光伏电站网络设备

路由器和交换机是构建调度数据网的主要设备。其中。路由器是利用IP地址信良进行报文转发的互联设备，而交换机是利用 MAC地址信息进行数据帧交换的互连设备。

一、路由器

（一）路由器的作用

作为网络互联的一种关键设备，路由器是伴随着Internet和网络行业的发展而发展起来的。正如其名字的寓意一样，这种设备最重要的功能是在网络中对IP报文寻找一条合适的路径进行"路由"，也就是向合适的方向转发。它的实质是完成了TCP/IP协议簇中 IP层提供的无连接、尽力而为的数据包传送服务。

如图7-9所示，PCA和 PCB分别处于两个网段当中，因此，PCA和 PCB的通信必须依靠路由器这类网络中转设备来进行。先来考察 PCA 向 PCB发送报文时，沿途经过的路由器的作用。

首先，PCA 会对 IP报文的目的地址进行判断，对需要到达其他网段的报文，一律交给其默认网关进行转发，在本例中 PCA的默认网关设置为RTA。其次，RTA为了完成转发任务，会检查 IP报文的目的地址，找到与自身维护的路由转发信息相匹配的项目，从而知道应该将报文从哪个接口转发给哪个下一跳路由器。假设 RTA通过路由转发将报文发送给了RTB。类似地，RTB经过路由查找将报文发送给 RTE。最后，RTE通过 IP报文的目的地址判断 PCB处于其直连网络上，所以将报文直接发送给 PCB。

路由器之间的连接可以是同样的链路类型，也可以是完全不同的链路类型。比如，对于RTD来讲，它的一侧使用时分复用的串行链路，而另外一侧使用共享介质同时与RTE和 PCB连接。因此，路由器的第二个重要作用是用来连接"异质"的网络。路由器进行报文转发依赖自身所拥有的路由转发信息，这些信息可以手工配置，但更常见的情况是路由器之间通过 RIP、OSPF等协议自动地进行路由信息的交换，以适应网络动泰态变化和扩展的要求。因此，路由器的另一个重要作用是交互路由等控制信息并进行最优路径的计算。

（二）路由原理

路由器是能够将数据报文在不同逻辑网段间转发的网络设备。路由是指导路由器如何进行数据报文发送的路径信息。每条路由都包含有目的地址、下一跳、出接口、到目的地的代价等要素，路由器根据自己的路由表对 IP报文进行转发操作。每一台路由器都有路由表、路由便存储在路由表中。

1.路由概述

路由器提供了将异构网络互联起来的机制，实现将一个数据包从一个网络发送到另一个网络。路由就是指导IP 数据包发送的路径信息。

在计算机网络中进行路由选择要使用路由器，路由器只是根据所收到的数据报头的目的地址选择个合适的路径（通过某一个网络），将数据包传送到下一个路由器，路径上最后的路由器负责将数据包送交至目的主机。数据包在网络上的传输就好像是体育运动中的接力赛一样，每一个路由器只负责将数据包在本站通过最优的路径转发，通过多个路由器一站一站地接力将数据包通过最优路径转发到目的地。当然也有一些例外的情况，由于一些路由策略的实施，数据包通过的路径并不一定是最优的。

路由器的特点是逐跳转发。在图7-10所示的网络中，RTA收到 PC发往 Server 的数据包后，将数据包转发给 RTB，RTA并不负责指导 RTB 如何转发数据包。所以，RTB必须自己将数据包转发给RTC，RTC再转发给 RTD，以此类推。这就是路由的逐跳性，即路由只指导本地转发行为，不会影响其他设备转发行为，设备之间的转发是相互独立的。

2.路由表

路由器转发数据包的依据是路由表，见表 7-1。每个路由器中都保存着一张路由表，表中每条路由项都指明数据包到某子网或某主机应通过路由器的哪个物理端口发送，然后就可到达该路径的下一个路由器，或者不再经过别的路由器而传送到直接相连的网络中的目的主机。

路由表中包含了下列要素：

（1）目的地址/网络掩码：用来标识IP数据报文的目的地址或目的网络。将目的地址和网络掩码"逻辑与"后，可得到目的主机或路由器所在网段的地址。例如，目的地址为8.0.0.0，掩码为255.0.0.0的主机或路由器所在网段的地址为8.0.0.0。掩码由若干个连续"1"构成，既可以用点分十进制表示，也可以用掩码中连续"1"的个数来表示。

（2）出接口：指明IP 包将从该路由器哪个接口转发。

（3）下一跳地址：更接近目的网络的下一个路由器地址。如果只配置了出接口，下一跳IP地址是出接口的地址。

（4）度量值∶说明IP包需要花费多大的代价才能到达目标。主要作用是当网络存在到达目的网络的多个路径时，路由器可依据度量值而选择一条较优的路径发送 IP 报文从而保证 IP 报文能更快更好地到达目的。

