三層交換機的應用層面

隨著三層交換技術的普及，三層交換機的應用環(huán)境也發(fā)生了很大的變化，它已從網(wǎng)絡核心層向匯聚層甚至是邊緣層邁進。這一改變首先帶來了其應用比例大大提升，特別是在金融、教育和交通行業(yè)得到較多應用。

核心層主要用于大規(guī)模數(shù)據(jù)的傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)，而且要盡可能的減少廣播風暴所帶來的負面影響。普通的二層交換機雖然能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，但不具備路由轉(zhuǎn)發(fā)和分割廣播域的功能;路由器能分割廣播域，但又不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)。三層交換機的性能正好彌補了上述缺點，既有三層路由的功能，又具有二層交換的網(wǎng)絡速度，正好滿足這一需求。

匯聚層出于應用的考慮，最好也使用三層交換機。現(xiàn)在的網(wǎng)絡要應付大數(shù)據(jù)包傳輸所帶來的負載，并且要盡可能的減少延遲等不利因素;另一方面，安全意識的增強，身份認證等安全策略被廣泛應用，這些都是二層交換機所不具備的功能。

接入層會連接大量的計算機和服務器等終端設備，就很可能會因為網(wǎng)絡上大量的廣播而導致網(wǎng)絡傳輸效率低下，為了減少核心的負擔，我們往往在這一層就應用VLAN技術，而要想使不同VLAN進行通信，就必須使用具有路由功能的三層交換機，這樣就在保證性能的前提下，經(jīng)濟地解決了子網(wǎng)劃分之后子網(wǎng)之間通信必須依賴路由器的問題。

可見，從一個中等規(guī)模的校園網(wǎng)到企業(yè)的骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)骨干、匯聚層都是三層交換機的用武之地。它的應用也從最初的骨干層、匯聚層一直滲透到邊緣的接入層。在目前火爆的寬帶網(wǎng)絡建設中，三層交換機一般被放置在小區(qū)的中心和多個小區(qū)的匯聚層。三層交換機的出現(xiàn)，極大改變了局域網(wǎng)的性能。正如路由器統(tǒng)治廣域網(wǎng)一樣，三層交換機將在今后主宰局域網(wǎng)已成為必然。

二層交換機與三層交換機的組網(wǎng)性能比較

二層交換機與三層交換機應用都非常廣泛，于是我研究了一下二層交換機與三層交換機的組網(wǎng)性能比較，在這里拿出來和大家分享一下，希望對大家有用。二層交換技術是發(fā)展比較成熟，二層交換機屬數(shù)據(jù)鏈路層設備，可以識別數(shù)據(jù)包中的MAC地址信息，根據(jù)MAC地址進行轉(zhuǎn)發(fā)，并將這些MAC地址與對應的端口記錄在自己內(nèi)部的一個地址表中。具體的工作流程如下：

（1） 當二層交換機從某個端口收到一個數(shù)據(jù)包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機器是連在哪個端口上的；

（2） 再去讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找相應的端口；

（3） 如表中有與這目的MAC地址對應的端口，把數(shù)據(jù)包直接復制到這端口上；

（4） 如表中找不到相應的端口則把數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上，當目的機器對源機器回應時，交換機又可以學習一目的MAC地址與哪個端口對應，在下次傳送數(shù)據(jù)時就不再需要對所有端口進行廣播了，不斷的循環(huán)這個過程，對于全網(wǎng)的MAC地址信息都可以學習到，二層交換機就是這樣建立和維護它自己的地址表。從二層交換機的工作原理可以推知以下三點：

（1） 由于二層交換機對多數(shù)端口的數(shù)據(jù)進行同時交換，這就要求具有很寬的交換總線帶寬，如果二層交換機有N個端口，每個端口的帶寬是M，交換機總線帶寬超過N×M，那么這交換機就可以實現(xiàn)線速交換；

（2） 學習端口連接的機器的MAC地址，寫入地址表，地址表的大?。ㄒ话銉煞N表示方式：一為BEFFER RAM，一為MAC表項數(shù)值），地址表大小影響交換機的接入容量；

（3） 還有一個就是二層交換機一般都含有專門用于處理數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的ASIC（Application specific Integrated Circuit）芯片，因此轉(zhuǎn)發(fā)速度可以做到非?？?。由于各個廠家采用ASIC不同，直接影響產(chǎn)品性能。以上三點也是評判二三層交換機性能優(yōu)劣的主要技術參數(shù)，這一點請大家在考慮設備選型時注意比較。

