计算机网络课程论文：《浅谈交换机、路由器》

痛定思痛。 2023-10-01 15:43 35阅读 0赞

前言：这是我大三上计网课程的课程论文，花了几天心思，确实能弄懂一些以前不懂的东西，计网其实挺有趣的，只要学进去了，还是比较有趣的。为什么选择这个题目呢，因为当时每周做实验，都是跟做路由器、交换机的会H3C仿真实验+交换机的实物实验，所以有些时候搞不懂原理，干脆直接课程论文写这个方面的东西。因为是课程论文，所以要求比较低，如果有不足请指正。

先放一张图，大概是这个样子的，关于全部的截图（或许看起来好看点在文章结尾）：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_19_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

以下是正文部分：

【摘要】：交换机(Switch)是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路进行通信。目前市面上最常见的交换机是以太网交换机。路由器(Router)是一种连接两个或多个网络硬件设备，在网络间起网关的作用，是读取每一个数据包中的地址然后决定如何传送数据信息的专用智能性的网络设备。本文中根据一个简单、抽象的例子为主，提取了交换机、路由器的核心作用，以旨在说明交换器、路由器的功能作用及异同之处。最后通过对交换机、路由器的综述概括，简单论述了交换机和路由器的原理起源、区别异同、未来展望等。

【关键词】：交换机、路由器、集线器、转发、广播、IP

## 引言 ##

百度学术上对交换器和路由器的定义为：

交换机：英文名为Switch，意为“开关”是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路进行通信。最常见的交换机是以太网交换机。路由器：英文名为Router，是连接两个或多个网络硬件设备，在网络间起网关的作用，是读取每一个数据包中的地址然后决定如何传送数据信息的专用智能性的网络设备。

从上面的定义中，都提到交换机和路由器是一种传输信息的网络设备。但想弄清楚他们之间的关系，显然从这短短几行字定义中是不能直观地感受到区别和特点的。而百度中对路由器、交换器的简介、原理、功能介绍等多达几万字，看完并弄清楚两类机器的核心功能与区别是较为繁琐的。下文中将通过一个抽象、简单的案例论述交换机、路由器的核心功能及区别。

## 一、案例论述 ##

某天我与舍友P在宿舍上网学习，碰巧校园网连接不上，但此时需要传输一份《物联网导论》课件到舍友P的电脑上，这份课件在我的电脑中，那么该如何实现两台电脑对接进行传输？

假设电脑中有一个类似USB端口，将之命名为网口。通过一根特制网线（双绞线），可将我的电脑和舍友P的电脑连接。即可假设此时就可以进行课件PPT传输了。如下图1所示。  
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给舍友P传输课件的过程中，舍友K上完课回到宿舍，他也需要这一份课件，但是我和舍友P的电脑上只有一个网口，那么新的问题随之而来了。

问题转化为如何实现三台笔记本电脑的相互传输。（假设该课件很大，需要传输很久，故不考虑给舍友P传输完后再给舍友K传输，而是考虑同时传输给两个舍友以节省时间提高效率。）

假设此时有一台微型计算机，这个机器包含多个接口，即可让多个电脑连接该机器进行传输。那么就可以使得三台电脑进行连接传输了。这个机器就是集线器，集线器工作在物理层。

通过集线器，就可以解决三台电脑互传的问题了，即可将课件同时传输给舍友P和K了，如下图2所示。  
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有了上述集线器的传输方式后，隔壁宿舍的同学也加入到该集线器中进行传输连接等。若又加入了两位同学连接到了该集线器，分别是隔壁宿舍的同学A和B。

此时同学A想要给舍友K传输一份实验报告，同学A发送之后，我却和舍友P、K，同学B都收到了这份实验报告，但是，显然我和P、K和B并不需要这份实验报告，并且由于同学A传输实验报告，导致原本正在传输的《物联网导论》课件中断，引发了信息冲突碰撞，造成了传输错误。

为了解决上述错误，舍友K提出可将集线器进行改进，并让电脑在传输前先发出某条指令，指令中包含目的网口名称及地址，让改进的集线器根据指令中的网口名称及对应地址（可理解为MAC地址表）进行寻址与传输。改进原理图如下图3、4所示。  
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结合回上述案例，即需要给每个加入到改进后的集线器的电脑网口起名称，设名称分别是MAC-NWZ（我的电脑），MAC-P，MAC-K，MAC-A，MAC-B。