根据掩码长度的不同，可以把路由表中路由项分为以下几个类型。

（1）主机路由∶掩码长度是32 位的路由，表明此路由匹配单一IP地址。

（2）子网路由：掩码长度小于32但大于0，表明此路由匹配一个子网。

（3）默认路由;掩码长度为0，表明此路由匹配全部IP地址。

3.路由器单跳操作

路由器是通过匹配路由表里的路由项来实现数据包的转发。

如图 7-11所示，当路由器收到一个数据包时，将数据包的目的 IP 地址提取出来，然后与路由表中路由项包含的目的地址进行比较。如果与某路由项中的目的地址相同，则认为与此路由项匹配;如果没有路由项能够匹配，则丢弃该数据包。

路由器查看所匹配的路由项的下一跳地址是否在直连链路上，如果在直连链路上，则路由器根据此下一跳转发;如果不在直连链路上，则路由器还需要在路由表中再查找此下一跳地处所匹配的路由项。

确定了最终的下一跳地址后，路由器将此报文送往对应的接口，接口进行相应的地址解析，解析出此地址所对应的链路层地址，然后对 IP 数据包进行数据封装并转发。

当路由表中存在多个路由项可以同时匹配目的 IP地址时，路由查找进程会选择其中梳码最长的路由项用于转发，此为最长匹配原则。

在图7-12中，路由器接收到目的地址为40.0.0.2的数据包，经查找整个路由表，发现与路由40.0.0.0/24和40.0.0.0/8都能匹配。但根据最长匹配的原则，路由器会选择路由项 40.0.0.0/24，根据该路由项转发数据包。

由以上过程可知，路由表中路由项数量越多，所需查找及匹配的次数则越多。所以一般路由器都有相应的算法来优化查找速度，加快转发。

如果所匹配的路由项的下一跳地址不在直连链路上，路由器还需要对路由表进行迭代查找，找出最终的下一跳。

在图7-13中，路由器接收到目的地址为50.0.0.2的数据包后，经查找路由表，发现与路由表中的路由项50.0.0.0/24能匹配。但此路由项的下—跳 40.0.0.2不在直连链路上，所以路由器还需要在路由表中查找到达40.0.0.2的下一跳。经过查找，到达40.0.0.2的下一跳是 20.0.0.2，此地址在直连链路上，则路由器按照该路由项转发数据包。

如果路由表中没有路由项能够匹配数据包。则丢弃该数据包。但是，如果在路由表中有默认路由存在，则路由器按照默认路由来转发数据包。默认路由又称为缺省路由，其目的地址/掩码为0.0.0.0/0。

在图7-14中，路由器收到目的地址为30.0.0.2的数据包后，查找路由表，发现没有子网或主机路由匹配此地址，所以按照默认路由转发。

默认路由能够匹配所有 IP地址，但因为它的掩码最短，所以只有在没有其他路由匹配数据包的情况下，系统才会按照默认路由转发。

4.路由的来源

路由的来源主要有如下3种∶

（1）直连路由。

直连路由不需要配置，当接口存在 IP 地址并且状态正常时，由路由进程自动生成。它的特点是开销小，配置简单，无须人工维护，但只能发现本接口所属网段的路由。

（2）手动配置的静态路由。

由管理员手动配置而成的路由称为静态路由。通过静态路由的配置可建立一个互通的网络，但这种配置问题在于，当一个网络故障发生后，静态路由不会自动修正，必须有管理员介入。静态路由无开销，配置简单，适合简单拓扑结构的网络。

（3）动态路由协议发现的路由。

当网络拓扑结构十分复杂时，手动配置静态路由工作量大而且容易出现错误，这时就可用动态路由协议（如 RIP，OSPF等），让其自动发现和修改路由，避免人工维护。但动态路由协议开销大，配置复杂。

5.路由的度量

路由度量值表示到达这条路由所指目的地址的代价，也称为路由权值，各路由协议定义度量值的方法不同，通常会考虑以下因素∶

（1）跳数。

（2）链路带宽。

（3）链路延迟。

（4）链路使用率。

（5）链路可信度。

（6）链路MTU。

不同的动态路由协议会选择其中的一种或几种因素来计算度量值。在常用的路由协议里，RIP使用"跳数"来计算度量值，跳数越小，其路由度量值也就越小;而OSPF 使用"链路带宽" 来计算度量值，链路带宽越大，路由度量值也就越小。度量值通堂早对动态的路由协议有意义，静态路由协议的度量值统一规定为0。

