的不同可分为两种:


  • 物理上的互连能力:指所支持的物理接口,能连接的物理介质类型
  • 协议上的互连能力:指工作在不同协议类型的网络之间,实现不同协议数据包的转换。


通常对设备互连能力考虑得较多的都是协议上的互连能力


常用的互联设备有如下几种:


  • 中继器和集线器
  • 网桥和交换机
  • 路由器和网关


一、中继器和集线器

网卡上有网口,要使得两台主机主键可以通信,可以使用网线将网卡直连。然而两台可以直连,那么有多台主机相互通信呢?

为每台主机设计N个网口肯定是不现实的,那么可以选择设计一个设备具备多个网口,所有的主机只要连接在个设备的网口上就可以相互通信,这就是集线器。

当然集线器还有一个作用就是将收到的信号再生放大


中继器(Repeater)的主要功能是对接收到的信号进行再生放大,以延伸网络的传输距离,提供物理层的互连。


集线器(Hub)在OSI体系结构模型中处于物理层,用于共享式以太网络的组建


  • 其实质是一个多端口的中继器,LAN的接入层设备
  • 所有主机属于同一个冲突域,共享总线带宽
  • 依据总线带宽分为:10M、100M和10/100M自适应等
  • 端口数目:8口、16口和24口等


我们可以理解为集线器内部只有一条通道(即公共通道),然后在公共通道下方就连接着所有端口。集线器最大的特点就是采用共享型模式,就是指在有一个端口在向另一个端口发送数据时,其他端口就处于“等待”状态。


二、网桥和交换机

网桥(Bridge)工作在OSI模型的数据链路层,连接两个局域网,在各种传输介质中转发数据信号,扩展网络的距离,有效地限制两个介质系统中无关紧要的通信,选择性地转发数据帧,减少不必要的网络流量


交换机(Switch)可以看成一个多端口网桥,按每一个包中的MAC地址相对简单地决策信息转发 ,转发延迟小,将网络分成小的冲突网域,为每个工作站提供更高的带宽


集线器虽然可以提供多个网口和扩大传输距离,但是由于工作在物理层,它并不能分辨具体信息发给谁(没有记忆功能),只能广播出去。由于处于同一网络,当一台主机发消息时,其他主机不能发送消息,否则信息间会产生碰撞,碰撞后,数据都会粉碎,造成数据丢失

我们使用Hub连接局域网的时候,如果局域网内的主机高达上千台,那么会变得冲突域就会很大,很容易造成网络的堵塞。而交换机的作用就是来阻断这个大的冲突域,将其划分为各个小的冲突域。这样就能优化网络性能了。


网桥和交换机的工作原理相同,都是根据MAC地址(记忆了每个MAC地址在哪个端口)转发数据帧。


  • 网桥的数据帧转发一般是基于软件来实现的,而交换机是基于硬件(交换机的转发速度比网桥快很多,现在中高端交换机都能够达到线速转发)。


由于交换机对多数端口的数据进行同时交换,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,那么这交换机就可以实现线速交换;


  • 交换机通过生成树协议可以适应复杂的网络环境,而网桥只能用于简单的网络环境。
  • VLAN技术和三层交换技术的出现使得交换机的功能远远超过网桥。


交换机每个端口都是一个独立的冲突域,交换机的主要功能包括快速转发、主机接入、错误校验、帧序列以及流量控制,可能还会具备一些新功能如VLAN、链路汇聚的支持、远程管理等。


交换机所有端口都在同一个广播域中,交换机端口提供的100/1000M等带宽不是和其他端口共享的,而是独享的。



1)交换机的三种转发方式

  • 存储转发模式(最慢):交换机接收完整数据帧,在CRC校验通过后才进行转发操作,如果校验失败则丢弃。保证了数据帧的无差错传输,但是增加了传输延迟。
  • 快速转发模式/直通模式:接收数据帧时,一旦检测到目的地址就立即转发。由于数据帧在进行转发处理时并不是一个完整的帧,因此不经过校验直接转发,会造成错误的帧也被转发,浪费网络带宽。
  • 碎片丢弃转发模式:机接收数据帧时,一旦检测到该数据帧不是冲突碎片就进行转发操作。冲突碎片是因网络冲突而受损的数据帧碎片,其特征是长度小于64字节。冲突碎片并不是有效的数据帧,应该被丢弃。因此,交换机的碎片丢弃转发模式实际上就是一旦数据帧已接收的部分超过64字节,就开始转发处理


