路由器工作原理

定义

路由器是一种实现网络互联的设备，作为三层网络层设备提供路由与转发两种机制，可以决定数据包从源端到目的端的经过路径（路由），以及将路由器输入端的数据包送到适当的路由器输出端（内部转发）；
可以看作路由器在两个方面控制层面和转发层面的作用；

基本作用

路由器工作过程
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收到数据包后拆包到网络层进行路由选择，将其从合适的端口发出（需进行封装），可实现异种网络的互联；主要有以下作用：

路由：使用路由表来实现，包括路由表的建立、更新、维护、查找
使用静态路由和动态路由协议来获知远端网络构建路由表
子网间速率适配
隔离子网，防止广播蔓延，指定访问规则不同类型网络互联
路由器经常会收到以某种类型的数据链路帧封装的数据包，当转发这种数据包时，路由器可能需要将其封装为另一种类型的数据链路帧。数据链路封装取决于路由器接口的类型及其连接的介质类型。

典型的路由器的结构

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整个路由器可划分为两部分，路由选择部分及分组转发部分【控制平面与数据平面】；
路由选择部分主要是根据路由协议生成路由表，交由转发引擎生成转发表，数据进入路由器后查找转发表进行转发；

报文处理路径

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控制路径：主要是路由器的控制信息转发的路径，包括各类路由协议报文，负责完成各类信息的交互；
数据路径：主要是接受到的数据转发的路径，根据转发表规定的路径转发；

路由表与转发表

路由表：由链路层发现，静态路由，动态路由协议生成，主要信息有IP、下一跳、度量值、优先级等等；
转发表：转发表是基于路由生成的，路由器实际转发时使用转发表（只包括IP地址/IP子网和下一跳/出接口）；高性能路由器转发表通常都用硬件来实现，有利于高速查找。
如果在查询转发表过程中出现多个匹配时，路由器使用最长匹配原则；
RIB维护每种协议的网络拓扑和路由表。这将包括许多到达相同目的地前缀的路由。
FIB是从下推的RIB中可能的许多协议到快速转发查找内存的最佳路径的最佳路由。

CAM和TCAM用于大型表的快速查询。
• CAM执行二元运算
– 基于0或1匹配；所有比特都必须匹配
– “命中”将返回结果(出接口)
– 用于MAC地址查询
• TCAM执行三元运算
– 基于0、1或X(不关心)匹配
– 最长匹配返回“命中”
- 适用于并非所有值都需要精确匹配的查询(ACL或IP路由表)。

交换机工作原理

基本作用

交换机工作在二层，可以用来隔离冲突域，在OSI参考模型中，二层的作用是寻址，这边寻址指的是MAC地址，而交换机就是对MAC地址进行转发，在每个交换机中，都有一张MAC地址表，这个表是交换机自动学习的，所以，总得来说交换机的作用是寻址和转发；

交换机为数据链路层设备，可以将电流与二进制转换，实现了以下功能：
1、无限的传输距离
2、彻底解决了冲突—所有的接口可以同时收发数据
3、二层单播—物理寻址，在一个交换网络内，实现一对一通讯，保障了数据的安全，减少了垃圾数据量，降低的转发延时；
4、提高端口密度—可以增加更多的接口

工作原理

交换机对流量的转发机制：流量进入交换机后，先识别数据帧中的源MAC地址，然后将该MAC地址与该流量的进入接口进行绑定、记录，生成MAC地址表—再转换为CAM表
之后查看数据帧中的目标MAC地址，在CAM表中寻找对应的记录，若存在记录，按记录接口单播转发；
若没有记录将洪泛该流量；洪泛—除流量的入口外其他所有出口复制；
默认CAM在一个mac最后出现的后300s将被删除；

MAC地址表和CAM的区别— CAM是将MAC表中的MAC地址+接口编号+vlanid转换为hash值，再转换为二进制格式；意义在于识别更快；

终端在访问其他终端前，通过目标ip地址判断是否与本地处于同一网段；
同一网段—ARP 获取对端MAC 若成功–单播通讯；若失败–放弃通讯
不同网段–IP地址正常源、目填写，但目标MAC需要本地所在网段网关地址；然后将流量传递给路由器来处理；（正常使用ARP通过网关的IP地址来获取网关的MAC地址）