改进集线器后，此时同学A想要再给舍友K重新发送一份实验报告，在传输报告时电脑加入一条传输指令给改进后的集线器，就能使改进后的集线器完成点对点传输，即只有舍友K才可接收到该实验报告，其他人并不会接收到该报告。如下图5所示。  
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上述例子中，改进后的交换式集线器，就是交换机。历史上交换机的出现，极大的提升了网络数据信息传输速度与速率。交换机和集线器的区别就显而易见了：集线器可以更多的理解为“广播”，且集线器每个接口仅仅简单的转发比特，不进行碰撞检测；交换机则是“转发”，并且是有目的的转发，根据接收到的主机发送的指令进行寻址传输。集线器理论上归属于物理层，而交换机属于数据链路层。

有了交换机之后，那么这一层楼的电脑都可以进行传输连接了。以此类推，每一层楼都可以使用该方法加入到交换机中进行传输。但如果推广到更大的区域，学校里有那么多台电脑，一个城市中的电脑主机，交换机肯定是不够用的，并且交换机并没有体现出“网络互连”。

为了解决这个问题，继而有了路由器。路由器工作在网络层，比交换机所在的数据链路层更高一层，可简单理解为路由器“管着”交换机，而路由器连接了“外网”，实现了真正的“网络互连”，并且同时，也将引入IP的概念。  
IP，在互联网中的作用为：可以通过IP地址，定位到某一个广域网段中，进而定位到局域网中的MAC地址而定位到某个电脑系统。简单来讲，一般一个IP号由网络号和主机号组成，一共32位。

例如192.168.0.27/24这种表示法：代表前24位即192.168.0.0是网络号，27是主机号。24表示在IP地址中，具体有多少位作为网络号。有了网段，就能一次性的表示许多地址，不用像上述交换机那般，记录一条条的端口号与对应的MAC地址。

类似交换机中的MAC地址表，路由器中也维护了一张路由表。路由表的作用就是告诉路由器，收到的消息数据该转发到什么端口。

谈回上述案例，假设此时有几位同学在实验室机房自习，需要我发一份《物联网控制》复习提资料。实验室有自己的交换机，此时，只需要在宿舍和实验室之间加一个路由器就可以实现宿舍和实验室之间的连接传输了。如下图6所示。  
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假设发送资料给实验室机房电脑302，那么目的地址就是192.168.1.32/24。首先电脑将会将资料传输到北区宿舍交换机，而后交换机传输到路由器，路由器通过192.168.1.32/24可以获得目的地址为192.168.1.0，查询路由表可以知道，目的地址在“实验室交换机端口”，那么就会把提纲传输到实验室交换机，进而实验室交换机通过MAC地址表把资料传输给机房电脑302。特别地，如果路由表找不到目的IP地址的对应出口，那么就会发送到默认端口中。

到这里，案例结束，而一个互联网雏形已然形成，如果还有其他局域网，如竹韵花园的用户想要跟学校进行对接，那么只需要将竹韵花园的路由器对接学校路由器即可。

上述的案例中只是着重突出交换机与路由器的作用功能与区别等概念，实际中有很多细节并未处理好，例如两台电脑并不能随便通过一根网线相连接进行传输而是需要特制接法的网线，如568A、568B式双绞线，同时两台电脑直接连接的网线做法和通过交换机连接的接法不同等。

## 二、交换器、路由器综述 ##

### 2.1 交换机、路由器起源 ###

1989年，Kalpana公司推出了首款10M以太网交换机，或称作第二层交换机(以下文中简称为交换机)，基于MAC的转发机制，彻底摒弃了集线器全设备广播的弊端，带来有效带宽的大幅提升。1995年，100M交换机面世，交换机的发展开始步入快车道。交换机是一个具有简单低价、高性能和高端口密集特点的微型计算机。

早在1980年代左右就已出现了对路由技术的讨论，到了20世纪90年代左右路由器的技术水平已经到达了一个相对成熟的阶段，配合着与操作系统兼容性以及网络协议的发展逐步完善，但直到最近二十年左右，随着大规模的互联网络逐渐流行和普适化起来，才为路由技术的发展提供了良好的发展平台。

### 2.2 交换机、路由器工作原理 ###

交换机拥有一条高带宽的背部总线与内部交换矩阵。交换机所有端口接在这条总线上，控制电路收到数据包后，处理端口会查找地址对照表以确定目的MAC的NIC（网卡）接在哪个端口，而后通过内部交换矩阵将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在，则交换机会广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部MAC地址表中。

交换机也可以把网络“分段”，对照MAC地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。交换机的过滤和转发，可有效的减少冲突域，但并不能划分网络层广播，即广播域。交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口可视为独立网段，连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，不用与其他设备竞争使用。例如节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据。

