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详解路由与交换( 二 )

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交换
谈到交换的问题，从广义上讲，任何数据的转发都可以称作交换 。当然，现在我们指的是狭义上的交换，仅包括数据链路层的转发 。做网络的人理解交换大多是从交换机开始的，电路交换机在通信网中已经使用了几十年了，做帧交换的设备，尤其是以太网交换机的大规模使用则是近几年的事情 。
理解以太网交换机的作用还要从网桥的原理讲起 。传统以太网是共享型的，假如网段上有四台计算机A、B 、C和D，那么A与B通信的同时，C和D只能是被动的收听 。假如将缆段分开（即微化），A、B在一段上，C、D在另一段上，那么A和B通信的同时，C和D也可以通信，这样原有10M的带宽从理论上讲就变成20M了 。同时，为了确保这两个网段可以互相通信，需要用桥将它们连接起来，桥是有两块网卡的计算机 。
在整个网络刚刚启动时，桥对网络的拓朴一无所知 。这时，假设A发送数据给B，因为网络是广播式的，所以桥也收到了，但桥不知到B在自己的左边还是右边，它就进行缺省的转发，即在另外一块网卡上发送这个信息 。虽然做了一次无用的转发，但通过这个过程，桥学习到数据的发送者A在自己的左边 。当网络上的每一台计算机都发送过数据之后，桥就是智能的了，它了解每一台计算机在哪一个网段上 。当A再发送数据给B时，桥就不进行数据转发了，与此同时，C可以发送数据给D 。
从上面的例子可以看出，桥可以减少网络冲突发生的几率，这就是我们使用桥的主要目的，称作减小冲突域 。但桥并不能阻止广播，广播信息的隔绝要靠三层的连接设备，路由器 。
按照缆段微化的思想，缆段越多，可用带宽就越高 。极限情况是每一台计算机处在一个独立的缆段上，假如网络上有十台计算机，就需要一个十端口的桥将它们连接起来 。但实现这样一个桥不太现实，软件转发的速度也跟不上，于是有了交换机，交换机就是将上述多端口的桥硬件或固件化，以达到更低的成本和更高的性能 。
交换机的一个重要的功能是避免交换循环，这就涉及到了STP（Spanning Tree Protocol，分支树协议） 。分支树协议的功能是避免数据帧在交换机构成的网络中循环传送 。如下图所示，假如网络中有冗余链路的话，STP协议现选出根交换机（Route Bridge），然后确定每一台非根交换机到根交换机之间的路径，最后，将此路径上的所有链路置成转发（Forward）状态，其余的交换机之间的连接就是冗余链路，置为阻塞（Block）状态 。
交换机的另外一个重要功能是VLAN（Virtual LAN，虚拟局域网） 。VLAN的好处主要有三个：
端口的分隔 。即便在同一个交换机上，处于不同VLAN的端口也是不能通信的 。这样一个物理的交换机可以当作多个逻辑的交换机使用 。
网络的安全 。不同VLAN不能直接通信，杜绝了广播信息的不安全性 。
灵活的治理 。更改用户所属的网络不必换端口和联线，只该软件配置就可以了 。
VLAN可以按端口或MAC地址来划分 。
有时，我们需要在交换机所构成的网络上保持VLAN的配置的一致性 。这就需要交换机之间按照VTP（VLAN Trunk Protocol，VLAN骨干协议）交流VLAN信息 。VTP协议只在骨干端口（Trunk Port），即交换机之间的端口，上运行 。
路由器是网络间的连接设备，它重要工作之一是路径选择 。这个功能是路由器智能的核心，它是由治理员的配置和一系列的路由算法实现的 。
路由算法有动静之分，静态路由是一种非凡的路由，它是由治理员手工设定的 。手工配置所有的路由虽然可以使网络正常运转，但是也会带来一些局限性 。网络拓扑发生变化之后，静态路由不会自动改变，必须有网络治理员的介入 。缺省路由是静态路由的一种，也是由治理员设置的 。在没有找到目标网络的路由表项时，路由器将信息发送到缺省路由器（gateway of last resort） 。而动态的算法，顾名思义，是由路由器自动计算出的路由，常说的RIP、OSPF等等都是动态算法的典型代表 。

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