交换机的工作特性

1.交换机的每一个端口所连接的网段都是一个独立的冲突域。
2.交换机所连接的设备仍然在同一个广播域内，也就是说，交换机不隔绝广播（惟一的例外是在配有VLAN的环境中）。
3.交换机依据帧头的信息进行转发，因此说交换机是工作在数据链路层的网络设备（此处所述交换机仅指传统的二层交换设备）。

交换机的分类

依照交换机处理帧时不同的操作模式，主要可分为两类：

a – 存储转发

   交换机在转发之前必须接收整个帧，并进行错误校检，如无错误再将这一帧发往目的地址。帧通过交换机的转发时延随帧长度的不同而变化。

b – 直通式

  交换机只要检查到帧头中所包含的目的地址就立即转发该帧，而无需等待帧全部的被接收，也不进行错误校验。由于以太网帧头的长度总是固定的，因此帧通过交换机的转发时延也保持不变。

二层、三层、四层交换机

二层交换机基于MAC地址
三层交换机具有VLAN功能有交换和路由 //基于IP
四层交换机基于端口，就是应用

1、二层交换技术

由其工作原理可知以下：

交换机对多数端口的数据同时进行交换，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，那么此交换机就可以实现线速交换，即能够按照网络通信线上的数据传输速度实现无瓶颈的数据交换；
学习端口连接的机器的MAC地址，写入地址表，地址表的大小影响交换机的接入容量；
二层交换机一般都含有专门处理数据包转发的ASIC芯片，因此转发速度非常快，由于各个厂家采用的ASIC不同，产品性能也有所差异；

2、三层交换技术

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主机A要给B发送数据，已知B的IP，不知B的MAC，需要先发送ARP；
1）如果A、B在同一网段，A发送一个ARP，B回一个ARP应答，A用B的MAC封装数据包并发送给交换机，交换机起用二层交换模块，查找MAC地址表，将数据转发；
2）若果A、B不再一个网段，A需要给网关发送一个ARP，交换机的三层模块接收到此包，需要查询路由表以确定B的路由，构造一个新的帧头，发送给B，通过一定的识别触发机制，确立主机A与B的MAC地址及转发端口的对应关系，并记录进流缓存条目表，以后A到B的数据，就直接交由二层交换模块完成，即一次路由，多次转发；

三层交换的特点：

由硬件结合实现数据的高速转发。
这就不是简单的二层交换机和路由器的叠加，三层路由模块直接叠加在二层交换的高速背板总线上，突破了传统路由器的接口速率限制，速率可达几十Gbit/s。算上背板带宽，这些是三层交换机性能的两个重要参数。
简洁的路由软件使路由过程简化。
大部分的数据转发，除了必要的路由选择交由路由软件处理，都是又二层模块高速转发，路由软件大多都是经过处理的高效优化软件，并不是简单照搬路由器中的软件。

二层交换机用于小型局域网络，路由器适用于大型的网络间的路由选择，三层交换机的最重要的功能是加快大型局域网内部的数据转发，加入路由功能也是为此服务的。

3、四层交换技术

第四层交换的一个简单定义是：它是一种功能，它决定传输不仅仅依据MAC地址(第二层网桥)或源/目标IP地址(第三层路由),而且依据TCP/UDP(第四层)应用端口号。 第四层交换功能就象是虚IP，指向物理服务器。它传输的业务服从的协议多种多样，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他协议。这些业务在物理服务器基础上，需要复杂的载量平衡算法。在IP世界，业务类型由终端TCP或UDP端口地址来决定，在第四层交换中的应用区间则由源端和终端IP地址、TCP和UDP端口共同决定。

在第四层交换中为每个供搜寻使用的服务器组设立虚IP地址（VIP），每组服务器支持某种应用。在域名服务器（DNS）中存储的每个应用服务器地址是VIP，而不是真实的服务器地址。

当某用户申请应用时，一个带有目标服务器组的VIP连接请求（例如一个TCP SYN包）发给服务器交换机。服务器交换机在组中选取最好的服务器，将终端地址中的VIP用实际服务器的IP取代，并将连接请求传给服务器。这样，同一区间所有的包由服务器交换机进行映射，在用户和同一服务器间进行传输。
　具有第四层功能的交换机能够起到与服务器相连接的“虚拟IP”(VIP)前端的作用。
　在发出一个服务请求时，第四层交换机通过判定TCP开始，来识别一次会话的开始。然后它利用复杂的算法来确定处理这个请求的最佳服务器。一旦做出这种决定，交换机就将会话与一个具体的IP地址联系在一起，并用该服务器真正的IP地址来代替服务器上的VIP地址。