【工控技术连载】工业交换机（二）工业路由器

传统地，路由器工作于OSI七层协议中的第三层，其主要任务是接收来自一个网络接口的数据包，根据其中所含的目的地址，决定转发到下一个目的地址。因此，路由器首先得在转发路由表中查找它的目的地址，若找到了目的地址，就在数据包的帧格前添加下一个MAC地址，同时IP数据包头的TTL（Time To Live）域也开始减数，并重新计算校验和。当数据包被送到输出端口时，它需要按顺序等待，以便被传送到输出链路上。

路由器在工作时能够按照某种路由通信协议查找设备中的路由表。如果到某一特定节点有一条以上的路径，则基本预先确定的路由准则是选择最优（或最经济）的传输路径。由于各种网络段和其相互连接情况可能会因环境变化而变化，因此路由情况的信息一般也按所使用的路由信息协议的规定而定时更新。

网络中，每个路由器的基本功能都是按照一定的规则来动态地更新它所保持的路由表，以便保持路由信息的有效性。为了便于在网络间传送报文，路由器总是先按照预定的规则把较大的数据分解成适当大小的数据包，再将这些数据包分别通过相同或不同路径发送出去。当这些数据包按先后秩序到达目的地后，再把分解的数据包按照一定顺序包装成原有的报文形式。路由器的分层寻址功能是路由器的重要功能之一，该功能可以帮助具有很多节点站的网络来存储寻址信息，同时还能在网络间截获发送到远地网段的报文，起转发作用；选择最合理的路由，引导通信也是路由器基本功能；多协议路由器还可以连接使用不同通信协议的网络段，成为不同通信协议网络段之间的通信平台。

一般来说，路由器的主要工作是对数据包进行存储转发，具体过程如下：

第一步：当数据包到达路由器，根据网络物理接口的类型，路由器调用相应的链路层功能模块，以解释处理此数据包的链路层协议报头。这一步处理比较简单，主要是对数据的完整性进行验证，如CRC校验、帧长度检查等。

第二步：在链路层完成对数据帧的完整性验证后，路由器开始处理此数据帧的IP层。这一过程是路由器功能的核心。根据数据帧中IP包头的目的IP地址，路由器在路由表中查找下一跳的IP地址；同时，IP数据包头的TTL（Time To Live）域开始减数，并重新计算校验和（Checksum）。

第三步：根据路由表中所查到的下一跳IP地址，将IP数据包送往相应的输出链路层，被封装上相应的链路层包头，最后经输出网络物理接口发送出去。

简单地说，路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据包寻找一条最佳传输路径，并将该数据包有效地传送到目的站点。由此可见，选择最佳路径策略或叫选择最佳路由算法是路由器的关键所在。为了完成这项工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据——路由表（Routing Table），供路由选择时使用。上述过程描述了路由器的主要而且关键的工作过程，但没有说明其它附加性能，例如访问控制、网络地址转换、排队优先级等。

ARP全称 地址解析协议在局域网内信息是以帧传输的。要记住地址就要有一个ARP缓存表，大概是几分钟刷新一次我忘记了。保存的就是当前局域网内与你连接的机器的IP和MAC的地址。ARP—a就可以查看到这个表。第一个是IP。第二个是网卡地址。第三个是连接类型。

交换机如何学习MAC地址的？

 假设一个交换机刚刚启动，MAC表完全是空的，局域网内有两台主机PC1和PC2，IP地址为192.168.0.1和192.168.0.2：那么交换机接到1端口的PC1的第一个数据帧，因为PC1只知道PC2的IP地址而不知道PC2的MAC地址，所以源IP地址为192.168.0.1源MAC地址是0000-0000-0001，目标IP地址为192.168.0.2而目标MAC地址是FFFF-FFFF-FFFF（此报文为ARP请求报文，是二层广播报问），交换机首先将源MAC地址和相对应的端口记录在MAC表中，然后把这个数据帧从所有活动的端口转发出去，；假设PC2在2端口接收到数据帧对数据进行回应时，则目标MAC地址为0000-0000-0001源MAC地址为0000-0000-0002。此时交换机收到数据帧后，首先学习PC2的MAC地址和对应端口到MAC表，然后查找MAC地址表中是否有PC1的MAC地址，发现目标MAC地址对应端口1，则将此数据帧由交换机的1端口转发出去。此时PC1和PC2的MAC地址都已记录在交换机MAC表中，数据在开始正常转发。所以，交换机在转发数据帧的过程，就是查找目标MAC地址，学习源地址的过程！