2)交换机的分类

  • 根据端口结构


  • 固定端口:端口固化在交换机上
  • 模块化端口:便于端口替换、升级
  • 线路卡结构:具有独立的处理器、内存等
  • 根据管理功能


  • 不可管理
  • 可管理
  • 根据是否具备VLAN功能


  • 不支持VLAN
  • 支持VLAN


网段是指一个计算机网络中使用同一物理层直接通讯的那一部分。

通常使用同一物理层的设备之间必然通过相同的传输介质直接相互连接(如交叉双绞线直接连接的两台主机);但是两组其传输介质并非直接相连的网络设备,如果它们的传输介质通过工作在物理层的扩展设备如中继器和集线器等转接连接,则仍然被视为同一物理层中的设备,是一个而非两个网段。另外,工作在数据链路层或更高层的设备如网桥、交换机、路由器等等,由它们连接起来的两组设备仍然分别处于各自独立的物理层,因此是两个网段。

在以太网环境中,一个网段其实也就是一个冲突域(碰撞域)。同一网段中的设备共享(包括通过集线器等设备中转连接)同一物理总线,在这一总线上执行CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)机制。不同网段间不共享同一物理层,因此不会跨网段发生冲突(碰撞)。

现代高速以太网通常使用交换机代替集线器,交换机是工作在数据链路层的设备,由它转接的两组设备不在同一网段中。事实上,交换机为连在其上的每一个独立设备各自划分出一个独立的网段,每个网段只包含两个设备——交换机本身,和这个独立设备。这样,交换机就能隔离冲突,提高网络的利用率和总体性能。

子网是一个网络层概念(由路由设备划分的,或者由掩码划分的)。例如IP为 192.168.0.1 ~ 192.168.0.254 的设备就位于掩码 255.255.255.0 的同一子网中。


3)交换机互连方式

  • 级联:交换机之间利用以太网接口连接起来,扩展网络范围,单链路带宽瓶颈


  • 级联通常是用普通网线把几个交换机连接起来,使用普通的端口或级联接口(如果有级联接口Uplink则用直连线实现连接,没有则用交叉线将交换机的以太网端口连接,有级联端口建议用级联端口,带宽一般比RJ-45高,现在级联端口和普通端口的区别正在消失,并且普遍采用自适应端口识别技术,无论用交叉线还是直连线都可以实现通讯)。
  • 级联是上下级的关系,有较大的延时
  • 堆叠:通过堆叠线缆将交换机的背板连接起来,将它们作为一个交换机使用和治理,扩大级联带宽,解决带宽瓶颈
  • 堆叠是把所有堆叠的交换机的背板带宽共享
  • 堆叠是同级关系,每台交换机的性能是一样的

区别:


