路由与交换浅析

殷齐龙

（西安石油大学计算机学院，陕西西安710300）

摘要：近年来，计算机网络的发展异常迅猛，用户对网络的依赖与日俱增。随着网络规模的不断扩大和复杂性的不断增

加，网络的异构性也越来越高，而多媒体相关应用的兴起和互联网规模的高速扩展，使得交换技术越来越受到人们的关注，因为它将网络交换机的高性能和路由器的活络性能结合起来，通过一系列操作，可以有效的地改善路由相关问题的状况。本文对计算机网络基础、路由协议以及交换技术进行了探讨与分析。关键词：路由交换技术；网络基础；路由协议；交换基础中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1673-1131（2019）01-0160-03这个时代，网络信息技术与日俱进，计算机网络无时无刻不在更新和拓展，在这个网络迅猛发展的阶段，路由与交换在网络技术中占据了举足轻重的地位，路由器和交换机也随之成为极其重要的网络设备。信息网络改变未来，网络的进步让生活更加美好，网络促进了共享，进而促进了时代发展。而在当今世界，网络可谓是十分火热，诸如SDN、NFV和IPv6等主流技术，都与网络密切相关。

介绍。

2.1静态路由[3]

静态路由（Staticrouting），这是一种路由的方式，路由项

（routingentry）是由手动配置，而非动态决定的。与动态路由有所不同的是，静态路由是固定的，不会改变，即使网络状况已经改变或是重新被组态。在一般情况下，静态路由是由网络管理员逐项加入路由表的。静态路由的配制方法有两种：带下一跳路由器的静态路由，以及带送出接口的静态路由。

使用静态路由的优缺点：（1）静态路由的优点：使用静态路由的好处在于不增加路由器中央处理器的负载，进而节省成本方面的开支，而且由于静态路由无更新流量，甚至不占用网络带宽，所以它的优势很明显。

（2）静态路由的缺点：如果是大型和复杂的网络环境，通常不建议使用静态路由，原因有二：第一，网络的拓扑结构暂时未知；第二，当网络的链路状态产生变化和拓扑结构一旦发生改变，静态路由信息就需要进行一个难度较高的调整，当网络发生变化或网络发生故障时，若不能够重选路由，则可能导致路由失败。

1路由器与交换机的基本概念

在介绍路由器与交换机之前，有必要先介绍一下OSI七

层模型以及TCP/IP四层模型。OSI（OpenSystemInterconnec-tion）参考模型是国际标准化组织（ISO）制定的一个用于计算机或通信系统间互联的标准体系。OSI七层模型，由高到低分别是：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。在计算机网络里，进行通信常使用TCP/IP协议，此协议汲取了OSI七层模型中的特点及其性质。TCP/IP模型与OSI七层模型略有不同，它只有四层，分别为：应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。路由器在TCP/IP模型的第三层（网络层）工作，而交换机则是在第四层（数据链路层和物理层）工作[1]。

路由器（Router）是连接因特网中各局域网、广域网的设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送信号。交换机（Switch）是一种用于电或光信号转发的网络设备，它可以为接入交换机的任意两个网络节点，提供独享的电信号通路。

2.2动态路由及主流协议

动态路由（DynamicRouting）协议可以自动的发现远程网

络，它所具有的主要优势在于，一旦网络拓扑结构发生了变化，各个路由器就会开始互相交换信息，不仅能够自动获知新增加的网络，还可以在当前网络连接失败时找出备用路径。动态路由机制的运作依赖路由器的两大基本功能：路由器之间适时的路由信息交换，以及对路由表的维护[4]。

动态路由的主流协议，大致有以下几种RIP、OSPF、EIGRP、BGP、ISIS。按照使用范围进行分类，可分为：IGP协议（RIP、OSPF、EIGRP、ISIS）和BGP协议（BGP）；按照算法特点分类，可分为：距离矢量型（RIP）、链路状态型（OSPF/ISIS）和杂合型（EIGRP）；按照路由更新时是否携带子网掩码进行分类，可分为有类别和无类别，有类路由协议（已被淘汰，如RIPv1）：宣告时不支持可变长子网掩码，只使用默认的ABC三类IP的默认掩码，无类路由协议：宣告时支持可变长子网掩码。2.2.1RIP协议

