路由器、三层交换机的工作原理及区别

第三章理解网络设备工作原理任务3.5路由器工作原理

路由器是属于OSI模型中的网络层（第三层）设备，作用于网络层的IP寻址、路由、隔离广播等功能。在正式学习路由器的工作原理前，首先要明白什么是路由。以一个生活中的小事例来理解什么是路由。一封信从重庆发往上海的过程，如图3.16所示。图3.16一封信从重庆发往上海的过程任务3.5生活中的信件发送与网络世界的数据路由的联动思考（1）将写好的信放入信封，并在信封上写明收件人的地址、寄信人的地址。联动思考：在网络世界中，在OSI第三层封装IP报文，并在报头写入源IP地址与目标IP地址。（2）将写好收件人和寄件人地址的信件投递到最近的邮政箱。联动思考：在网络世界中，目标IP地址与源IP地址不在同一个子网中，就需要将源IP地址产生的数据报文投递到默认网关，默认网关就相当于距离寄信人最近的邮政箱。在此以后信件要怎么发是邮局的事，寄信人无须再做任何处理。路由也是一样，数据报文只要被送到了默认网关距离发送者最近的路由器），计算机就再也干涉不了数据报文怎样发送了，至于数据报文怎样发送，这是路由器的工作，也是我们学习的重点。（3）当信件被投递到邮政箱后，邮局将本地区域内的所有邮政箱的信件进行汇总、归类，为运送信件做准备。联动思考：在网络世界中，运营商的路由器将所有企业网络的路由进行汇总或策略化后再发送出本地的自治区域。（4）当信件被本地邮局发送出去后，信件是被空运还是利用火车或轮船运载，这要看寄信人采用一种什么样的方式寄这封信，是挂号还是快递或者平信。联动思考：在网络世界中，当数据报文从运营商的路由器转发后，数据报文可能有多种途径或方式到达目标，具体通过哪一条路径到达上海的运营商，这要看具体的路由策略，以及不同成本的路径开销。（5）信件到达上海的邮局，上海邮局需要将这些进入上海邮局的信件全部分发到上海不同区域的邮政箱中。联动思考：在网络世界里，数据报文从重庆的运营商发出经过不同的路径到达上海运营商的路由器，上海运营商的路由器收到数据报文后，会将该报文分发给上海各大企业级路由设备。（6）信件到达目标收信人附近的邮政箱后，会被转发到收信人的手中。联动思考：在网络世界中，数据报文会通过企业级路由器转发给目标用户。任务3.5整个过程如图3.17所示。图3.17一封信和一个数据报文的传递过程对比任务3.5上述是对路由的宏观理解，那么怎样来对路由进行深入的理解呢？通过上述的宏观理解提出几个问题：对于计算机而言，它是如何知道什么样的IP报文需要发给路由器处理并转发呢？它怎么知道网络上的设备哪个是路由器？路由器在收到计算机发来的IP报文后，如何转发数据报文？如图3.18所示，如果在192.168.1.2主机上发出ping192.168.3.2的指令，实际上在ping指令后面紧跟的这个IP地址192.168.3.2是一个目标地址。计算机将目标IP地址192.168.3.2与本地主机的子网掩码进行“与”运算，得到网络ID是192.168.3.0。再将本地网卡上的IP地址与本地主机的子网掩码求“与”，得到网络ID是192.168.1.0，所以这两台主机不在一个子网中。在这种情况下，主机确定它们之间的通信是需要路由器进行路由的。主机是利用计算机上的“默认网关”来确定路由器的位置的，如图3.19所示。“默认网关”是路由器上连接本地子网的一个接口，该接口与本地计算机同在一个IP子网中，所以本地计算机可以与“默认网关”通信。确定了路由器的位置后，发送给192.168.3.2的ping报文被投递到路由器R1。R1收到计算机发来的报文后，利用路由表（路由表类似于人类世界的地图）选择到目标子网的最佳路径，然后将数据报文进行转发，如图3.20所示。当路由器R1收到源IP地址为192.168.1.2、目标地址为192.168.3.2的IP报文时，路由器提取报文中的目标IP地址192.168.3.2提取与路由表中的记录表项中的“目标子网”作对比，查看是否有与其相匹配的路由记录。如果有，比如在R1的路由表中就有一条目标子网为192.168.3.0、目标子网掩码为255.255.255.0、下一跳为192.168.2.2的路由记录，那么匹配成功，该数据报文就被路由器转发到下一跳地址为192.168.2.2的路由器R2上，然后路由器R2再次执行路由器R1所做的路由查询工作，得到目标网络192.168.3.0是自己E0接口直接连接的子网，所以路由器R2会将数据报文通过E0接口转发给目标主机192.168.3.2完成整个路由工作。任务3.5图3.20选择到目标子网的最佳路径将数据报文进行转发图3.19利用计算机的“默认网关”确定路由器的位置图3.18路由器的路由环境图任务3.5.1理解路由器工作原理必须扩展到数据链路层的问题