  • 级联交换机之间的距离只要在连接介质的允许范围内即可,而堆叠则希望越近越好(距离越大,性能越差)
  • 级联采用普通数据端口连接,而堆叠一般采用专用的堆叠模块和堆叠电缆
  • 级联对于设备的厂商以及型号没有具体要求,而堆叠必须在可堆叠的同类型交换机之间进行
  • 级联仅仅增加了端口密度,堆叠则共享交换机背板带宽,提升了性能
  • 堆叠后的数台交换机在逻辑上是一个被网管的设备,只需赋予其1个IP地址,即可通过该IP地址对对所有交换机进行统一的配置与管理。而相互级联的交换机在逻辑上是各自独立的,必须依次对其进行配置和管理每台交换机。
  • 多台交换机级联时会产生级联瓶颈,并将导致较大的转发延迟。例如,4台百兆位交换机通过跳线级联时,彼此之间的连接带宽也是100Mbps。当连接至不同交换机上的计算机之间通信时,也只能通过这条百兆位连接,从而成为传输的瓶颈。同是,随着转发次数的增加,网络延迟也将变得很大。而4台交换机通过堆叠连接在一起时,由于叠堆中所有的计算机都连接至同一高速背板模块,位于不同交换机端口的计算机之间的通信不再需要层层转发,减少了交换机之间的转发延迟,避免了端口冲突,所有端口的计算机间均可以线速进行交换,提高了不同交换机间计算机的通讯速率。尽管级联时交换机之间可以借助链路汇聚技术来增加带宽,但是,这是以牺牲可用端口为代价的。
  • 交换机可以通过级联成倍地扩展网络覆盖范围。例如,以双绞线网络为例,一台交换机所覆盖的网络直径为100m,2台交换机级联所覆盖的网络直径就是300m,而3台交换机级联时的直径就可达400m。而堆叠线缆通常只有0.5~1m,仅仅能够满足交换机之间互联的需要,不会对网络覆盖范围产生影响。


城域网是交换机级联的极好例子。目前各地电信部门已经建成了许多市地级的宽带IP城域网。这些宽带城域网自上向下一般分为3个层次:核心层、汇聚层、接入层。核心层一般采用千兆以太网技术,汇聚层采用1000M/100M以太网技术,接入层采用100M/10M以太网技术,所谓"千兆到大楼,百兆到楼层,十兆到桌面".

这种结构的宽带城域网实际上就是由各层次的许多台交换机级联而成的。核心交换机(或路由器)下连若干台汇聚交换机,汇聚交换机下联若干台小区中心交换机,小区中心交换机下连若干台楼宇交换机,楼宇交换机下连若干台楼层(或单元)交换机(或集线器)。


菊花链式堆叠:



有两个接口,上一台交换机的up连下一台交换机的down


  • 采用高速端口和软件来实现,使用堆叠电缆将几台交换机以环路的方式组建成一个堆叠组
  • 菊花链模式是简化的级联模式,提供集中管理的扩展接口,对于多交换机之间的转发效率并没有提升
  • 最后一根从上到下的堆叠电缆只是冗余备份作用,从第一个交换机到最后一个交换机数据包还是要经经历中间所有交换机,效率低


菊花链模型中的数据传输可能需要经过多个交换机才能到达目标,这就需要进行多次转发。这是由菊花链模型的物理布局决定的:每个交换机都通过堆叠接口与其相邻的两个交换机相连,形成一个链式或环状结构。因此,对于一些数据包,它们可能需要在链上经过多个"跳"才能到达目标。

但值得注意的是,在堆叠技术中,多个交换机是作为一个逻辑单位来操作的,它们共享一个MAC地址表。这意味着,尽管数据可能需要在物理上经过多个交换机,但从逻辑上看,它们只经过了一个"跳"。这种设计大大简化了网络的管理,并提高了数据转发的效率。

另外,如果堆叠链中的某个链路出现故障,由于堆叠链的环形结构,数据还可以通过其他路径到达目标,增加了网络的冗余性和可靠性。


星型堆叠:



  • 星型堆叠技术使所有的堆叠组成员交换机到达堆叠中心的级数缩小到一级
  • 星型堆叠对于主控堆叠交换机软硬件要求非常高,通常主交换机的背板一般在10~32G之间,一般的堆叠电缆带宽都在2G~2.5G之间。
  • 星型堆叠模式克服了菊花链式堆叠模式多层次转发时的时延影响。成本较高,且整个堆叠组的核心将集中在主交换机上,冗余性不够,可靠性会有所不足


三、路由及路由器

在路由过程中,信息至少会经过一个或多个中间节点,也会出现若干条可选的路径,选择效率最高的可用路径就是路由器的基本任务


路由器的每个端口都是一个独立的冲突域和广播域


1)路由器的作用

  • 实现不同IP网段主机间的相互访问
  • 实现不同通信协议网段主机间的相互访问(连接不同类型的网络)
  • 不转发广播数据包


路由器的功能:

