网络工程师必修课：掌握存储转发以优化网络结构


参考资源链接：[理解存储转发：计算机网络中分组传输详解](https://wenku.csdn.net/doc/272bbe4am0?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 存储转发技术概述

存储转发技术作为网络传输的重要机制，在确保数据完整性、提高网络可靠性和性能方面扮演着核心角色。该技术涉及在网络设备中临时存储网络数据包，并在转发之前对其进行分析、处理和决策。存储转发技术不仅提升了网络的性能，而且为网络设计者提供了灵活性，以支持多样化的网络架构和协议。通过深入理解存储转发的基本概念，网络工程师能够更好地优化网络性能，确保数据在网络中的高效传输。接下来的章节将详细探讨存储转发的工作原理、网络设计中的应用、性能指标以及如何在实际网络环境中进行配置和故障排除。

# 2. 存储转发的理论基础

## 2.1 存储转发机制的工作原理

### 2.1.1 数据包的接收与存储

存储转发技术的核心在于接收数据包并将其完整存储在设备内存中，然后才进行处理和转发。在网络中，当交换机或路由器接收到一个数据包时，它首先会将数据包存储在缓存中。这个过程是必要的，因为网络设备在做出转发决策之前，需要了解整个数据包的内容。

数据包的接收过程涉及到物理层和数据链路层的操作。物理层负责信号的接收和原始数据的还原，而数据链路层则对数据包进行初步的错误检测和封装。一旦数据包被确认无误且完整，它就会被存储在交换机或路由器的内存中。

| 数据包字段         | 说明                                             |
| ------------------ | ------------------------------------------------ |
| 目的地址           | 数据包应被发送到的设备地址                       |
| 源地址             | 发送数据包的设备地址                             |
| 类型               | 用于标识上层协议类型（例如，IP、ARP、RARP等）    |
| 校验和             | 数据包在传输过程中是否出现错误的简单检验         |

设备利用其内部逻辑来确定数据包的类型，并根据这一类型决定下一步的行动。例如，如果数据包是ARP请求，交换机可能会直接使用ARP响应进行应答，而不是继续存储和转发。

### 2.1.2 数据包的分析与处理

数据包存储完毕之后，交换机或路由器将开始分析数据包。这一过程包括分析数据包的头部信息，以及可能的话，对数据包进行特定的处理。分析的目的是确定数据包的最终目的地，以及是否需要对该数据包执行特定的服务质量(QoS)策略。

在处理数据包时，网络设备会检查数据包头部的多个字段。例如，IP数据包的头部包含了版本、头长度、服务类型、总长度、标识、标志、片偏移、生存时间(TTL)、协议类型以及头部校验和等信息。设备将利用这些信息来决定如何处理该数据包，是否转发，转发到哪里，是否需要进行流量优先级标记等。

### 2.1.3 数据包的转发决策

根据存储和处理的结果，网络设备将作出最终的转发决策。这个决策是基于网络设备内部维护的路由表或交换表。每个设备都有自己的路由选择算法，用于确定数据包的最佳出口。这一过程包括对数据包进行必要的路由或交换操作，确保数据包被发送到正确的下一个节点。

在某些情况下，如果数据包不满足转发条件（例如，目的地址不在路由表中），设备可能需要丢弃该数据包，并向发送方发送ICMP错误消息。

## 2.2 存储转发在网络设计中的作用

### 2.2.1 提高网络的可靠性

存储转发技术的一个重要优点是它能提高整个网络的可靠性。由于数据包在转发前被完整存储，网络设备可以在转发之前进行详尽的错误检测和处理。这样，只有经过验证的数据包才会被转发到网络中，从而减少了错误数据包在网络中的传播。

在可靠性要求较高的网络设计中，存储转发技术可以提供一个缓冲机制，以防止因链路故障或设备故障而产生数据包丢失。例如，在网络拥塞时，存储转发交换机可以将数据包暂存于内存中，直到找到一条可用路径。

### 2.2.2 支持不同速率和协议的网络互连

存储转发机制允许网络设备连接不同速率和不同协议的网络。由于数据包在转发之前被完整存储，因此交换机或路由器有足够的时间处理这些不同协议或不同速度的差异。例如，一个以太网交换机可以通过存储转发的方式将数据包从10/100 Mbps的网络转发到1 Gbps的网络。

此外，存储转发还允许网络设备在必要时进行协议转换。例如，一个支持IPX和IP协议的路由器可以通过存储转发机制，在IPX网络和IP网络之间桥接数据包。

### 2.2.3 解决网络拥塞问题

在高流量网络环境中，网络拥塞是一个常见的问题。存储转发技术可以帮助缓解网络拥塞，因为设备可以在网络负载较低时选择性地转发数据包。网络设备在转发之前先对数据包进行存储，这使得它们能够使用各种缓存管理策略和队列调度算法来优化数据包的转发。

例如，使用优先级队列，交换机可以将不同优先级的数据包分类存储和转发，确保关键应用的数据包优先转发，而将非关键应用的数据包缓存起来。

## 2.3 存储转发的性能指标

### 2.3.1 吞吐量和延迟

存储转发技术的性能可以从多个指标来衡量，其中吞吐量和延迟是最关键的两个指标。吞吐量指的是单位时间内设备能够转发的数据量，而延迟指的是数据包从进入设备到离开设备的总时间。由于数据包需要被完全存储和处理，存储转发设备可能会引入比其他转发技术更多的延迟。

尽管如此，现代网络设备采用了各种优化措施来最小化延迟，例如使用更高效的处理器和改进的队列管理算法。

### 2.3.2 路由表的构建与更新

为了正确地转发数据包，网络设备需要维护精确且最新的路由表。存储转发设备在转发数据包前会查询路由表，以确定最佳路径。路由表的构建和更新是存储转发性能的一个重要方面。路由表必须准确反映当前网络的状态，否则可能导致数据包被错误转发或者在设备上过度存储，造成延迟增加。

路由表的更新过程通常涉及到路由协议，如RIP、OSPF或BGP。这些协议负责在网络中传播路由信息，帮助设备构建和维护路由表。

### 2.3.3 缓冲区管理策略

存储转发设备为了有效地处理不同负载下的数据包，需要采用适当的缓冲区管理策略。缓冲区管理策略的选择直接影响到网络设备的性能和延迟。合理的策略能够确保数据包不会因为缓存不足而丢失，同时还能避免不必要的缓冲区浪费。

一个常见的缓冲区管理策略是使用环形缓冲区。在环形缓冲区中，数据包被存储在一个固定的缓冲区内，读写指针沿着缓冲区循环移动。这种方法可以有效利用缓冲空间，但需要智能的管理逻辑来避免数据包覆盖问题。

# 3. 存储转发技术的实践操作

在理解了存储转发技术的基础理论之后，我们将深入探讨该技术的具体实践操作。本章节将涉及存储转发交换机的配置、不同网络环境下的应用实例，以及故障诊断和排除的实用