智能制造網(wǎng)技術(shù)文章
三層交換機的原理
閱讀：2422 發(fā)布時間：2011-9-29
本文在介紹三層交換技術(shù)和三層交換機工作原理的基礎(chǔ)上，依照該設(shè)計實現(xiàn)的三層交換機已投入實際運行。
關(guān)鍵詞：交換；路由；三層交換機
1.引言傳統(tǒng)路由器在網(wǎng)絡(luò)中起到隔離網(wǎng)絡(luò)、隔離廣播、路由轉(zhuǎn)發(fā)以及防火墻的作業(yè)，并且隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，路由器的負(fù)荷也在迅速增長。其中一個重要原因是出于安全和管理方便等方面的考慮，VLAN（虛擬局域網(wǎng)）技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中大量應(yīng)用。VLAN技術(shù)可以邏輯隔離各個不同的網(wǎng)段、端口甚至主機，而各個不同VLAN間的通信都要經(jīng)過路由器來完成轉(zhuǎn)發(fā)。由于局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)流量很大，VLAN間大量的信息交換都要通過路由器來完成轉(zhuǎn)發(fā)，這時候隨著數(shù)據(jù)流量的不斷增長路由器就成為了網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。為了解決局域網(wǎng)絡(luò)的這個瓶頸，很多企業(yè)內(nèi)部、學(xué)校和小區(qū)*域網(wǎng)時都采用了三層交換機。三層交換技術(shù)將交換技術(shù)引入到網(wǎng)絡(luò)層，三層交換機的應(yīng)用也從zui初網(wǎng)絡(luò)中心的骨干層、匯聚層一直滲透到網(wǎng)絡(luò)邊緣的接入層。
2.第三層交換技術(shù)
2.1三層交換的概念第三層交換技術(shù)也稱為IP交換技術(shù)或高速路由技術(shù)等，是相對于傳統(tǒng)交換概念而提出的。*，傳統(tǒng)的交換技術(shù)是在OSI網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)模型中的第二層—數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行操作的，而第三層交換技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)。簡單地說，第三層交換技術(shù)就是：第二層交換技術(shù)＋第三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，這是一種利用第三層協(xié)議中的信息來加強第二層交換功能的機制。一個具有第三層交換功能的設(shè)備是一個帶有第三層路由功能的第二層交換機，但它是二者的有機結(jié)合，并不是簡單地把路由器設(shè)備的硬件及軟件簡單地疊加在局域網(wǎng)交換機上。
2.2三層交換的原理從硬件的實現(xiàn)上看，目前，第二層交換機的接口模塊都是通過高速背板/總線交換數(shù)據(jù)的。在第三層交換機中，與路由器有關(guān)的第三層路由硬件模塊也插接在高速背板/總線上，這種方式使得路由模塊可以與需要路由的其他模塊間高速地交換數(shù)據(jù)，從而突破了傳統(tǒng)的外接路由器接口速率的限制（10Mbit/s——100Mbit/s）。在軟件方面，第三層交換機將傳統(tǒng)的基于軟件的路由器重新進(jìn)行了界定：
?。?）數(shù)據(jù)封包的轉(zhuǎn)發(fā)：如IP/IPX封包的轉(zhuǎn)發(fā)，這些有規(guī)律的過程通過硬件高速實現(xiàn)；
?。?）第三層路由軟件：如路由信息的更新、路由表維護(hù)、路由計算、路由的確定等功能，用優(yōu)化、的軟件實現(xiàn)。
假設(shè)有兩個使用IP協(xié)議的站點，通過第三層交換機進(jìn)行通信的過程為：若發(fā)送站點A在開始發(fā)送時，已知目的站B的IP地址，但尚不知道它在局域網(wǎng)上發(fā)送所需要的MAC地址，則需要采用地址解析（ARP）來確定B的MAC地址。A把自己的IP地址與B的IP地址比較，采用其軟件中配置的子網(wǎng)掩碼提取出網(wǎng)絡(luò)地址來確定B是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。若B與A在同一子網(wǎng)內(nèi)，A廣播一個ARP請求，B返回其MAC地址，A得到B的MAC地址后將這一地址緩存起來，并用此MAC地址封包轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，第二層交換模塊查找MAC地址表確定將數(shù)據(jù)包發(fā)向目的端口。若兩個站點不在同一子網(wǎng)內(nèi)，則A要向"缺省網(wǎng)關(guān)"發(fā)出ARP（地址解析）封包，而"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP地址已經(jīng)在系統(tǒng)軟件中設(shè)置，這個IP地址實際上對應(yīng)第三層交換機的第三層交換模塊。當(dāng)A對"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP地址廣播出一個ARP請求時，若第三層交換模塊在以往的通信過程中已得到B的MAC地址，則向發(fā)送站A回復(fù)B的MAC地址；否則第三層交換模塊根據(jù)路由信息向目的站廣播一個ARP請求，B得到此ARP請求后向第三層交換模塊回復(fù)其MAC地址，第三層交換模塊保存此地址并回復(fù)給發(fā)送站A.以后，當(dāng)再進(jìn)行A與B之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時，將用zui終的目的站點的MAC地址封包，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程全部交給第二層交換處理，信息得以高速交換2.3第三層交換的特點突出的特點如下：
