交换机、透明网桥、路由器工作原理

交换机（工作在数据链路层）

一、工作原理

　　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）。  当收到回应后，交换机会”学习“到了一个新的mac与端口的对应关系，交换机将把学习到的内容更新入内存中的MAC-交换机端口映射表。
　　4.广播帧和组播帧向所有的端口转发。 

二、特点

　　交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的网段，连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假使这里使用的是10Mbps的以太网交换机，那么该交换机这时的总流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB时，一个HUB的总流通量也不会超出10Mbps。

三、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：  
　　1. 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。  
　　2. 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。

 

透明网桥

一、网桥与交换机的联系与区别

联系：风格与交换机都基于帧地址进行路由。

区别：网桥每个端口连接两个或者多个LAN。交换机的每个端口连接一台计算机。

二、工作原理

　　透明网桥采用的算法是逆向学习法(backward learning)。网桥按混杂的方式工作，故它能看见所连接的任一LAN上传送的帧。查看源地址即可知道在哪个LAN上可访问哪台机器，于是在散列表中添上一项。 

　　当计算机和网桥加电、断电或迁移时，网络的拓扑结构会随之改变。为了处理动态拓扑问题，每当增加散列表项时，均在该项中注明帧的到达时间。每当目的地已在表中的帧到达时，将以当前时间更新该项。这样，从表中每项的时间即可知道该机器最后帧到来的时间。网桥中有一个进程定期地扫描散列表，清除时间早于当前时间若干分钟的全部表项。于是，如果从LAN上取下一台计算机，并在别处重新连到LAN上的话，那么在几分钟内，它即可重新开始正常工作而无须人工干预。这个算法同时也意味着，如果机器在几分钟内无动作，那么发给它的帧将不得不散发，一直到它自己发送出一帧为止。 

　　到达帧的路由选择过程取决于发送的LAN(源LAN)和目的地所在的LAN(目的LAN)，如下所示： 

　　1、如果源LAN和目的LAN相同，则丢弃该帧。 

　　2、如果源LAN和目的LAN不同，则转发该帧。 

　　3、如果目的LAN未知，则进行扩散。 

　　为了提高可靠性，有人在LAN之间设置了并行的两个或多个网桥，但是，这种配置引起了另外一些问题，因为在拓扑结构中产生了回路，可能引发无限循环。 

　　透明网桥的优缺点： 

　　透明网桥的优点是易于安装，只需要插入电缆即大功告成。一般用在总线网中。缺点是不能最佳地利用网络带宽。

 

路由器（工作在网络层）

一、工作原理

　　路由器的基本功能包括两大部分：1）路由，即决定使用哪一条路径 2）转发，即一个分组一达的时候所采取的动作。路由功能通过路由算法对路由表进行填充和更新；转发功能在每个分组到达的时候对它进行处理，它在路由表中查找该分组所对应的输出线路，然后将分组发送出去。

　　路由算法可分为静态路由算法（非自适应）和动态路由算法（自适应）两大类。静态路由算法不会根据当前测量或者估计的流量和拓扑结构来调整它们的路由决策。静态路由表在离线情况下已经计算好，在网络启动的时候被下载到路由器中。动态路由算法会改变它们的决策 ，以反映出拓扑结构的变化，通常也会反映出流量的变化情况。动态路由算法有距离矢量路由算法和链路状态路由算法两大类。距离矢量路由算法具有收敛到稳定状态慢的缺点。

　　在收到数据包时，路由器会进行如下操作：

　　1. 路由器在收到一个包时，从包头部分提取出目的IP地址。

　　2. 在自己的全局路由表中查找是否有此IP的路由信息。若没有，此将此包发往默认路由。若有，则将此包发送到路由表中记录的相应的下一跳处。

路由器的转发功能可用图表示为：

 

 

一个数据包在网络上的传递过程可用图表示为：