  • 基于IP地址的寻径和转发
  • 不同通信协议的转换
  • 特定IP数据包的分片和重组


2)路由器的逻辑结构

路由器主要由下面五个部分组成:路由引擎,转发引擎,路由表,网络适配器和路由器端口等。



路由表通常由网络地址、子网掩码、网关、跳数(到目的网络要经过的路由器的数目)、连接方式(只有两种,与路由器端口直接相连的网络称为直连,不与该路由器直接相连的网络都称为远程连接)构成


2)路由器的逻辑结构

  • 中央处理器(CPU):一台路由器可以有多个CPU
  • 随机存取存储器(RAM):主要存储路由表、ARP缓存、快速交换表、包队列、正在运行的配置文件等,关机后被清除
  • 主板:集成电路板,连接各部件
  • 只读存储器(ROM):主要用于系统初始化等功能,如系统加电自检代码(POST),系统引导区代码(BootStrap),备份的操作系统等
  • 闪存(FLASH):存放着当前使用的路由器操作系统,可读可写,关机后仍能保存数据
  • 非易失RAM(NVRAM):存储配置信息,可读可写,关机后仍能保存数据
  • 接口(interface)


  • 固化接口:不可更换拆卸
  • 模块化接口:更具有实用性和扩展性,可根据需求配置和更换
  • 线路卡结构:具有独立的处理器、内存等,通过专门的插槽链接路由器背板
  • 配置接口:控制台口(Console)和辅助口(AUX)
  • 提供了一个EIA/TIA-232异步串行接口,用于在本地对路由器进行配置(首次配置必须通过控制台口进行)
  • 辅助口与控制台口类似,提供了一个EIA/TIA-232异步串行接口。通常用于连接Modem(调制解调器)以使用户或管理员对路由器进行远程管理。


Console接口可进行交换机/路由器的网络管理

其他方式的配置往往需要IP地址、域名或设备名称才可实现,而新购买的交换机显可能没有内置这些参数

Console端口是最常用、最基本的交换机管理和配置端口

大多数采用RJ-45端口,也有少数采用DB-9和DB25的串行口。无论哪种都需要专门的Console线(分为两端都是串行口的串行线以及两端都是RJ-45接口的扁平线(无法与计算机串口直接连接,需要RJ-45 to DB-9或RJ-45 to DB-25的适配器))连接至配置方计算机的串行口。




AUX接口是一个异步串行口,具有多种功能:


  • 远程拨号调试功能:可以连接调制解调器,用户可以通过拨号方式对设备进行远程调试
  • 拨号备份功能:当主线路断掉后,系统会自动启动AUX端口电话拨号,保持线路的连接。
  • 网络设备之间的线路连接:也可以实现两台路由器通过电话拨号方式的线路连接。
  • 本地调试口:直接连接AUX口,做本地调试


局域网接口:

  • RJ-45接口
  • AUI接口(连接单元接口):专门用于连接粗同轴电缆,基本不使用了,是一种D型15针接口
  • BNC接口:专门用于连接细同轴电缆,基本不使用了
  • SC/LC接口:
  • SC接口是常见的以太网光纤接口之一,根据传输速率可分为千兆以太网和万兆以太网接口。与RJ-45类似,但是更加扁平(RJ-45里面是8条细的铜触片、SC光纤接口里面是一根铜柱)
  • LC接口也是常见的以太网光纤接口,接口功能特性类似于SC接口。体积要比SC接口小,故同样面积的面板上所支持的数量更多


广域网接口:

  • RJ-45接口:最常见的以太网接口,因为在快速以太网和千兆以太网中也采用双绞线作为传输介质,一般在接口旁边会标注其支持的最大速率。RJ-45也可以建立广域网与局域网之间,以及与远程网络或Internet的链接

