電腦網路與連結技術：第十章 區域網路連結技術 上一頁    下一頁

10-5 路由器 與第三層交換器

內容：

10-5-1 路由器

        『路由器』（Router）是用於連結兩個或兩個以上的網路。被路由器連結的網路之間，可能使用不同的實體層（Physical layer）和鏈結層（Data-Link Layer），但必須有相同的網路層（IP 或 IPX）和其它高層次的通訊協定，其通訊協定關係如圖 10-20 所示。

        經過路由器所連結之網路，不論由實體網路而言，或由邏輯網路上來區分，都屬於不同的網路。不像由橋接器所連結之網路，由實體上觀察是不同的網路，但在邏輯上還是屬於同一網路，因為，一般我們區分網路都以第三層的網路位址為基準。路由器的主要功能是分割不同的第三層網路位址；而橋接器是以媒介存取層（MAC）的位址為基準去分割網路，並未包含網路位址，亦即，橋接器並未拆解到『網路層協定資料單元』（Network Layer Protocol Data Unit, NL-PDU）。

        路由器的運作原理也類似橋接器，一個路由器上會有若干個連接埠口，每一埠口的實體層和鏈路層必須相同於其所連接之網路的通訊協定。以圖 10-20 為例，區域網路 A 為 ISDN 網路，而區域網路 B 為 Ethernet 網路，工作站 A 的第一、二層為 HDLC 網路，因此路由器之 R1 埠口也必須是 HDLC 連結。當工作站 A 欲傳送資料給工作站 B，其資料經包裝（Encapsulation）後發送到網路 A，該封包由 R1 埠口進入路由器，路由器將其拆裝（Decapsulation）到 NL-PDU封裝，再依照其『網路封包標頭』（Network Header, NH）之目的位址，轉送該封包到 R2 埠口上。轉送時是將該封包再包裝成 CSMA/CD 的封包格式，發送到區域網路 B 上。

圖 10-20 路由器之通訊協定堆疊

由上述的說明可以知悉，路由器的功能是將進入的封包，拆解到網路層的協定資料單元（NL-PDU），再依照網路協定標頭（Network Header, NH）上的目的位址，轉送到適當的埠口上。但這轉送到適當的埠口上的動作，就牽涉到路徑選擇的問題。路由器不同於橋接器，橋接器是利用學習的過程來得悉連接埠上所屬的工作站；而路由器上必須有一個路由表，封包進入後依照目的位址，在路由表上搜尋下一個路徑（Next-hop）應該往哪一個埠口轉送。因此，建立路由表是一件重要的工作，一般路由表的建立方式有下列兩種：

(a) 固定路由表（Fixed Routing Table）：路由表都是經過網路分析後，由人工輸入建立而成。一般應用在建構網路的拓樸圖，固定之後便不再變動，除非網路架構有所變動。但一般區域網路上，網路範圍不大，還是以固定路由表的選擇路徑為主。（相關技術請參考本書第四章）

(b) 動態路由表 (Dynamic Routing Table)：是由網路上之路由器隨時交換訊息建構而成，因此，路由表的內容也隨時變動中。路由器之間交換訊息的內容和最佳路徑選擇演算法有不同的通訊協定規範，一般都使用 RIP（Routing Information Protocol）和 OSPF（Open Shortest Path First）協定。（相關技術請參考本書第四章及第十三章）

