En términos de estructura de red, también se ha desarrollado desde las primeras LAN con medios hasta la actual LAN conmutada. La tecnología LAN conmutada hace que el ancho de banda dedicado sea exclusivo para los usuarios, lo que mejora en gran medida la eficiencia de la transmisión LAN. Se puede decir que entre las tecnologías de integración de sistemas de red, la interfaz de primera capa y la tecnología de conmutación de segunda capa que enfrentan directamente los usuarios han recibido respuestas satisfactorias. Sin embargo, la tecnología de enrutadores, que es el núcleo de la red y desempeña el papel de interconexión entre redes, no ha logrado un avance cualitativo. En este caso, surgió una nueva tecnología de enrutamiento, que es la tecnología de conmutación de tercera capa: es un enrutador porque puede ejecutarse en la tercera capa del protocolo de red. Es un dispositivo de comprensión de enrutamiento y puede tomar decisiones de enrutamiento. Se llama conmutador porque es extremadamente rápido, casi alcanza la velocidad de conmutación de Capa 2. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de los conmutadores de capa 2, los conmutadores de capa 3 y los enrutadores, y para qué entornos son adecuados? Para responder a esta pregunta, comencemos con los principios de funcionamiento de estas tres tecnologías:
1. Tecnología de conmutación de capa 2
Los conmutadores de capa 2 son dispositivos de capa de enlace de datos que pueden leer el Información de la dirección MAC en el paquete de datos e intercambio basado en la dirección MAC.
Hay una tabla de direcciones dentro del conmutador, que representa la relación correspondiente entre las direcciones MAC y los puertos del conmutador. Cuando el conmutador recibe un paquete de datos de un determinado puerto, primero lee la dirección MAC de origen en el encabezado del paquete, para saber a qué puerto está conectada la máquina con la dirección MAC de origen, y luego lee la dirección MAC de destino en el encabezado del paquete. Busque el puerto correspondiente en la tabla de direcciones. Si hay un puerto correspondiente a esa dirección MAC de destino en la tabla, copiará el paquete directamente a ese puerto. Si el puerto correspondiente no se encuentra en la tabla, el paquete se transmitirá a todos los puertos. Cuando la máquina de destino responde a la máquina de origen, el conmutador puede saber a qué puerto corresponde la dirección MAC de destino, por lo que ya no necesita transmitir todos los puertos la próxima vez que transmita datos.
Así es como un conmutador de Capa 2 crea y mantiene su propia lista de direcciones. Debido a que un conmutador de Capa 2 normalmente tiene un ancho de banda de bus de conmutación amplio, puede conmutar datos para muchos puertos simultáneamente. Si un conmutador de Capa 2 tiene n puertos, el ancho de banda de cada puerto es M y el ancho de banda del bus del conmutador excede N×M, entonces el conmutador puede lograr una conmutación a velocidad de línea. Los conmutadores de capa 2 no limitan los paquetes de difusión y los copian a todos los puertos.
Normalmente, los conmutadores de capa 2 contienen chips ASIC (circuito integrado de aplicación específica) dedicados al reenvío de paquetes, por lo que las velocidades de reenvío pueden ser muy rápidas.
2. Tecnología de enrutamiento
Los enrutadores se ejecutan en la tercera capa del modelo de red de siete capas OSI: la capa de red.
El enrutador tiene una tabla de enrutamiento en su interior que le indica a dónde ir a continuación si desea ir a algún lugar. Cuando un enrutador recibe un paquete de un puerto, primero elimina el encabezado del paquete de la capa de enlace (desempaquetado), lee la dirección IP de destino y luego busca la tabla de enrutamiento. Si puede determinar dónde enviar a continuación, agrega el encabezado del paquete desde la capa de enlace (paquete) y reenvía el paquete. Si no se puede determinar la siguiente dirección, se devuelve un mensaje a la dirección de origen y el paquete se descarta.
La tecnología de enrutamiento es algo similar a la conmutación de Capa 2. De hecho, la principal diferencia entre enrutamiento y conmutación es que la conmutación ocurre en la Capa 2 (Capa de enlace de datos) del modelo de referencia OSI, mientras que el enrutamiento ocurre en la Capa 3. Esta diferencia determina que el enrutamiento y la conmutación necesitan utilizar información de control diferente en el proceso de transmisión de datos, por lo que las formas de implementar sus respectivas funciones también son diferentes.