快速以太网是计算机网络中的以太网术语,它能提供100Mbps的传输速率(早前快速以太网的传输速率为10Mbps)。快速以太网标准包含100BASE-FX、100BASE-TX、100BASE-T4三个子分类。其中,“100”指100Mbit/s的传输速率;“ BASE”是指基带传输;破折号后面的字母指承载信号的传输介质,“T”代表着双绞线(铜缆),“F”代表着光纤;最后一位字符(字母“ X”, 数字“ 4”等)是指使用的行代码方法。下表展示了常见的快速以太网类型。

与快速以太网相比,千兆以太网在计算机网络中可提供1000Mbps的传输速率。



两者最大的区别是传输速率不同。事实上,在家用网络中千兆以太网正在逐步取代快速以太网,而且这两种类型的以太网已不再向早前那般流行,正在逐渐被更高速率的以太网所替代,如10G以太网、25G以太网。如今,企业在网络部署时都会首选10G或25G以太网,除此之外,40G以太网、100G以太网甚至更高速率的以太网(200G/400G以太网)正在大型数据中心和骨干网络中普及化。


  • AUI接口:也被用于与广域网的连接,但是这种接口类型在广域网应用得比较少
  • Serial口(高速同步串口):应用较多,主要用于连接DDN(数字数据网)、帧中继、X.25、PSTN(模拟电话线路)等网络连接模式,速率较高。通过这种端口所连接的网络的两端都要求实时同步。
  • Async(异步串口):主要是应用于Modem或Modem池的连接。并不要求网络的两端保持实时同步,只要求能连续即可,通信速率较低
  • POS口:一般有SC接口和LC接口两种物理接口,都是以光纤为传输介质。支持的传输速率从155Mb/s到100Gb/s不等。


接口命名规则:

一般接口的全名由它的类型标志和数字编号构成,命名规则为“接口类型/线路卡插槽序号/模块序号/接口序号”


4)路由器启动过程

系统硬件加电自检(POST)

软件初始化过程

寻找并载入操作系统文件

操作系统启动完毕后加载存放在NVRAM或Flash中的用户配置文件,将文件调入RAM中并逐条执行完成系统的配置



4)路由器启动过程

  1. 系统硬件加电自检(POST)
  2. 软件初始化过程
  3. 寻找并载入操作系统文件
  4. 操作系统启动完毕后加载存放在NVRAM或Flash中的用户配置文件,将文件调入RAM中并逐条执行完成系统的配置

路由器发展历程:

  1. 单总线单CPU结构路由器
  2. 单总线多CPU结构路由器:主从两个CPU
  3. 单总线对称式多CPU结构路由器:采用简单的并行处理技术,做到在每个接口处都有一个独立的CPU
  4. 多总线多CPU结构路由器:至少包括三类以上总线和三类以上CPU
  5. 共享内存式结构路由器:使用大量的高速RAM来存储输入数据,并实现可向输出端的转发
  6. 交叉开关/交换式体系结构路由器:新一代路由器普遍采用交换方法来充分利用公共通信链路设备,数据直接从输入端经交叉开关流向输出端


发展趋势:

  • 功能趋向使用硬件方式实现
  • 放弃使用共享总线,转而使用交换背板,即开始普遍采用交换式路由技术
  • 并行处理技术

背板是路由器输入端与输出端之间的物理通道。传统的路由器采用的是共享背板的结构,高性能路由器一般采用的是交换式结构。背板能力决定了路由器的吞吐量。

总线交换是最古老的一种数据交换方式,通过共享背板总线进行各线卡之间的数据传递,各线卡分时占用背板总线,共享总线不可避免内部冲突;结构和技术比较简单,但交换容量受背板总线带宽限制。

内存交换使用大量的高速RAM来存储输入数据,同时依赖中心交换引擎来提供全端口的高性能连接,由核心引擎检查每个输入包以决定路由。随着交换机端口的增加,由于需要内存容量更大,速度也更快,中央内存的价格变得很高。交换引擎会成为性能实现的瓶颈。

