交换机和路由器

交换机与路由器的原理及应用

原创于 2025-06-02 23:18:35 发布 · 1.9k 阅读

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#网络 #服务器 #运维

OSI七层模型

OSI七层模型是国际标准化组织提出的网络通信框架,将通信过程分为七层,每层定义明确的功能和协议,确保不同厂商设备能互通互联.

第一层,物理层

物理层负责原始比特流的传输，定义电气、机械和时序接口标准。典型协议包括以太网（IEEE 802.3）、USB等。主要设备如集线器和中继器。

第二层,数据链路层

数据链路层提供节点到节点的可靠传输，负责帧的封装、错误检测（CRC）和MAC地址寻址。典型协议包括以太网（IEEE 802.3）、PPP。设备如交换机和网桥。

第三层,网络层

网络层处理路由和逻辑寻址（如IP地址），确保数据包跨网络传输。典型协议包括IP、ICMP、OSPF。设备如路由器。

第四层,传输层

传输层提供端到端的连接控制（如TCP）或无连接服务（如UDP），负责流量控制和错误恢复。典型协议包括TCP、UDP。

第五层,会话层

会话层管理通信会话的建立、维护和终止，包括身份验证和会话恢复。典型协议如NetBIOS、RPC。

第六层,表示层

表示层处理数据格式转换、加密/解密和压缩。典型技术包括SSL/TLS、ASCII/Unicode编码。

第七层,应用层

应用层直接为用户应用程序提供接口，支持HTTP、FTP、SMTP等协议。典型协议包括HTTP、DNS、SSH。

交换机

交换机（Switch）是计算机网络中用于数据转发的核心设备，工作在OSI模型的数据链路层（二层）或网络层（三层），主要功能是高效连接多台计算机或其他网络设备，实现局域网（LAN）内数据的快速交换。

交换机的工作原理

交换机通过MAC地址表记录每个端口连接的设备MAC地址。当数据帧到达交换机时，交换机会检查目标MAC地址，并将数据帧转发到对应的端口。如果目标MAC地址不在CAM表中，交换机会将数据帧广播到所有端口（除源端口外）即泛洪，并在收到响应后更新MAC地址表。

CAM表:CAM表是交换机用于快速查找MAC地址与端口映射关系的专用内存表.

示例数据帧转发流程：
1. 设备A发送数据帧到设备B。
2.交换机检查目标MAC地址（设备B）。
3. 如果地址表中存在设备B的MAC，直接转发到对应端口。
4. 如果地址表中不存在，广播帧并学习设备B的MAC地址。

交换机三种数据帧处理方式:

1. 泛洪（Flooding）

交换机将数据帧 广播到所有端口（除接收端口外），不依赖MAC地址表。

触发条件

目标MAC地址未知（不在CAM表中）。
数据帧是广播/组播（如FF:FF:FF:FF:FF:FF）。

2. 转发（Forwarding）

交换机 查询CAM表，找到目标MAC地址对应的端口，精准单播转发。

触发条件

目标MAC地址已知（CAM表中有记录）。
目标端口与源端口不同（避免回环）。

3. 丢弃（Discarding）

交换机不转发数据帧，直接丢弃。

触发条件

目标MAC地址的端口 = 源端口（防止数据回环）。
帧错误（CRC校验失败、帧过短/超长）。
安全策略拦截（如端口安全、ACL规则）。

交换机的三种转发模式:

1. 直通转发（Cut-Through）

交换机在接收到数据帧的目标MAC地址（前6字节）后，立即开始转发，不等待完整帧接收完毕。

2. 存储转发（Store-and-Forward）

交换机完整接收整个数据帧，检查 CRC校验和帧完整性，确认无误后再转发。

3. 碎片隔离（Fragment-Free / Modified Cut-Through）

折中方案，交换机读取前64字节（最小合法帧长）后立即转发，不等待完整帧。

交换机的核心功能

MAC地址学习：记录设备的MAC地址与端口的对应关系，形成转发表。
数据帧转发/过滤：根据目标MAC地址，将数据精准转发到目标端口（单播），避免广播风暴。
隔离冲突域：每个端口为独立的冲突域，提升网络效率。

交换机的分类

二层交换机：基于MAC地址转发数据（常见于普通局域网）。
三层交换机：具备路由功能，支持IP地址转发。
PoE交换机：支持通过网线为设备（如IP电话、摄像头）供电。

交换机的优势

高速传输：全双工模式，端口独享带宽（如千兆、万兆）。
低延迟：直通式或存储转发技术减少处理时间。
扩展性：通过堆叠或级联扩大网络规模。

交换机的应用场景

企业网络：连接办公设备，划分VLAN隔离部门流量。
数据中心：高密度端口需求，支持高速光纤连接。
家庭网络：扩展有线设备连接，如PC、NAS等。

路由器

路由器是工作在OSI网络层（三层）的设备，核心功能是连接不同网络，基于IP地址进行数据转发，实现跨网段或跨网络的通信（如LAN到WAN）。

路由器的工作原理

数据包转发：根据目标IP地址选择最佳路径传输数据。
网络地址转换（NAT）：将私有IP地址转换为公有IP地址，实现多设备共享互联网连接。
防火墙功能：通过过滤数据包提供基础网络安全防护。

路由器的核心功能

路由选择：通过路由表（静态/动态协议如OSPF、BGP）确定最优路径。
NAT（网络地址转换）：将私有IP转为公有IP，实现多设备共享上网。
防火墙：提供基础访问控制（ACL）、防攻击等安全功能。

交换机与路由器的联系

互补关系：
- 交换机负责局域网内高效通信（如办公室内电脑互传文件）。
- 路由器负责局域网与外部网络通信（如访问互联网）。
组合使用：
- 企业网络中，三层交换机可替代部分路由器功能（如VLAN间路由），但外网仍需路由器。
- 家用场景：路由器通常内置交换机功能（如4个LAN口）。