西安交通大学继续教育学院毕业论文
第2章 组网技术
2.1 网络组件
计算机网络中存在许多不同类型的组件，这里简单介绍最常见的网络组件和每个组件的基本功能。 2.1.1 交换机
交换机[3]是用来提高LAN性能的数据链路层设备。在许多网络中，交换机己经替代集线器来提高终端用户的性能。
交换机是一种由许多高速端口组成的设备，连接LAN网段或连接基于端到端的独立设备。交换机有很多类型，每种交换机支持不同的速率和LAN类型，比如以太网、令牌环、FDDI和ATM。交换机将整个介质带宽集中到一个端口上。 2.1.2 网桥
网桥用于分割数据流以提高网络的整体性能。它也用来提供跨广域的连接并且提供了一种最简单的将局域网网段，连接成可维护、高可靠性的扩展网络的方法。网桥工作在OSI模型中数据链路层的MAC子层，网桥监听所有流经它所连接的网段的数据，并检查每个数据帧的目的网卡地址，以决定是否将该帧送往网络的其他部分。网桥对帧操作且完全不必考虑帧的内容，但网桥的操作既需要硬件也需要软件。 2.1.3 路由器
路由器工作在网络层，通常比中继器、网桥和交换机复杂，路由器是对分组(包)而不是对帧进行操作的。路由器连接具有相同通信架构的网络，但这些网络的低层架构可能不同，它是从物理上和逻辑上对网络进行分割的，而且常常可以用来替代网桥或交换机。 2.1.4 网关
网关又称又称为协议转换器或网间连接器，它工作在OSI协议的传输层或更高层，是互联网设备中最为复杂的设备，用于互联不用体系结构的网络。
2.2 校园网技术新发展
校园网技术随着时代的进步而不断发展。虚拟局域网(VLAN)己经发展成为交换式
3
西安交通大学继续教育学院毕业论文
LAN方案的必不可少部分之一。用LAN交换机取代部门路由器和介质访问设备(如集线器)的速度在不断增大。随着每个端口的以太网和令牌环网的交换机价格下降，越来越多的学校和组织倾向于给每个用户分配一个单独的交换端口，以便获得更高的带宽。VLAN虽然解决了在二层交换机上划分广播域的问题，但虚拟局域网之间的通信仍需要借助速度较慢的传统路由器。此时，三层交换技术融交换技术和路由技术为一体应运而生，给人们带来了高速交换解决方案，并使路由器退出局域网技术领域。 2.2.1 虚拟局域网技术
1、什么是VLAN
VLAN技术目前仍是未标准化的不开放的技术，各个厂商提供的VLAN解决方案有一定的差异。体现在VLAN的概念上也是各有不同见解。但是一个比较通用的能被大家接受的定义是认为VLAN等同于一个广播域。具体而言，VLAN可以看作是包含一组端站点的逻辑局域网，这些端站点可位于不同的物理网段中，但它们不受物理位置的限制而互相通信，就好像它们在同一个物理LAN中一样[4]。
2、实现VLAN要解决的关键问题
（1）、定义VLAN成员的问题，即划分VLAN的方法。
（2）、在多个交换机上划分VLAN时各个交换机之间的交换VLAN成员身份信息的问题。
（3）、在多个VLAN之间通信的问题，即VLAN之间的路由问题。 3、划分VLAN的方法
定义VLAN成员的方法多种多样，主要有四种：按交换机的端口划分VLAN，按MAC层地址划分VLAN，按网络层地址划分VLAN，按IP组播划分VLAN等。 2.2.2 第三层交换技术
在过去的20多年中，交换技术和路由技术都得到了充分发展，交换技术的发展和对网络技术的贡献更是引人注目。到目前为止，已基本形成了“以交换机为中心”的LAN连接方案。尤其这些年所建成的Intranet更是离不了交换机和路由器。
交换技术和路由技术的主要区别在于：交换机所处理的是以太网帧中MAC地址部分，而路由器不仅可以识别MAC地址，还可以进一步分析包含网络类型信息的协议首部。正因为这一关键性的区别，使得交换机和路由器在网络设计中所担任的角色也大不相同。
传统的二层交换机主要区别使网络通信双方节点在通信时能够获得专有的连接，从而
4
西安交通大学继续教育学院毕业论文
享有真正的全部带宽，这对于共享式以太网而言无疑是一个大飞跃。二层交换机也可用于划分子网。但是，基于二层交换机的所有子网在遇到数据包广播时便显得毫无意义。因为对于二层交换机来讲，与其所有端口相连的节点，无论是单一的工作站还是子网，都共享一个广播域。当发送节点发送了一个广播包后，该包就会扩散到所有与交换机端口相连的子网中，而不管该子网是一个TCP/IP子网还是一个IPX子网。显然，将一个TCP/IP广播包发送到IPX子网中是不合理的。这也会影响整个网络的性能。二层交换机的这种广播控制缺陷是由其对以太网帧的处理能力所决定的，因为二层交换机只能识别MAC地址，不能识别数据包中的网络地址信息，因而它对于区分不同类型的子网是无能为力的。