2路由器主流协议与技术[2]

路由协议的原理是：通过在路由器之间共享路由信息，来支持可路由协议。路由信息在相邻的路由器之间传递，要确保所有的路由器知道去往其它路由器的路径。换句话说，路由协议创建了路由表，描述了网络拓扑结构，路由协议与路由器协同工作，执行路由选择和数据包转发功能。

常见的路由协议有RIP、IGRP、EIGRP、OSPF、IS-IS、BGP等。下面的部分篇幅将针对一些主流路由协议，进行简单的

参考文献：

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[3]

信息通信

RIP(RoutingInformationProtocol），即路由信息协议，它是一种内部网关协议（IGP），是一种动态路由选择协议，用于自治系统（AS）内的路由信息的传递。RIP协议基于距离矢量算

法，使用“跳数”

(即metric值)来衡量到达目标地址的路由距离。RIP有三种版本：RIPV1、RIPV2、RIPNG（IPV6专有），此协议的适用范围是IGP和小型网络中，RIPV1不携带网络掩码，RIPV2携带网络掩码。RIP协议的算法是贝尔曼-福特算法，其封装是基于UDP进行封装，RIPV1和RIPV2使用的UDP端口号均为520，RIPV1的更新地址是：255.255.255.255，RIPV2的更新地址是：224.0.0.9；而特殊的是RIPNG，RIPNG的更新地址是：FF02::9，UDP封装端口号为521。

关于Network通告的意义：例：network1.0.0.0的意义：（1）将本路由器上接口地址第一个八位组为1的接口激活，激活接口可以发送并接收RIP报文。

（2）将激活接口对应的接口路由通告进入RIP。注意：针对距离矢量型路由协议，可以针对静态路由（必须为出接口的静态），直接通过network引入至路由协议中。2.2.2EIGRP协议

EIGRP（EnhancedInteriorGatewayRoutingProtocol），即增强内部网关路由协议。EIGRP是Cisco公司的私有协议（至2013年已经公有化）。EIGRP结合了链路状态型和距离矢量型路由选择协议的Cisco专用协议，采用弥散修正算法DUAL）来实现快速收敛，EIGRP由于不作周期性的路由更新，只在路由器改变计量标准或拓扑结构出现变化时发送部分更新信息，从而减少了带宽的占用。

EIGRP的适用范围是IGP，根据是否携带网络掩码划分为无类别路由协议，算法是杂合型，DUAL---扩散更新算法（分布式运算），其是根据IP封装，协议号为88。EIGRP是高级的距离矢量型路由协议，具有快速收敛的优点，其更新方式是触发、增量、有界；支持多种网络层协议例如IPV4、IPV6、IPX等等；更新地址为224.0.0.10，组播更新和单播更新；同时支持等开销和非等开销负载均衡。

EIGRP中四个关键机制：（1）邻居发现/恢复；（2）RTP——可靠传输协议；（3）DUAL——扩散更新算法；（4）PDM——协议相关模块。

快速收敛：路由计算的无环路和路由的收敛速度是路由计算的重要指标。EIGRP协议由于使用了DUAL算法，使得EIGRP协议在路由计算中不可能有环路路由产生，同时路由计算的收敛时间也有很好的保证。2.2.3OSPF协议

OSPF(OpenShortestPathFirst），即开放式最短路径优先，是对链路状态路由协议的一种实现，隶属内部网关协议（IGP），故运作于自治系统内部；著名的Dijkstra算法被用来计算最短路径树；同时OSPF原生支持VLSM与CIDR。

OSPF的版本分类为：OSPFv2和OSPFv3。OSPFv2适用于IPv4，OSPFv3适用于IPv6。

OSPF算法为：SPF算法（最短路径优先算法），其封装是基于IP封装，协议号为89；OSPF支持认证（包括链路认证、区域认证和虚链路认证）；同时支持路由汇总，但是有所局限，仅某些特殊的路由器支持汇总。不仅如此，OSPF还支持区域的

