路由和交換是網絡世界中兩個重要的概念。傳統的交換發生在網絡的第二層，即數據鏈路層，而路由則發生在第三層，網絡層。在新的網絡中，路由的智能和交換的性能被有機的結合起來，三層交換機和多層交換機在園區網絡中大量使用。本文將介紹一些路由和交換的基本概念，分為網絡層次結構、交換、路由和全交換園區網絡四個部分。
網絡層次結構
網絡參考模型的定義給出了清晰的功能層次劃分。最常被提及的是ISO OSI參考模型和TCP/IP協議簇。
國際標準化組織定義的OSI參考模型將計算機網絡按功能劃分為七個層次，這就是我們常說的七層模型或七層結構。網絡功能分層的直接好處是這些層次可以各司其職，由不同廠家開發的不同層次的軟硬件設備可以配合使用。一個層次的設備更新或軟件重寫也不會影響到其它層次。TCP/IP協議體系中的各個層次和ISO的參考模型有大致的對應關系。如下圖所示：
OSI中間一層，即第四層執行傳輸功能，它負責提供從一臺計算機到另外一臺計算機之間的可靠數據傳輸。傳輸層(Transport Layer)是承上啟下的一層，在它的下面有三層，都是與數據傳輸相關的功能;上面也有三層，提供與網絡應用相關的功能。
OSI下三層中。物理層(Physical Layer)負責實際的傳送數據信號，數據鏈路層(Data Link Layer)負責網絡內部的幀傳輸，而網絡層(Network Layer)負責網絡間的計算機尋址和數據傳輸。
OSI上三層中。應用層(Application Layer)是最高的層次，它負責提供用戶操作的界面，因特網中常用的電子郵件服務，文件傳輸服務等都是這一層提供的。表示層(Presentation Layer)負責數據的表示，比如發送數據之前的加密，接收數據時的解密，中英文的翻譯等等都是這一層提供的功能。會話層(Session Layer)負責建立和終止網絡的數據傳輸，計算機名字轉換成地址的工作也在這層完成。
傳統意義上的交換是第二層的概念。數據鏈路層的功能是在網絡內部傳輸幀。所謂"網絡內部"是指這一層的傳輸不涉及網間的設備和網間尋址。通俗的理解，一個以太網內的傳輸，一條廣域網專線上的傳輸都由數據鏈路層負責。所謂"幀"是指所傳輸的數據的結構，通常幀有幀頭和幀尾，頭中有源目二層地址，而幀尾中通常包含校驗信息，頭尾之間的內容即是用戶的數據。
數據鏈路層涵蓋的功能很多，所以又將它劃分為兩個子層， MAC(Media Access Control，介質訪問控制)層和LLC(Logical Link Control，邏輯鏈路控制)層。常見的局域網和城域網的二層標準是IEEE的802協議。而在廣域網中，HDLC(High-level Data Link Control，高級鏈路控制)、PPP(Point-to-Point Protocol，點對點協議)和Frame Relay(幀中繼)等協議都有廣泛的使用。
路由是第三層的概念。網絡層在Internet中是最重要的，它的功能是端到端的傳輸，這里端到端的含義是無論兩臺計算機相距多遠，中間相隔多少個網絡，這一層保障它們可以互相通信。例如我們常用的PING命令就是一個網絡層的命令，PING通了，就是指網絡層的功能正常了。通常，網絡層不保障通訊的可靠性，也就是說，雖然正常情況下數據可以到達目的地，但即便出現異常，網絡層也不作任何更正和恢復的工作。
網絡層常用的協議有IP、IPX、APPLETALK等等，其中IP協議更是Internet的基石。在TCP/IP協議體系中，第三層的其他輔助協議還包括ARP(地址解析) 、RARP(反向地址解析)、 ICMP(網際報文控制)和IGMP(組管理協議)等等。由于網絡互連設備都具有路徑選擇功能，所以我們經常將 RIP、OSPF等路選協議也放在這一層討論。
交換
談到交換的問題，從廣義上講，任何數據的轉發都可以稱作交換。當然，現在我們指的是狹義上的交換，僅包括數據鏈路層的轉發。做網絡的人理解交換大多是從交換機開始的，電路交換機在通信網中已經使用了幾十年了，做幀交換的設備，尤其是以太網交換機的大規模使用則是近幾年的事情。
理解以太網交換機的作用還要從網橋的原理講起。傳統以太網是共享型的，如果網段上有四臺計算機A、B 、C和D，那么A與B通信的同時，C和D只能是被動的收聽。假如將纜段分開(即微化)，A、B在一段上，C、D在另一段上，那么A和B通信的同時，C和D也可以通信，這樣原有10M的帶寬從理論上講就變成20M了。同時，為了確保這兩個網段可以互相通信，需要用橋將它們連接起來，橋是有兩塊網卡的計算機，如下圖所示：
在整個網絡剛剛啟動時，橋對網絡的拓樸一無所知。這時，假設A發送數據給B，因為網絡是廣播式的，所以橋也收到了，但橋不知到B在自己的左邊還是右邊，它就進行缺省的轉發，即在另外一塊網卡上發送這個信息。雖然做了一次無用的轉發，但通過這個過程，橋學習到數據的發送者A在自己的左邊。當網絡上的每一臺計算機都發送過數據之后，橋就是智能的了，它了解每一臺計算機在哪一個網段上。當A再發送數據給B時，橋就不進行數據轉發了，與此同時，C可以發送數據給D。
從上面的例子可以看出，橋可以減少網絡沖突發生的幾率，這就是我們使用橋的主要目的，稱作減小沖突域。但橋并不能阻止廣播，廣播信息的隔絕要靠三層的連接設備，路由器。
按照纜段微化的思想，纜段越多，可用帶寬就越高。極限情況是每一臺計算機處在一個獨立的纜段上，如果網絡上有十臺計算機，就需要一個十端口的橋將它們連接起來。但實現這樣一個橋不太現實，軟件轉發的速度也跟不上，于是有了交換機，交換機就是將上述多端口的橋硬件或固件化，以達到更低的成本和更高的性能。
交換機的一個重要的功能是避免交換循環，這就涉及到了STP(Spanning Tree Protocol，分支樹協議)。分支樹協議的功能是避免數據幀在交換機構成的網絡中循環傳送。如下圖所示，如果網絡中有冗余鏈路的話，STP協議現選出根交換機(Route Bridge)，然后確定每一臺非根交換機到根交換機之間的路徑，最后，將此路徑上的所有鏈路置成轉發(Forward)狀態，其余的交換機之間的連接就是冗余鏈路，置為阻塞(Block)狀態。
交換機的另外一個重要功能是VLAN(Virtual LAN，虛擬局域網)。VLAN的好處主要有三個：
端口的分隔。即便在同一個交換機上，處于不同VLAN的端口也是不能通信的。這樣一個物理的交換機可以當作多個邏輯的交換機使用。
網絡的安全。不同VLAN不能直接通信，杜絕了廣播信息的不安全性。
靈活的管理。更改用戶所屬的網絡不必換端口和聯線，只該軟件配置就可以了。
VLAN可以按端口或MAC地址來劃分。
有時，我們需要在交換機所構成的網絡上保持VLAN的配置的一致性。這就需要交換機之間按照VTP(VLAN Trunk Protocol，VLAN骨干協議)交流VLAN信息。VTP協議只在骨干端口(Trunk Port)，即交換機之間的端口上運行。