在网络设计中，路由器主要用来完成交换机所缺乏的有效子网划分和广播控制功能。在通过路由器连接的两个子网中，子网间的广播包不会互相扩散。网间的正常通信可通过路由器的路由来实现。
虚拟局域网(VLAN)解决了在二层交换机上划分广播域的问题，可以替代路由器的限制广播的功能。但VLAN之间的通信仍需借助路由器。由于传统路由器的路由寻址功能是通过软件实现，该软件运行于有固定内存的CPU之上，虽然CPU和存储器的速度越来越快，但仍赶不上网络流量增加的速度。随着用户对网络性能、网络延迟和网络带宽需求的不断增加，尤其随着G以太网和Intranet及Extranet的兴起，传统路由器的处理速度越来越成为提高网络性能的瓶颈。与路由器相比，由于二层交换机采用ASIC[5]（Application Specific Integrated Circuit）芯片来处理包转发，因而其处理速度是非常快的。
交换技术和路由技术在当今的网络设计中都是核心技术，但两者各有优缺点，而网络需求又在不断增长。在这种情况下，人们自然会考虑：能不能将交换机的高速性能和路由器的控制功能结合起来。第三层交换技术便在这种想法的基础上产生出来。
1、第三层交换技术实现要点
第三层交换是一个模型，它将第二层交换机和第三层路由器两者的优势结合成一个灵活的解决方案，可在各个层次提供线速(Wire speed)性能的数据转发。这种集成化的结构还引进了策略(Policy)管理属性，它不仅使第二层与第三层相互关联起来，而且还提供流量优先权处理、安全性处理以及多种其他的灵活功能，如中继、虚拟网和内部企业网的动态部署。
第三层交换机的组成如图2.1所示。
5
西安交通大学继续教育学院毕业论文
图2.1 第三层交换机的组成
图2.1列出了第三层交换机的组成部分。接口层包含了所有重要的局域网接口：10/100M以太网、G以太网、FDDI和ATM。交换层集成了多种局域网接口并辅之以策略管理，同时还提供中继、VLAN和标签机制。路由层提供主要的LAN路由协议：IP、IPX和AppleTalk，并通过策略管理提供逐包式或直通式的第三层转发技术。策略管理和行政管理使网络管理员能根据企业上的特定需求调整网络，从而给他们带来配置和管理上的方便与灵活。
将一个传统的路由模块加入到交换机中并不是真正的第三层交换。这是因为，在这种情况下，流量控制、路由寻址等功能虽然也可以实现，但传统路由的高延迟依然存在。所以，实现真正的第三层交换，关键在于要改变传统路由器处理包转发技术，也就是要实现线速路由。
线速路由就是要使路由速度(转发路由分组的速度)达到传输线上的数据传输速度，消除路由瓶颈。考虑IP网和IPX网，在网络中主要有四种流量类型在进行传输：第二层交换(纯交换帧)；第三层IP路由(纯IP路由分组)：第三层IPX路由(纯IPX路由分组)以及同时进行的第二层交换与第三层IP路由(交换帧和路由分组的混合流量类型)。第二层LAN交换机只可以实现纯交换帧的线速转发，第三层交换机的优势在于可以实现剩下三种流量类型的线速转发(当然它也可以实现纯交换帧的线速转发)。传统路由器虽然可以转发各种路由分组，但其延迟较高，转发速度达不到线速。
2、三层交换机的通信过程
三层交换机的通信过程如图2.2所示。
图2.2 三层交换机通信过程
6
西安交通大学继续教育学院毕业论文
如图2.2，假设A和B以前通信过，中间的交换机如支持第三层交换的话，它便会把A和B的IP地址及它们的MAC地址记录下来。当其他站点如C要与A和B通信时，C发出ARP寻址包，询问A或B的IP地址对应的MAC地址是什么，针对C发出的寻址包，第三层交换机会不假思索的送一个回复包给C，告诉它A或B的MAC地址，以后C当然就会用A或B的MAC地址“直接”与其通信。
因为通信的双方完全没有通过路由器这样的第三者，所以哪怕A、B或C属于不同的子网，它们之间均可直接知道对方的MAC地址。更重要的是，第三层交换机并没有像普通二层交换机那样把广播包扩散到与之相连的所有端口，由于第三层交换机能看懂第三层信息(如IP地址、ARP寻址包等)，因此第三层交换机便能洞悉ARP广播包的目的地址，而在尚未把它扩散出去的情形下，满足了发出广播包的机器的需要，而不必在乎它们在任何子网里。
7