交換機、路由器的工作方式詳解

參考閱讀:
一篇文章帶你看清《OSPF網絡類型》的真面目
VLAN的產生及作用
網絡100問之交換技術(貳)

Switch、Route工作方式

1.1 二層交換機

1.1.1 作用

1、提供端口密度,用於更多結點的互聯(說白了,就是爲了擴大網絡; 集線器(HUB)也可以實現,但是集線器只是簡單的對電流進行放大,並沒有對波形的失真進行處理,所以就衍生出了交換機)

2、可以對電流信息進行識別在轉發(即對電流及進行了放大,還對波形進行了識別並恢復);所以理論上可以無限延長傳輸距離

3、隔離了衝突域(HUB上存在衝突域,從物理結構來說,就是所有的接口共用一條交換信道,而交換機的每個接口都有獨立的交換信道);實現了所有結點間可以同時進行數據的收發;產生廣播風暴(廣播域)

4、實現單播傳輸,即一對一傳輸(節約資源,保證數據私密)

衝突域:
HUB上存在的一種結構問題,同一時刻只有一個接口的下聯設備可以發送數據,那麼將產生衝突,協議方面的解決有CSMA/CD,帶衝突檢測的載波偵聽多路訪問技術,核心爲以下三點;或提高設備層級
1.發送前先偵聽
2.邊發送,變偵聽
3.檢測到衝突,立即停止發送

廣播域:
交換機的所有接口是一個廣播域(前提沒有配置VLAN,若配置了VLAN,那麼一個VLAN就是一個廣播域),大量的洪範包,即廣播包在一個廣播域內發送,造成交換機的高負荷,即廣播風暴;協議的解決有VLAN;;或提高設備層級
VLAN 虛擬局域網
1.控制廣播
2.安全
3.便於管理

Switch展示:
在這裏插入圖片描述在這裏插入圖片描述在這裏插入圖片描述在這裏插入圖片描述HUB展示:
在這裏插入圖片描述在這裏插入圖片描述

1.1.2 工作原理

自學習:數據幀進入交換機後,交換機先查看源MAC,將其與接收到的接口進行綁定

查詢MAC地址表(CAM表):查看數據幀中的目的MAC地址在CAM表中有無記錄,有->直接轉發;沒有->洪範(除收到數據幀的接口外,向同一VLAN的其餘接口發送廣播包 全F)

什麼是MAC地址表?
MAC地址表:CAM表
標準CAM  MAC + 接口編號 哈希運算
支持VLAN基礎的CAM MAC地址 + 接口編號 + VLAN ID 哈希運算

有哪些洪範情況?
1.廣播  目標MAC地址爲全F
2.組播 (可能洪範-無組播部署時)
3.未知的單播

爲什麼向同一VLAN洪範?
一個VLAN代表一個邏輯網段,即一個廣播域,即一個洪範範圍

什麼是哈希運算?哈希算法是加密算法嗎?
Hash算法就是散列函數,不是加密算法
常用 MD5  SHA-1 -128 -256 -512
特點:
1. 不等長輸入,等長輸出 (無論用多大的數據進行HASH,計算出來的都是等長的字符串)
2. 雪崩效應(源數據產生微小的變化,HASH運算後都會差異十分大)
3. 不可逆向運算(使用HASH運算後字符串不能逆向算出原始的數據)

加密算法有對稱加密、非對稱加密兩種
加密算法三大核心:
1. Key值
2. 可以解密
3. 加密後的內容比源數據大

總結:基於源MAC地址學習,基於目標MAC地址轉發,對於未知單播洪範

1.2 三層交換機

二層交換機和路由器的功能集合設備;

當一個數據包進入3層交換機後

1、先查看源mac地址,生成CAM

2、 再查看目標mac地址

a.廣播 洪泛 同時解封裝

b.組播 洪泛或者基於組轉發 若該設備處於該組同時解封

c.單播 目標mac爲本地,直接解封 目標mac爲其他設備基於cam錶轉發

3、解封裝後,查看目標ip地址;此時行爲將和路由器一致

1.3 路由器

概述:三層設備,存在邏輯地址(IP地址)

當數據包進入路由器時,路由器先查看數據包中的目標MAC地址;

1、廣播 解封裝到3層

2、組播 每一個組播地址均存在自己的MAC地址;基於目標MAC就可以判斷本地是否需要解封裝;若本地加入了該組將解包,否則直接丟棄

3、單播 目標MAC爲路由器接收到該流量的接口mac地址 --解封裝;目標MAC不是本地路由器的mac地址 --丟棄

二層解封裝完成後,查看3層報頭;默認路由器僅查看目標ip地址;

目標ip:

1、 廣播 解封裝

2、 組播 若路由器加入了該組,解封;若沒有加入,丟棄

3、 單播 目標ip地址爲路由器,繼續解封

​ 目標ip地址爲其他設備,路由器將查詢本地的路由表—TCAM

交換機的CAM表二進制表格,TCAM由1、0、x構成 x標識主機位

Route展示:
企業網路由器
在這裏插入圖片描述在這裏插入圖片描述家用路由器
在這裏插入圖片描述在這裏插入圖片描述家用路由器上網方式
1.電話線接入上網
2.光纖接入上網

在這裏插入圖片描述在這裏插入圖片描述

1.4 交換方式

數據交換機方式(路由方式)

1、原始包交換—先查詢本地的TCAM表,再查看本地的ARP表來確定目標或者下一跳的mac地址—前提網絡環境爲以太網

2、快速交換 – 一次路由多次交換 基於數據流的第一個包進行TCAM和ARP表查詢;之後將該通過過程—源目ip地址、進出接口、新的二層封裝記錄到緩存中;生成一個cache列表;該數據量的第二個包將基於緩存直接轉發;

3、特快交換 最早由cisco提出;CEF技術 無需路由直接交換 基於流的轉發,第一個數據流通過後,後續的數據流將不再查詢,直接通過

路由器將本地的路由表和ARP直接轉換爲二進制的列表;之後將兩個表格整合形成轉發規則;

路由表—FIB轉發信息數據庫 –解決完了遞歸

ARP—adj 鄰居關係表

1.5 網絡類型

注意,這裏的網絡類型是層模型中的,而不是OSPF協議中的網絡類型,

網絡類型:

1、點到點 – 在一網段內只能存在兩個物理接口

2、 BMA – 廣播型多路訪問網絡 在一個MA網絡中,同時存在廣播洪泛機制

3、 NBMA – 非廣播型多路訪問網絡 在一個MA中不支持洪泛機制,只能使用僞廣播來進行廣播或組播行爲

MA:多路訪問,在一個網段內物理節點數量不做限制

以上的網絡模型如何區分?
查看二層的封裝

路由器還有一個重要的作用
用於不同網絡類型的互聯,比如連接以太網和幀中繼網絡
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