路由度量值只在同一种路由协议内有比较意义，不同的路由协议之间的路由度量值没有可比性，也不存在换算关系。

6.路由优先级

路由优先级代表了路由协议的可信度。

在计算路由信息的时候，因为不同路由协议所考虑的因素不同，所以计算出的路径也可能会不同，具体表现就是到相同的目的地址，不同的路由协议（包括静态路由）所生成路由的下一跳可能会不同。在这和种情况下，路由器会选择哪一条路由作为转发报文的依据呢? 此时就取决于路由优先级，具有较高优先级（数值越小表明优先级越高）的路由协议发现的路由将成为最优路由，并被加入路由表中。

不同厂家的路由器对于各种路由协议优先级的规定各不相同。以 H3C路由器为例，其默认优先级见表7-2。

除了直连路由外，各动态路由协议的优先级都可根据用户需求手工进行配置。另外，每条静态路由的优先级都可以不相同。

二、交换机

（一）交换机的作用

从功能上看，交换机的主要作用是连接多个以太网物理段，隔离冲突域，利用桥接和交换提高局域网性能，扩展局域网范围。

如图 7-15所示，PCA、PCB、PCC、PCD和交换机 SWA，SWB处于同一个局域网中。因此，SWA 和 SWB的核心作用是利用桥接和交换将局域网进行扩展。

从数据转发机制上看，交换机是利用MAC地址信息进行转发的。

假设 PCB要和 PCC进行通信，由于两者处干同一个网络，PCB首先要根据 PCC的物理地址（即 MAC地址）信息，将信息封装成以太网帧，并通过自身的网络接口发出，于是SWA将收到此帧。与路由器不同，SWA不是依靠 IP 目的地址，而是MAC地址来决定如何转发报文。SWA在 MAC地址表中查找与报文目的 MAC地址匹配的表项，从而知道应该将报文从与SWB相连的端口转发出去;如果没有匹配的项目，报文将广播到除收到报文的入端口外的所有其他端口。SWB也会执行同样的操作，直到把报文交给 PCC。

不难发现，在整个发送过程中，PCB并不需要了解 SWA的存在，而 SWA同样不需要了解 SWB的存在，因此这种交换过程是透明的。

（二）交换原理1.MAC地址学习

为了转发报文，以太网交换机需要维护 MAC地址表。MAC地址表的表项中包含了与本交换机相连的终端主机的 MAC地址、本交换机连接主机的端口等信息。

在交换机刚启动时，它的 MAC地址表中没有表项，如图 7-16 所示。此时如果交换机的某个端口收到数据帧，它会把数据帧从所有其他端口转发出去。这样，交换机就能确保网络中其他所有的终端主机都能收到此数据。但是，这种广播式转发的效率低下。占用了太多的网络带宽，并不是理想的转发模式。

为了能够仅转发目标主机所需要的数据，交换机就需要知道终端主机的位置，也就是主机连接在交换机的哪个端口上。这就需要交换机进行 MAC 地址表的正确学习。

交换机通过记录端口接收数据帧中的源 MAC地址和端口的对应关系来进行 MAC地址表学习。

如图7-17所示，PCA发出数据帧，其源地址是自己的地址 MAC A.目的地址是 PCD 的地址 MAC D。交换机在端口 El /0/1收到数据帧后，查看其中的源 MAC地址，并添加到 MAC地址表中，形成一条MAC地址表项。因为 MAC地址表中没有MAC D的相关记录，所以交换机把此数据帧从所有其他端口都发送出去。

交换机在学习 MAC地址时，同时给每条表项设定一个老化时间，如果在老化时间到期之前一直没有刷新，则表项会清空。交换机的 MAC地址表空间是有限的，设定表项老化时间有助于回收长久不用的 MAC表项空间。

同样的，当网络中其他 PC发出数据帧时，交换机记录其中的源 MAC地址∶与接收到数据帧端口相关联起来，形成MAC地址表项，如图7-18所示。

当网络中所有的主机的 MAC地址在交换机中都有记录后，意味着 MAC地址学习完成，也可以说交换机知道了所有主机的位置。

交换机在 MAC地址学习时，需要遵循以下原则∶

（1）一个MAC地址只能被一个端口学习;

（2）一个端口可学习多个MAC地址。

交换机进行 MAC地址学习的目的是知道主机所处的位置，所以只要有一个端口能到达主机就可以，多个端口到达主机反而造成带宽浪费。因此系统设定 MAC地址只与一个端口关联。如果一个主机从一个端口转移到另一个端口，交换机在新的端口学习到了此主机MAC地址，则会删除原有表项。