（1）有機的硬件結(jié)合使得數(shù)據(jù)交換加速；
（2）優(yōu)化的路由軟件使得路由過程效率提高；
?。?）除了必要的路由決定過程外，大部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程由第二層交換處理；
（4）多個子網(wǎng)互連時只是與第三層交換模塊的邏輯連接，不象傳統(tǒng)的外接路由器那樣需增加端口，保護(hù)了用戶的投資。
第三層交換的目標(biāo)是，只要在源地址和目的地址之間有一條更為直接的第二層通路，就沒有必要經(jīng)過路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。第三層交換使用第三層路由協(xié)議確定傳送路徑，此路徑可以只用一次，也可以存儲起來，供以后使用。之后數(shù)據(jù)包通過一條虛電路繞過路由器快速發(fā)送。
第三層交換技術(shù)的出現(xiàn)，解決了局域網(wǎng)中網(wǎng)段劃分之后，網(wǎng)段中子網(wǎng)必須依賴路由器進(jìn)行管理的局面，解決了傳統(tǒng)路由器低速、復(fù)雜所造成的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題。當(dāng)然，三層交換技術(shù)并不是網(wǎng)絡(luò)交換機與路由器的簡單疊加，而是二者的有機結(jié)合，形成一個集成的、完整的解決方案。
3.第三層交換機的應(yīng)用
第三層交換機的主要用途是代替?zhèn)鹘y(tǒng)路由器作為網(wǎng)絡(luò)的核心，因此，凡是沒有廣域連接需求，同時又需要路由器的地方，都可以用第三層交換機來代替。在企業(yè)網(wǎng)和行業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，一般會將第三層交換機用在網(wǎng)絡(luò)的核心層，用第三層交換機上的千兆端口或百兆端口連接不同的子網(wǎng)或VLAN.第三層交換機解決了局域網(wǎng)VLAN必須依賴路由器進(jìn)行管理的局面，解決了傳統(tǒng)路由器速度低、復(fù)雜所造成的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題。利用三層交換機在局域網(wǎng)中劃分VLAN，可以滿足用戶端多種靈活的邏輯組合，防止了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生，對不同VLAN之間可以根據(jù)需要設(shè)定不同的訪問權(quán)限，以此增加網(wǎng)絡(luò)的整體安全性，極大地提高網(wǎng)絡(luò)管理員的工作效率，而且第三層交換機可以合理配置信息資源，降低網(wǎng)絡(luò)配置成本，使得交換機之間連接變得靈活。
關(guān)鍵詞：交換；路由；三層交換機
1.引言傳統(tǒng)路由器在網(wǎng)絡(luò)中起到隔離網(wǎng)絡(luò)、隔離廣播、路由轉(zhuǎn)發(fā)以及防火墻的作業(yè)，并且隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，路由器的負(fù)荷也在迅速增長。其中一個重要原因是出于安全和管理方便等方面的考慮，VLAN（虛擬局域網(wǎng)）技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中大量應(yīng)用。VLAN技術(shù)可以邏輯隔離各個不同的網(wǎng)段、端口甚至主機，而各個不同VLAN間的通信都要經(jīng)過路由器來完成轉(zhuǎn)發(fā)。由于局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)流量很大，VLAN間大量的信息交換都要通過路由器來完成轉(zhuǎn)發(fā)，這時候隨著數(shù)據(jù)流量的不斷增長路由器就成為了網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。為了解決局域網(wǎng)絡(luò)的這個瓶頸，很多企業(yè)內(nèi)部、學(xué)校和小區(qū)*域網(wǎng)時都采用了三層交換機。三層交換技術(shù)將交換技術(shù)引入到網(wǎng)絡(luò)層，三層交換機的應(yīng)用也從zui初網(wǎng)絡(luò)中心的骨干層、匯聚層一直滲透到網(wǎng)絡(luò)邊緣的接入層。
2.第三層交換技術(shù)
2.1三層交換的概念第三層交換技術(shù)也稱為IP交換技術(shù)或高速路由技術(shù)等，是相對于傳統(tǒng)交換概念而提出的。*，傳統(tǒng)的交換技術(shù)是在OSI網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)模型中的第二層—數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行操作的，而第三層交換技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)。簡單地說，第三層交換技術(shù)就是：第二層交換技術(shù)＋第三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，這是一種利用第三層協(xié)議中的信息來加強第二層交換功能的機制。一個具有第三層交換功能的設(shè)備是一個帶有第三層路由功能的第二層交換機，但它是二者的有機結(jié)合，并不是簡單地把路由器設(shè)備的硬件及軟件簡單地疊加在局域網(wǎng)交換機上。