路由器在區域網路上的主要用途，還是拿來分割網路，以建立各單位所屬的子網路較為普遍（也包含分散 Traffic 的功能）。我們用圖 10-21 來說明，一般路由器在區域網路上的應用情況。某一單位（或學校）的網路位址為 138.2.#.#（IP 位址），工作站分佈於兩個地區內（或建築物內），在地區一內以路由器 A 將網路區分為 138.2.3.#、138.2.2.# 及 138.2.1.# 等三個子網路。在路由器 A 上以固定路由方式（Static Routing）設定這三個網路之間的路徑選擇。譬如，某封包由 R4 埠口進入路由器 A，便在路由表上搜尋是否屬於 R2 和 R3 所屬網路之封包，如是便轉送到該所屬之埠口上，否則，則轉送到 R1 埠口（Otherwise）上。地區二之路由器 B 的路徑選擇也如同路由器 A，以固定路由方式設定網路位址是 138.2.30.#、138.2.20.#、138.2.10.#，而且將封包轉送到它們所屬的埠口上，又將網路位址為 138.2.#.#（除本路由器之外的 138.2.#.# 網路位址）的封包轉送到 R1 埠口，而其它位址（Otherwise）則轉送到 R5 埠口上（外部 Internet 網路）。但路由器 A 和 B 之間的路徑選擇方式可能有兩種做法：一是採用固定路徑選擇法，但必須知道對方的網路位址，如果對方之網路位址變動，也必須隨時修改變動；另一是採用動態路徑選擇法（RIP），這麼做可能會延遲轉送時間，但路由表會隨著網路變動而更新。（一般都只採用固定路由表）

圖 10-21 區域網路之路由器分割網路範例

10-5-2 第三層交換器

        我們可以發現路由器在區域網路上應用，以分割子網路為主要用途。由於目前區域網路範圍愈來愈大，傳輸速度也愈來愈快，一般路由器的轉送速度已漸不及，而且又同一區域網路也大多屬於同一種網路型態（如 Ethernet 網路及 IP 網路），路由器上的協定轉換功能也較少使用，因此，『第三層交換器』（Layer 3 Switch）也就因應而生，基本上，第三層交換器如同第二層交換器一樣，並不具有轉換通訊協定（轉換協定單元格式）功能，只純粹作封包轉送功能（第二層交換器為訊框轉送），所以稱之為『交換器』。但一般第三層交換器同時具有第二層交換器之功能，除了表示交換器可以依照路由表轉送封包（IP）外，各連接埠口也具有學習紀錄及過濾 MAC 位址的功能，也因此稱之為『Layer 3/2 Switch』。

        交換器也可稱為『多埠口路由器』（Multi-port Router），依各廠商製造有 8 ~ 24 埠口之第三層交換器。如果以圖 10-20 通訊協定堆疊的運作程序而言，封包由某一埠口進入交換器，交換器必須將該封包拆解到第三層之 NL-PDU，再由 NH（Network Header）（或 IP Header）上得知該封包的目的位址，再由路由表（Routing Table）上查詢出，應該轉向哪一埠口上。但第三層交換器具有第二層交換（MAC 位址）之功能，當進入之封包拆解到第二層時，已知該封包的 MAC 位址，如果已知該 MAC 位址是屬於哪一埠口上，就可以直接轉送出去，不必每一封包都要拆解到第三層才轉送。因此，第三層交換器的處理速度會比原來之路由器還快，更適合目前之高速區域網路的應用。

        既然，第三層交換器也具有第二層交換功能，表示在交換器內可以建立 IP-MAC 的對照表。依照 IP-MAC 對照表規劃成『虛擬網路』，每一虛擬網路都是一個廣播網域（或碰撞網域），也相當於一個子網路。在虛擬網路（子網路）的內部通訊以第二層交換方式進行（MAC 位址），虛擬網路之間的通訊，則以第三層交換方式（IP 位址）進行。當進行第三層交換時，也許需要查詢 IP 路由表（或許交換器以外之位址）或 IP-MAC 對照表（交換器內部之位址）。早期設計第三層交換器，主要是以分割一個快速區域網路（Mbps 或 Gbps 網路）成為若干個子網路為目的，各埠口之間的路徑選擇，大多採用固定路由方式。因此，欲連結到外部網路必須另外透過一個路由器來處理，但目前交換器大多有配置路徑選擇功能（RIP 或 OSPF）的埠口（類似路由器和交換器整合成一體），其結構如圖 10-22 所示。

圖 10-22 第三層交換器結構圖

 

翻轉工作室：粘添壽

 

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