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划分，而区域划分的优势在于：减少LSA的传播范围和减少

LSA的数量。

OSPF更新信息：LSA——链路状态通告，既包含了路由信息（包含的接口的路由信息）又包含了拓扑信息（路由器之间的连接关系）。其更新地址为：使用组播或单播更新，组播地址224.0.0.5和224.0.0.6，更新方式是使用周期性更新加触发更新（网络拓扑结构发生变化后，即会更新），周期时间30分钟（周期的LSA状态刷新）。

LSA种类：在OSPFV2中使用1、2、3、4、5、7类。除此之外，OSPF还支持区域的划分，划分是基于接口的，而区域划分的优势在于：减少LSA的传播范围和减少LSA的数量。OSPF划分的区域有两种类型：骨干区域（0区域）和非骨干区域（非0区域）。

路由运行OSPF协议后，又有着四种类型的划分：（1）骨干路由器：所有接口都在骨干（0）区域内；（2）非骨干路由器：所有接口都在非骨干（非0）区域内；（3）ABR路由器：区域边界路由器，既在骨干区域内也在非骨干区域，能够产生3类LSA的路由器；

（4）ASBR路由器：自治系统边界路由器，一边属于OSPF，另一边不属于OSPF，可以将其引入OSPF，产生5类或7类LSA的路由器。

2.3ACL技术[5]

ACL（AccessControlList），即访问控制列表，是路由器和交换机接口的指令列表，用来控制端口进出的数据包。ACL适用于所有的被路由协议，如IP、IPX、OSI等。

ACL的特点：其定义了permit（允许）/deny（拒绝），写入时，序列号由小及大，满足金字塔形结构，换句话说，ACL的执行是自上而下执行的，而且ACL中未说明的条目，默认为拒绝（也就是过滤），因为ACL的末尾，隐含了拒绝ALL；ACL还拥有着一旦匹配立即执行的特点（自上而下的匹配方式）；ACL的调用时在接口上的（分为in方向和out方向）进入的是in，出去的是out，二者的区别在于：in方向先匹配ACL，再查路由表，out方向是先查路由表，再匹配ACL。

关于ACL的分类：目前主要分为标准ACL和扩展ACL，标准的ACL使用1-99以及1300-1999之间的数字作为表号，扩展ACL使用100-199以及2000-2699间的数字作为表号。

2.4NAT技术

NAT（NetworkAddressTranslation），即网络地址转换。当在专用网络内部的一些主机本已分配到了本地IP地址（即仅在专用网络内使用的专有地址），但现在欲和公共网络上的主机进行通信操作时，可使用NAT技术。这种通过使用少量的公有IP地址代表较多的私有IP地址的技术，将有助于减缓可用IP地址空间的枯竭。

NAT的主要作用：（1）将私有IP转换为公有IP；（2）将公有IP转换为另一公有IP。NAT的主要缺点：（1）NAT非常消耗路由器资源；（2）破坏了数据的端到端传输。

3交换技术基础[6]

3.1交换机的工作原理与基本功能

交换机工作原理：

１６１

（信息通信

基于MAC地址进行转发，查看MAC地址表（Mac地址表条目由三元组构成，VLANID、Mac地址、交换机端口编号）。

（1）交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，并将其写入MAC地址表中；

（2）交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定由哪个端口进行转发；

（3）如数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发。这一过程称为泛洪（flood）；

（4）广播帧和组播帧向除了接收该帧的所有端囗转发。交换机的基本功能：（1）基于源Mac地址学习；（2）基于目标Mac地址转发；（3）基于MAC地址过滤；（4）防止环路。

3.2交换机与网桥的区别

局域网交换机的基本功能与网桥一样，具有帧转发、帧过

滤和生成树算法功能。但是，交换机与网桥相比还是存在以下不同：

（1）交换机工作时，实际上是许多组端口间的通道同时工作。所以，交换机的功能体现出的不仅仅是一个网桥的功能，而是许多个网桥功能的集合。网桥一般分有两个端口，而交换机具有高密度的端口。