La tecnología de enrutamiento en realidad consta de dos actividades básicas: determinar la mejor ruta y transmitir paquetes de datos. Entre ellos, la transmisión de paquetes de datos es relativamente simple y directa, mientras que la determinación del enrutamiento es más complicada.
El algoritmo de enrutamiento escribe diversa información en la tabla de enrutamiento y el enrutador selecciona la mejor ruta según el destino del paquete de datos y envía el paquete de datos al siguiente enrutador que pueda llegar al destino. Cuando el siguiente enrutador recibe el paquete, también verifica su dirección de destino y procede a transmitirlo al siguiente enrutador utilizando la ruta adecuada. Y así sucesivamente hasta que el paquete llegue a su destino final.
Los enrutadores pueden comunicarse entre sí y mantener sus propias tablas de enrutamiento transmitiendo diferentes tipos de información. La información de actualización de enrutamiento es principalmente este tipo de información y generalmente consiste en parte o la totalidad de la tabla de enrutamiento. Al analizar las actualizaciones de enrutamiento enviadas por otros enrutadores, los enrutadores pueden comprender la topología de toda la red. La transmisión del estado del enlace es otro tipo de información transmitida entre enrutadores. Puede notificar a otros enrutadores sobre el estado del enlace y el progreso del remitente de la información.
3. Tecnología de conmutación de Capa 3
El dispositivo con función de conmutación de Capa 3 es un conmutador de Capa 2 con función de enrutamiento de Capa 3, pero es una combinación orgánica de los dos, en lugar de una simple superposición del hardware y software del dispositivo enrutador en el conmutador LAN.
Desde una perspectiva de hardware, los módulos de interfaz de los conmutadores de capa 2 intercambian datos a través de un backplane/bus de alta velocidad (las velocidades pueden llegar a decenas de Gbit/s). En el conmutador de tercera capa, el módulo de hardware de enrutamiento de tercera capa relacionado con el enrutador también está conectado al backplane/bus de alta velocidad, lo que permite que el módulo de enrutamiento intercambie datos con otros módulos que requieren enrutamiento de alta velocidad, superando el límite de velocidad. de la interfaz de enrutador externo tradicional. En términos de software, los conmutadores de capa 3 también han dado grandes pasos, definiendo el software de enrutador tradicional basado en software.
El enfoque es:
Para el reenvío de paquetes, como el reenvío de paquetes IP/IPX, el proceso de estas reglas se puede implementar a alta velocidad a través del hardware.
Para el software de enrutamiento de tercera capa, funciones como la actualización de la información de enrutamiento, el mantenimiento de la tabla de enrutamiento, el cálculo de rutas y la determinación de rutas se implementan a través de un software optimizado y eficiente.
Supongamos que dos máquinas que utilizan el protocolo IP se comunican a través de un conmutador de capa 3. Cuando la máquina A comienza a enviar, conoce la dirección IP de destino, pero no la dirección MAC requerida para enviar en la LAN. La resolución de direcciones (ARP) se utiliza para determinar la dirección MAC de destino. La máquina A compara su dirección IP con la dirección IP de destino y extrae la dirección de red de la máscara de subred configurada en su software para determinar si la máquina de destino está en la misma subred que ella. Si la máquina de destino B y la máquina A están en la misma subred, A transmite una solicitud ARP y B devuelve su dirección MAC. Después de que A obtiene la dirección MAC de la máquina de destino B, almacena en caché esta dirección y la utiliza para empaquetar y reenviar los datos. El módulo de conmutación de Capa 2 busca la tabla de direcciones MAC para determinar el puerto de destino al que enviar el paquete. Si las dos máquinas no están en la misma subred, si la máquina emisora A quiere comunicarse con la máquina de destino C, la máquina emisora A necesita enviar un paquete ARP a la "puerta de enlace predeterminada" y la dirección IP de la "puerta de enlace predeterminada". gateway" se ha configurado en el software del sistema. Esta dirección IP en realidad corresponde al módulo de conmutación de Capa 3 del conmutador de Capa 3. Por lo tanto, cuando la máquina emisora A transmite una solicitud ARP a la dirección IP de la "puerta de enlace predeterminada", si el módulo de conmutación de Capa 3 obtuvo la dirección MAC de la máquina de destino C en el proceso de comunicación anterior, responderá con la dirección MAC. de C a la máquina emisora A; de lo contrario, el módulo de conmutación de Capa 3 transmite una solicitud ARP a la máquina de destino en función de la información de enrutamiento. Después de recibir la solicitud de ARP, la máquina de destino C responde su dirección MAC a la máquina de conmutación de Capa 3. El módulo de conmutación de Capa 3 guarda la dirección y responde a la máquina emisora A... Cuando los paquetes de datos entre A y C se reenvíen en el futuro, serán encapsulados por la dirección MAC de la máquina de destino final y la. El proceso de reenvío de datos se entregará a la segunda capa para el procesamiento de conmutación, de modo que la información se pueda intercambiar a alta velocidad. Se llama enrutamiento único y conmutación múltiple.