CrossBar(即CrossPoint)被称为交叉开关矩阵或纵横式交换矩阵。它能很好的弥补共享内存模式的一些不足。通过纵线式网络可以并行转发多个分组,这就可以克服总线带宽的限制。纵线式网络是非阻塞的,只要没有其他分组被转发到当前的输出端口,则当前的分组不会发生拥塞。更为复杂的互联网络也会使用多级交换,使得不同输入端口的分组可以并行、同时转发到输出端口。


四、三层交换机

三层交换机是带有第三层路由功能的二层交换机,具有部分路由器功能,主要目的是加快大、中型局域网内部的数据交换。加入路由功能也是为这个目的服务的。如果把大型网络按照部门,地域等等因素划分成一个个小局域网,这将导致大量的网际互访,单纯的使用二层交换机不能实现网际互访;


三层交换机一般都只支持各种速率的以太网接口,一般不支持广域网接口


优点:

  1. 有机的硬件结合使得数据交换加速。
  2. 优化的路由软件使得路由过程效率提高。
  3. 除了必要的路由选择过程外,大部分数据转发过程由第二层交换处理。


路由器与三层交换机的区别

路由器是三层设备,可是三层交换机却可以同时工作在三层和二层的。

1.主要功能不同:

  1. 路由器不仅具有路由功能,还提供了交换机端口、硬件防火墙附加功能,其目的是使设备适用面更广、使其更加实用。三层交换机主要功能仍是数据交换,只不过它是具备了一些基本的路由功能的交换机。
  2. 三层交换机同时具备了数据交换和路由转发两种功能,但其主要功能还是数据交换;而路由器仅具有路由转发这一种主要功能。

2.主要适用的环境不一样:

  1. 三层交换机的路由功能通常比较简单,因为它所面对的主要是简单的局域网连接。特性远没有路由器那么复杂。它用在局域网中的主要用途还是提供快速数据交换功能,满足局域网数据交换频繁的应用特点。
  2. 而路由器则不同,虽然也适用于局域网之间的连接,但它的路由功能更多的体现在不同类型网络之间的互联上,如局域网与广域网之间的连接、不同协议的网络之间的连接等,优势在于选择最佳路由、负荷分担、链路备份及和其他网络进行路由信息的交换等。另外,为了与各种类型的网络连接,路由器的接口类型非常丰富,而三层交换机则一般仅同类型的局域网接口,非常简单。


3.技术实现不一样:

  1. 路由器一般由基于网络处理器或多核的路由引擎执行数据包交换。
  2. 而三层交换机通过硬件执行数据包交换。三层交换机在对第一个数据包送控制面进行路由查找后,它将会产生一个供数据面查找的MAC地址与IP地址的映射表,当同样的数据流再次通过时,将根据此表查表通过而不是再次送控制面查路由(即“一次路由,多次交换”)。
  3. 三层交换机的路由查找是针对数据流的,它利用缓存技术,很容易利用ASIC技术来实现,因此,可以大大节约成本,并实现快速转发。
  4. 路由器的转发采用最长匹配的方式,实现复杂,一般采用价格高昂的网络处理器或多核处理器实现,并且路由表数目庞大,成本相当高。


五、路由器/交换机的配置方法

  • Console口:第一次安装使用时只能通过该方式,利用配置线将主机的COM口(串行端口)和路由器/交换机的console口相连
  • Telnet远程登录:在主机DOS命令行下输入:telnet ip address(路由器/交换机管理IP)
  • 通过TFTP
  • 通过Modem连接AUX口远程拨号
  • Web配置:在地址栏中输入路由器/交换机的管理IP可以进入交换机的web管理页面
  • 通过SNMP远程管理


路由器配置模式:

  • 用户模式:hostname>
  • 特权模式:hostname#
  • 全局模式(配置模式):hostname(config)#


从用户模式输入enable可进入特权模式,特权模式输入configure terminal可进入全局模式

从全局模式也可以进入其他几种常用的模式:


  • Hostname(config-if)# 接口配置
  • Hostname(config-subif)# 子接口配置
  • Hostname(config-line)# 虚拟终端配置
  • Hostname(config-router)# 路由协议配置
  • Hostname(config-route-map)# 策略路由配置
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