路由器是互联网的枢纽，是连接互联网网络中各局域网、广域网的设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按先后顺序发送数据，也就是说，路由器将某个输入端口收到的数据包，按照数据包要去的目的地，把该数据包从路由器的某个合适的输出端口转发给下一跳的路由器。下一跳的路由器也按照这种方法处理数据包，直到该数据到达终点地址为止。路由器作用在OSI七层模型的第三层，即网络层。路由器提供了路由与转发两种重要的原理机制。

路由：是路由器控制层面的工作，决定数据包从来源端到目的端所经过的路由路径。

转发：是路由器数据层面的工作，将路由器输入端的数据包移送至适当的路由器输出端。

### 2.3 交换机、路由器区别 ###

1、网络体系层次：在OSI模型的七层网络体系划分中，上述提到的以太网交换机一般工作在链路层，而路由器工作在网络层。一般交换机是在局域网内工作，而路由器则是连接内外的中转站，即对广域网、局域网工作。

2、工作机制：路由器工作方式为：依靠IP地址进行寻址转发，而交换机依靠MAC地址进行转发。路由器在进行信息转发时，将根据路由器的路由表、路由选择算法等将数据传输到下一站，下一站可能是路由器，也可能是交换器，也可以是目的主机。而交换机下一站一般是主机。

3、负载分配：交换机之间只能有一条通路，使信息集中在一条通信链路上，不能进行动态的分配传输以使得平衡负载。路由器的路由协议算法则可以优化这一现象，如OSPF路由协议算法能产生多条路由，能使得不同的场景情况选择各自不同的最佳路由进行传输。

4、广播控制：整个交换式网络就是一个大的广播域，广播报文散到整个交换式网络。路由器可以隔离广播域，而交换机只能缩小冲突域，不能缩小广播域。而路由器具有类似防火墙的功能，不传输不支持路由协议的数据，可以防止广播风暴，即广播报文不能通过路由器继续进行广播。

5、子网划分：交换机只能识别MAC地址。MAC地址是物理地址，而且采用平坦的地址结构，因此不能根据MAC地址来划分子网。路由器识别IP地址，IP地址是逻辑地址且IP地址具有层次结构，可被划分成网络号和主机号，一般用于划分子网，路由器的主要作用就是用于连接不同的网络。

可通过下列一个较为简单的访问网站例子来理清路由器、交换机在计算机网络中的功能作用。

此时电脑需要访问学校地址www.sztu.edu.cn，简单描述传输过程如下。

第一步：电脑首先在应用层封装一个HTTP报文，而后在传输层封装成TCP报文，根据DNS查到的IP在网络层封装为IP数据包，最后在数据链路层打包成以太网数据帧。然后将该数据帧发送给交换机。  
第二步：交换机收到电脑发送的数据帧之后，重新包装数据帧，发送给路由器。  
第三步：路由器连接互联网Internet，路由器根据路由表和路由选择算法等选择一条合适的路径将数据传输到学校官网所在的服务器。这个路径中可能包含其他的局域网、广域网、路由器等等。

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## 三、交换器、路由器发展期望 ##

进入二十一世纪以来，电脑、服务器、打印机、无线接入点(AP)等基于以太网的设备越来越多，对交换机的转发能力要求也越来越高。交换机快速跨越千兆、万兆，目前已经进入单端口4万兆的超高速时代。除了转发数据信息能力不断提升，交换机的发展前景可以归为“三高”方向，一是高可靠性，二是高可用性，三是高拓展性。

高可靠性：能够保证长期的正常运转，在极低的概率情况下才出现故障。这需要交换机做到双主控、电源冗余、风扇冗余、分布式转发等架构特性作为支撑，以提供快速的数据交换和极高的永续性，同时还需要端到端故障快速定位、全节点监控、网络流量优化等能力。

高可用性：是指随着网络带宽的需求激增，网络通信设备速度越来越快，功耗越来越高。如何兼顾高可靠性、强大的处理能力进行节能减排、资源利用最大化。

高拓展性：随着电子科技产品越来越多，具备整合互联网网络中涉及的所有设备的能力也十分重要,以满足各种各样的市场需求等。

伴随着智能终端产业的快速发展和普适化，路由器种类越来越多。例如未来无线路由器配以云服务的串联 将在智能家居市场中发挥极大的价值，物联网通信、传感也将与路由器带来全新的提升。  
路由器大体上发展期望还是基于提升基础性能的方向，即更加安全且稳定、信号覆盖面积更广、信号强度更高、传输速率更高、抗干扰性更强、管理配置方面提高易用性等等。

### 参考文献 ###

\[1\]谢希仁. 计算机网络\[M\]. 第七版. 北京：电子工业出版社，2017.217-239.

### 全文样式Word版 ###

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