La conmutación de capa 3 tiene las siguientes características destacadas:
La combinación de hardware orgánico acelera el intercambio de datos;
El software de cableado optimizado mejora la eficiencia del proceso de cableado
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Excepto por el proceso de toma de decisiones de enrutamiento necesario, la mayor parte del proceso de reenvío de datos es manejado por la conmutación de segunda capa.
Cuando se interconectan varias subredes, solo están conectadas lógicamente a la tercera; Módulo de conmutación de capas, a diferencia de los enrutadores externos tradicionales que requieren puertos adicionales, protegiendo la inversión del usuario.
4. Comparación de las tres tecnologías
Se puede observar que los conmutadores de capa 2 se utilizan principalmente en LAN pequeñas, con menos de veinte o treinta máquinas. En este entorno de red, el impacto de los paquetes de difusión es mínimo. Las rápidas capacidades de conmutación, los múltiples puertos de acceso y el bajo precio de los conmutadores de capa 2 proporcionan la solución perfecta para los usuarios de redes pequeñas. En esta pequeña red, no es necesario introducir funciones de enrutamiento para aumentar la dificultad y el costo de la administración, por lo que no es necesario usar enrutadores y, por supuesto, no es necesario usar conmutadores de Capa 3.
Los conmutadores de Capa 3 están diseñados para IP, con tipos de interfaz simples y sólidas capacidades de procesamiento de paquetes de Capa 2, lo que los hace adecuados para LAN de gran escala. Para reducir el daño de las tormentas de transmisión, las LAN grandes deben dividirse en LAN pequeñas, es decir, segmentos de red pequeños, según factores como funciones o regiones. Esto inevitablemente conducirá a una gran cantidad de visitas mutuas entre diferentes segmentos de red. Y es imposible lograr la comunicación entre redes simplemente usando conmutadores de Capa 2. Para visitas mutuas, simplemente puede usar el enrutador. Debido al número limitado de puertos y la baja velocidad de enrutamiento, la escala y la velocidad de acceso de la red son limitadas. Por lo tanto, en este entorno, un conmutador de tres capas que combine tecnología de conmutación de capa dos y tecnología de enrutamiento es el más adecuado.
El enrutador tiene muchos tipos de puertos, admite una variedad de protocolos de tres capas, tiene sólidas capacidades de enrutamiento y es adecuado para la interconexión entre redes grandes. Aunque muchos conmutadores de Capa 3 e incluso conmutadores de Capa 2 tienen puertos de interconexión para redes heterogéneas, generalmente las redes grandes no tienen muchos puertos de interconexión. La función principal de los dispositivos interconectados no es cambiar rápidamente entre puertos, sino seleccionar la mejor ruta, compartir la carga, respaldar enlaces e intercambiar información de enrutamiento con otras redes. Todas estas son funciones que completa el enrutamiento.
En este caso, es naturalmente imposible utilizar un conmutador de Capa 2. El uso de un conmutador de Capa 3 depende de la situación específica. Los principales factores que influyen son el tráfico de la red, los requisitos de velocidad de respuesta y el presupuesto de inversión. El propósito más importante de un conmutador de tres capas es acelerar el intercambio de datos dentro de una LAN grande. La función de enrutamiento combinado también cumple este propósito, por lo que su función de enrutamiento no es tan poderosa como la de un enrutador profesional del mismo nivel. En el caso de un gran tráfico de red, si un conmutador de Capa 3 realiza tanto conmutación dentro de la red como enrutamiento entre redes, su carga inevitablemente aumentará considerablemente y la velocidad de respuesta se verá afectada. Cuando el tráfico de la red es grande y la velocidad de respuesta es rápida, el uso de conmutadores de tres capas para la conmutación dentro de la red y enrutadores para el enrutamiento entre redes puede aprovechar al máximo las ventajas de diferentes dispositivos, lo cual es una buena cooperación. Por supuesto, si el presupuesto de inversión es limitado, utilizar un conmutador de tres capas como interconexión entre redes también es una buena opción.