1、基于端口划分的VLAN

这是最常应用的一种VLAN划分方法，应用也最为广泛、最有效，目前绝大多数VLAN协议的交换机都提供这种VLAN配置方法。这种划分VLAN的方法是根据以太网交换机的交换端口来划分的，它是将VLAN交换机上的物理端口和VLAN交换机内部的PVC（永久虚电路）端口分成若干个组，每个组构成一个虚拟网，相当于一个独立的VLAN交换机。

对于不同部门需要互访时，可通过路由器转发，并配合基于MAC地址的端口过滤。对某站点的访问路径上最靠近该站点的交换机、路由交换机或路由器的相应端口上，设定可通过的MAC地址集。这样就可以防止非法入侵者从内部盗用IP地址从其他可接入点入侵的可能。

从这种划分方法本身我们可以看出，这种划分的方法的优点是定义VLAN成员时非常简单，只要将所有的端口都定义为相应的VLAN组即可。适合于任何大小的网络。它的缺点是如果某用户离开了原来的端口，到了一个新的交换机的某个端口，必须重新定义。

2. 基于MAC地址划分VLAN

这种划分VLAN的方法是根据每个主机的MAC地址来划分，即对每个MAC地址的主机都配置他属于哪个组，它实现的机制就是每一块网卡都对应唯一的MAC地址，VLAN交换机跟踪属于VLAN MAC的地址。这种方式的VLAN允许网络用户从一个物理位置移动到另一个物理位置时，自动保留其所属VLAN的成员身份。

3. 基于网络层协议划分VLAN

VLAN按网络层协议来划分，可分为IP、IPX、DECnet、AppleTalk、Banyan等VLAN网络。这种按网络层协议来组成的VLAN，可使广播域跨越多个VLAN交换机。这对于希望针对具体应用和服务来组织用户的网络管理员来说是非常具有吸引力的。而且，用户可以在网络内部自由移动，但其VLAN成员身份仍然保留不变。

这种方法的优点是用户的物理位置改变了，不需要重新配置所属的VLAN，而且可以根据协议类型来划分VLAN，这对网络管理者来说很重要，还有，这种方法不需要附加的帧标签来识别VLAN，这样可以减少网络的通信量。这种方法的缺点是效率低，因为检查每一个数据包的网络层地址是需要消耗处理时间的(相对于前面两种方法)，一般的交换机芯片都可以自动检查网络上数据包的以太网祯头，但要让芯片能检查IP帧头，需要更高的技术，同时也更费时。当然，这与各个厂商的实现方法有关。

4. 根据IP组播划分VLAN

IP 组播实际上也是一种VLAN的定义，即认为一个IP组播组就是一个VLAN。这种划分的方法将VLAN扩大到了广域网，因此这种方法具有更大的灵活性，而且也很容易通过路由器进行扩展，主要适合于不在同一地理范围的局域网用户组成一个VLAN，不适合局域网，主要是效率不高。

5. 按策略划分VLAN

基于策略组成的VLAN能实现多种分配方法，包括VLAN交换机端口、MAC地址、IP地址、网络层协议等。网络管理人员可根据自己的管理模式和本单位的需求来决定选择哪种类型的VLAN 。

6. 按用户定义、非用户授权划分VLAN

基于用户定义、非用户授权来划分VLAN，是指为了适应特别的VLAN网络，根据具体的网络用户的特别要求来定义和设计VLAN，而且可以让非VLAN群体用户访问VLAN，但是需要提供用户密码，在得到VLAN管理的认证后才可以加入一个VLAN。