（2）分段能力的区别

由于交换机能够支持多个端口，因此可以把网络系统划分出更多的物理网段，从而使得整个网络系统具有更高的带宽。但网桥仅仅支持两个端口，所以实际上网桥划分的物理网段是十分有限的。

（3）传输速率的区别

交换机与网桥数据信息的传输速率相比，交换机要快于网桥。

（4）数据帧转发方式的区别

网桥在发送数据帧前，通常要接收到完整的数据帧并执行帧检测序列FCS后，才开始转发该数据帧。交换机具有存储转发和直接转发两种帧转发方式。

3.3VLAN技术[7]

VLAN（VirtualLocalAreaNetwork），即虚拟局域网。

VLAN是一组逻辑上的设备和用户，这些设备和用户并不受物理位置的限制，可以根据功能、部门及应用等因素将它们组织起来，相互之间的通信就好像它们真的在同一个网段中一样。

VLAN标识范围：VLANID，表示该帧所属的VLAN。VLANID取值范围是0~4095。由于0和4095为协议保留取值，所以VLANID的有效取值范围是1~4094。

VLAN的划分：划分VLAN可以有效提高安全性和提高交换机性能。划分VLAN的方法，主要有五种：基于端口划分、基于网络协议划分、基于MAC地址划分、基于IP地址划分和基于策略划分。

（1）基于端口划分：这种方法明确指定各端口属于哪一VLAN。基于端口划分的优点在于操作简单，而缺点则是当主机较多时，重复工作量大，且当主机端口变动的时候，需要同时改变该端口所属的VLAN。

（2）基于网络协议的划分：基于所用的网络层协议划分VLAN，可以划分为IP/IPX/DECnet/AppleTalk/Banyan等VLAN网络。这种按照网络层协议划分的方式可以使广播域跨越多１６２

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个交换机。

基于网络协议划分的优点是：用户主机物理位置改变后，不需要重新配置所属的VLAN网络，而且同时适用于需要针对不同应用和服务来组织用户的场景；其缺点是：检查每一个数据包的网络层地址需要消耗处理时间，相对而言效率较低。

（3）基于MAC地址的划分：根据主机网卡的MAC地址进行划分（每个网卡都有理论上唯一的MAC地址）。通过检查并记录端口所连接的网卡的MAC地址来决定端口所属的VLAN。

基于MAC地址划分的优点在于，当用户主机物理地址改变的时候，不需要重新配置VLAN；但其缺点也很明显：初始化的时候需要对所有用户进行配置，当主机数很大时工作量较大，而且由于交换机每个端口可能需要保存多个主机的MAC地址，从而降低了交换机的执行效率。

（4）基于IP地址划分：将任何属于同一IP广播组的主机视为属于同一VLAN。

基于IP地址划分有着良好的灵活性和可扩展性，可以方便地通过路由器扩展网络，但是不适合局域网，效率不高。

（5）基于策略的划分：一种根据不同的情况，将多种（上文所述的）划分VLAN的技术按照一定的安全策略进行综合运用的划分技术。

基于策略的划分的优缺点：这种方式具有自动配置的能力，自动化程度高以及可以非常方便地扩展网络规模，但是对设备要求较高，一般设备无法尝试。

4结语

科技进步和经济发展日新月异，互联网技术得到了快速发展，促进了交换机与路由器的应用。大规模的互联网络逐渐流行起来，为路由技术的发展提供了良好的基础和平台。对于互联网而言，路由与交换的应用范围十分广泛，常见的路由技术和交换技术本身都具有优缺点，路由器和交换机在移动信息的过程中又需使用不同的控制信息，在实际选择使用的过程中，应当综合考虑具体状况进行选择。而在未来的发展过程中，仍然需要增加对于路由与交换技术的研究深度，不断强化技术水平，以保证网络使用的进一步优化。本文针对基本路由原理及其协议和交换技术的基本原理展开了相关性的阐述，并且探讨了路由协议及ACL、NAT和VLAN等技术，以期有所帮助。参考文献：

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[6]《思科网络技术学院教程（第三，四学期）》思科网络技术

学院.作者简介：殷齐龙（2000-），男，安徽省宿州人，西安石油大学计算机学院学生，研究方向：云计算网络。