上面描述路由器工作原理的范围仅限于在第三层（网络层）中进行讨论，但一次完整的通信是不能脱离数据链路层工作环境的，当然路由器也包括在内，所以在这里会对路由器转发数据包时，数据链路层的MAC地址变化过程做出补充说明。在路由器执行路由的过程中，数据包的目标IP地址和源IP地址始终保持不变，但其对应的MAC地址在路由环境中是随时变化的。如图3.21所示，变化过程如下：图3.21在三层路由过程中MAC地址的变化任务3.5.11、标IP地址192.168.3.2在整个通信过程中将始终保持不变。当主机A发送的数据包还未曾被路由器R1转发时，该数据包的源MAC地址为主机A的MAC地址000C.297A.3046，目标MAC地址是路由器R1的E1/1接口的MAC地址ca00.0d4c.001d。2、当数据包被路由器R1确定路由转发后（根据路由表确定通过E1/0接口转发到路由器R2的E1/0），源IP地址192.168.1.2、目标IP地址192.168.3.2还是保持不变，此时的源MAC地址被路由器R1修改为自己E1/0的MAC地址ca00.0d4c.001c，目标MAC地址是ca01.0d4c.001c。3、路由器R2收到这个数据包，当数据包被路由器R2确定路由转发后（根据路由表确定是自己的直连接口E1/1），源IP地址192.168.1.2、目标IP地址192.168.3.2仍然保持不变，此时的源MAC地址被路由器R2修改为自己E1/1的MAC地址ca01.0d4c.001d，目标MAC地址是计算机B的MAC地址000C.2967.E2CF。

注意：上面描述路由过程时，强调数据链路层MAC地址在路由过程中的变化，也是为了给下一节打基础。任务3.6三层交换机工作原理

三层交换机是现代化网络组建必不可少的设备，是现今最流行的组网设备之一。三层交换机就是具有部分路由器功能的交换机。从宏观角度讲，三层交换技术就是二层交换技术与三层路由技术相集成的，如图3.22所示。传统交换技术是在OSI网络模型的第二层（数据链路层）进行基于MAC地址表的选路操作的，而三层交换技术是在OSI网络模型的第三层实现路由数据包的高速转发的。三层交换机使企业的网络模型更加精简与清晰，三层交换机相比于传统路由器具有更高的接口密集程度，因为对于数据包路由与转发过程是由专业硬件以高速方式实现的，而传统路由器的路由信息更新、维护、路由计算、路由确定等功能，都是由软件实现的，所以三层交换机比传统路由器具备更快速的转发能力。从这一特性来讲，三层交换机不是单纯地将传统的路由器与二层交换机进行简单的集成，那么三层交换机比传统路由器的转发速度更快的原因在哪里呢？图3.22形象地理解三层交换机任务3.6理解三层交换机的工作原理“一次路由，多次交换”三层交换机比传统路由器的转发速度更快的原因是，它可以执行“一次路由，多次交换”。什么是“一次路由，多次交换”？下面通过描述三层交换机的工作原理来说明“一次路由，多次交换”的意义，如图3.23所示，主机A（192.168.1.2）要转发数据到主机B(192.168.3.2)。图3.23三层交换过程中的“一次路由，多次交换”任务3.61、主机A（192.168.1.2）通过识别主机B（192.168.3.2）的IP地址发现它们不属于同一个IP子网，此时主机A将同一组数据流的第一个数据分组，目标IP地址为192.168.3.2，源IP地址为192.168.1.2，目标MAC地址为三层交换机的SVI1接口（事实上就是192.168.1.0子网的网关）MAC地址ca00.0d4c.001d，源MAC地址为主机A的MAC地址00-0C-29-7A-30-46，数据包通过三层交换机的Fa0/1接口交换给三层交换机的路由进程进行路由查询并确定转发路径。所谓同一组数据流就是指相同的一个通信会话的数据集合，相同的通信会话的数据集合指示这些数据具备相同的目标IP地址、源IP地址、目标接口等标识性信息。此时送达三层交换机路由进程进行处理的数据，就是这种数据分组集合中的第一个数据包，它通过路由查询确定转发路径。三层交换机上的SVI接口，事实上就是不同的三层IP子网所对应的网关接口，在图3.23所示的环境中，三层交换机有两个SVI接口：SVI1（192.168.1.1）是IP子网192.168.1.0的网关；SVI2(192.168.3.1)是IP子网192.168.3.0的网关，由于该接口是被内置到三层交换机里面的，通常不可见，但是可以配置，所以有交换虚拟接口（SwitchVirtualInterfaces）的称呼。

注意：什么是同一组数据流的第一个数据分组？什么是三层交换机的SVI接口？任务3.62、根据3.5.1节“理解路由器工作原理必须扩展到数据链路层的问题”中的过程，三层交换机执行路由选择后，将保持源IP地址与目标IP地址不变，目标MAC地址被三层交换机改写为主机B（192.168.3.2）的MAC地址00-0C-29-67-E2-CF，源MAC地址被三层交换机改为SVI2接口MAC地址ca01.0d4c.001d，然后将数据包转发到主机B。同时三层交换机会记录这个经过路由查询后的MAC地址改变过程，并将这个改变过程建立成能完成“一次路由，多次交换”的缓存表。具体如图3.23所示。

图3.23三层交换过程中的“一次路由，多次交换”任务3.63、继第一个被执行路由过程的数据包的后继数据包，将不再执行前两步的路由查询，重写数据包的过程，而是通过查找第二步中所建立的“一次路由，多次交换”的缓存表，直接修改数据包中的目标MAC地址与源MAC地址，并确定目标MAC地址对应