一个端口上可关联多个 MAC地址。比如端口连接到一个集线器（Hub），Hub连接多个主机，则此端口会关联多个MAC地址。

2.数据帧的转发

MAC地址表学习完成后，交换机根据MAC地址表项进行数据帧转发。在进行转发时，遵循以下规则∶

（1）对于已知单播数据域（即咖目的MAC地址在交换机 MAC地址表中有相应表项）. 则从帧目的 MAC地址相对应的端口转发出去。

（2）对于未知单播帧（即帧目的 MAC地址在交换机 MAC地址表中无相应表项）。组播帧、广播帧，则从除源端口外的其他端口转发出去。

在图7-19中，PCA发出数据帧，其目的地址是 PCD的地址 MAC_D。交换机在端口El/0/1收到数据帧后，检索 MAC地址表项，发现目的 MAC地址 MAC__D所对应的端口是 El/0/4，就把此数据帧从 El/0/4转发，不在端口 El/0/2和 El/0/3转发，PCB和 PCC 也不会收到目的到 PCD的数据帧。

与已知单播幢转发不，交换机会从除源端口外的其他端口转发广播和组播城。因为广播和组播的目的就是要让网络中其他的成员收到这些数据帧。

而由于 MAC地址表中无相关表项，所以交换机也要把未知单播帧从其他端口转发出去，以使网络中其他主机能收到。

在图7-20中，PCA发出数据帧，其目的地址 MACE。交换机在端口 El1/0/1收到数据帧后，检索 MAC地址表项，发现没有 MAC E的表项，所以就把此帧从除端口 E1/0/1 外的其他端口转发出去。

同理，如果 PCA 发出的是广播帧（目的 MAC 地址为 FF-FF-FF-FF-FF-FF）或组播帧，则交换机把此帧从除端 El/0/1外的其他端口转发出去。

3.数据帧的过滤

为了杜绝不必要的帧转发，交换机对符合特定条件的帧进行过滤。无论是单播、组播、广播帧，如果帧目的 MAC地址在 MAC地址表中有表项存在，且表项所关联的端口与接收到帧的端口相同时，则交换机对此帧进行过滤，即不转发此帧。

如图7-21所示，PCA发出数据帧，其目的地址 MAC B。交换机在端口 El/0/1收到数据帧后，检索 MAC地址表项，发现 MAC_B所关联的端口也是 El/0/1，则交换机将此帧过滤。

通常，帧过滤发生在一个端口学习到多个MAC 地址的情况下。如图7-21 所示，交换机端口 E1/0/1连接有一个Hub，所以端口El/0/1上会同时学习到 PCA和PCB的MAC地址。此时，PCA和 PCB之间进行数据通信时，尽管这些帧能够到达交换机的 E1/O/1端口，交换机也不会转发这些帧到其他端口，而是将其丢弃了。

4.广播域

广播帧是指目的MAC地址是 FF-FF-FF-FF-FF-FF 的数据喃，它的目的是要让本地网络中的所有设备都能收到。二层交换机需要把广播帧从除源端口之外的端口转发出去，所以二层交换机不能够隔离广播。

广播域是指广播帧能够到达的范围。如图7-22 所示。PCA发出的广播帧，所有的设备与终端主机都能够收到，则所有的终端主机处于同一个广播域中。

路由器或三层交换机是工作在网络层的设备，对网络层信息进行操作。路由器或三层交换机收到广播帧后，对帧进行解封装，取出其中的 IP数据包，然后根据 IP 数据包中的 IP 地址进行路由。所以，路由器或三层交换机不会转发广播帧，广播在三层端口上被隔离了。

如图7-23 所示，PCA发出的广播帧，PCB能够收到，但 PCC和 PCD收不到，PCA和PCB就属于同一个广播域。

广播域中的设备与终端主机数量越少，广播帧流量就越少，网络带宽的无谓消耗也越少，所以如果在一个网络中，因广播域太大，广播流量太多，而导致网络性能下降，则可以考虑在网络中使用三层交换机或路由器，可以减小广播域，减少网络带宽浪费，提高网络性能。

三、调度数据网的配置原则

按照调管范围划分，国调调管的光伏电站配置双套调度数据网设备，其中1套接入国调接入网， 另一套接入光伏电站所在区域网调接入网。网调调管的光伏电站配置双在调度数据网设备，其中1套接人网调接人网，另一套接人光伏电站所在区域省调接入网。省调调管的光伏电站配置双套调度数据网设备，其中1套接入省调接入网，另一套接入光伏电站所在区域地调接入网。地调调管的光伏电站配置 2套调度数据网设备，都接入地调接入网。

每套调度数据网设备包含路由器1台，交换机2台。光伏电站调度数据网设备技术参数可参考表7-3。

为保证调度数据网设备运行可靠性，安装于光伏电站的调度数据网设备的运行环境应满足GB/T 2887—2011《计算机场地通用规范》要求。