2.2三層交換的原理從硬件的實現(xiàn)上看，目前，第二層交換機的接口模塊都是通過高速背板/總線交換數(shù)據(jù)的。在第三層交換機中，與路由器有關(guān)的第三層路由硬件模塊也插接在高速背板/總線上，這種方式使得路由模塊可以與需要路由的其他模塊間高速地交換數(shù)據(jù)，從而突破了傳統(tǒng)的外接路由器接口速率的限制（10Mbit/s——100Mbit/s）。在軟件方面，第三層交換機將傳統(tǒng)的基于軟件的路由器重新進(jìn)行了界定：
?。?）數(shù)據(jù)封包的轉(zhuǎn)發(fā)：如IP/IPX封包的轉(zhuǎn)發(fā)，這些有規(guī)律的過程通過硬件高速實現(xiàn)；
?。?）第三層路由軟件：如路由信息的更新、路由表維護(hù)、路由計算、路由的確定等功能，用優(yōu)化、的軟件實現(xiàn)。
假設(shè)有兩個使用IP協(xié)議的站點，通過第三層交換機進(jìn)行通信的過程為：若發(fā)送站點A在開始發(fā)送時，已知目的站B的IP地址，但尚不知道它在局域網(wǎng)上發(fā)送所需要的MAC地址，則需要采用地址解析（ARP）來確定B的MAC地址。A把自己的IP地址與B的IP地址比較，采用其軟件中配置的子網(wǎng)掩碼提取出網(wǎng)絡(luò)地址來確定B是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。若B與A在同一子網(wǎng)內(nèi)，A廣播一個ARP請求，B返回其MAC地址，A得到B的MAC地址后將這一地址緩存起來，并用此MAC地址封包轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，第二層交換模塊查找MAC地址表確定將數(shù)據(jù)包發(fā)向目的端口。若兩個站點不在同一子網(wǎng)內(nèi)，則A要向"缺省網(wǎng)關(guān)"發(fā)出ARP（地址解析）封包，而"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP地址已經(jīng)在系統(tǒng)軟件中設(shè)置，這個IP地址實際上對應(yīng)第三層交換機的第三層交換模塊。當(dāng)A對"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP地址廣播出一個ARP請求時，若第三層交換模塊在以往的通信過程中已得到B的MAC地址，則向發(fā)送站A回復(fù)B的MAC地址；否則第三層交換模塊根據(jù)路由信息向目的站廣播一個ARP請求，B得到此ARP請求后向第三層交換模塊回復(fù)其MAC地址，第三層交換模塊保存此地址并回復(fù)給發(fā)送站A.以后，當(dāng)再進(jìn)行A與B之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時，將用zui終的目的站點的MAC地址封包，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程全部交給第二層交換處理，信息得以高速交換2.3第三層交換的特點突出的特點如下：
（1）有機的硬件結(jié)合使得數(shù)據(jù)交換加速；
（2）優(yōu)化的路由軟件使得路由過程效率提高；
?。?）除了必要的路由決定過程外，大部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程由第二層交換處理；
（4）多個子網(wǎng)互連時只是與第三層交換模塊的邏輯連接，不象傳統(tǒng)的外接路由器那樣需增加端口，保護(hù)了用戶的投資。
第三層交換的目標(biāo)是，只要在源地址和目的地址之間有一條更為直接的第二層通路，就沒有必要經(jīng)過路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。第三層交換使用第三層路由協(xié)議確定傳送路徑，此路徑可以只用一次，也可以存儲起來，供以后使用。之后數(shù)據(jù)包通過一條虛電路繞過路由器快速發(fā)送。
第三層交換技術(shù)的出現(xiàn)，解決了局域網(wǎng)中網(wǎng)段劃分之后，網(wǎng)段中子網(wǎng)必須依賴路由器進(jìn)行管理的局面，解決了傳統(tǒng)路由器低速、復(fù)雜所造成的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題。當(dāng)然，三層交換技術(shù)并不是網(wǎng)絡(luò)交換機與路由器的簡單疊加，而是二者的有機結(jié)合，形成一個集成的、完整的解決方案。
3.第三層交換機的應(yīng)用
第三層交換機的主要用途是代替?zhèn)鹘y(tǒng)路由器作為網(wǎng)絡(luò)的核心，因此，凡是沒有廣域連接需求，同時又需要路由器的地方，都可以用第三層交換機來代替。在企業(yè)網(wǎng)和行業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，一般會將第三層交換機用在網(wǎng)絡(luò)的核心層，用第三層交換機上的千兆端口或百兆端口連接不同的子網(wǎng)或VLAN.第三層交換機解決了局域網(wǎng)VLAN必須依賴路由器進(jìn)行管理的局面，解決了傳統(tǒng)路由器速度低、復(fù)雜所造成的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題。利用三層交換機在局域網(wǎng)中劃分VLAN，可以滿足用戶端多種靈活的邏輯組合，防止了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生，對不同VLAN之間可以根據(jù)需要設(shè)定不同的訪問權(quán)限，以此增加網(wǎng)絡(luò)的整體安全性，極大地提高網(wǎng)絡(luò)管理員的工作效率，而且第三層交換機可以合理配置信息資源，降低網(wǎng)絡(luò)配置成本，使得交換機之間連接變得靈活。