路由技術

路由器工作在OSI模型的第三層---網(wǎng)絡層操作，其工作模式與二層交換相似，但路由器工作在第三層，這個區(qū)別決定了路由和交換在傳遞包時使用不同的控制信息，實現(xiàn)功能的方式就不同。工作原理是在路由器的內(nèi)部也有一個表，這個表所標示的是如果要去某一個地方，下一步應該向那里走，如果能從路由表中找到數(shù)據(jù)包下一步往那里走，把鏈路層信息加上轉(zhuǎn)發(fā)出去；如果不能知道下一步走向那里，則將此包丟棄，然后返回一個信息交給源地址。

路由技術實質(zhì)上來說不過兩種功能：決定最優(yōu)路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。路由表中寫入各種信息，由路由算法計算出到達目的地址的最佳路徑，然后由相對簡單直接的轉(zhuǎn)發(fā)機制發(fā)送數(shù)據(jù)包。接受數(shù)據(jù)的下一臺路由器依照相同的工作方式繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，依次類推，直到數(shù)據(jù)包到達目的路由器。

而路由表的維護，也有兩種不同的方式。一種是路由信息的更新，將部分或者全部的路由信息公布出去，路由器通過互相學習路由信息，就掌握了全網(wǎng)的拓撲結構，這一類的路由協(xié)議稱為距離矢量路由協(xié)議；另一種是路由器將自己的鏈路狀態(tài)信息進行廣播，通過互相學習掌握全網(wǎng)的路由信息，進而計算出最佳的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，這類路由協(xié)議稱為鏈路狀態(tài)路由協(xié)議。由于路由器需要做大量的路徑計算工作，一般處理器的工作能力直接決定其性能的優(yōu)劣。當然這一判斷還是對中低端路由器而言，因為高端路由器往往采用分布式處理系統(tǒng)體系設計。

三層交換技術

近年來的對三層交換機技術的宣傳，耳朵都能起繭子，到處都在喊三層技術，有人說這是個非常新的技術，也有人說，三層交換機嘛，不就是路由器和二層交換機的堆疊，也沒有什么新的玩意，事實果真如此嗎？下面先來通過一個簡單的網(wǎng)絡來看看三層交換機的工作過程。

組網(wǎng)比較簡單

比如A要給B發(fā)送數(shù)據(jù)，已知目的IP，那么A就用子網(wǎng)掩碼取得網(wǎng)絡地址，判斷目的IP是否與自己在同一網(wǎng)段。如果在同一網(wǎng)段，但不知道轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)所需的MAC地址，A就發(fā)送一個ARP請求，B返回其MAC地址，A用此MAC封裝數(shù)據(jù)包并發(fā)送給交換機，交換機起用二層交換模塊，查找MAC地址表，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到相應的端口。如果目的IP地址顯示不是同一網(wǎng)段的，那么A要實現(xiàn)和B的通訊，在流緩存條目中沒有對應MAC地址條目，就將第一個正常數(shù)據(jù)包發(fā)送向一個缺省網(wǎng)關，這個缺省網(wǎng)關一般在操作系統(tǒng)中已經(jīng)設好，對應第三層路由模塊，所以可見對于不是同一子網(wǎng)的數(shù)據(jù)，最先在MAC表中放的是缺省網(wǎng)關的MAC地址；然后就由三層模塊接收到此數(shù)據(jù)包，查詢路由表以確定到達B的路由，將構造一個新的幀頭，其中以缺省網(wǎng)關的MAC地址為源MAC地址，以主機B的MAC地址為目的MAC地址。通過一定的識別觸發(fā)機制，確立主機A與B的MAC地址及轉(zhuǎn)發(fā)端口的對應關系，并記錄進流緩存條目表，以后的A到B的數(shù)據(jù)，就直接交由二層交換模塊完成。這就通常所說的一次路由多次轉(zhuǎn)發(fā)。

以上就是三層交換機工作過程的簡單概括，可以看出三層交換的特點：由硬件結合實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)。這就不是簡單的二層交換機和路由器的疊加，三層路由模塊直接疊加在二層交換的高速背板總線上，突破了傳統(tǒng)路由器的接口速率限制，速率可達幾十Gbit/s。算上背板帶寬，這些是三層交換機性能的兩個重要參數(shù)。簡潔的路由軟件使路由過程簡化。大部分的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，除了必要的路由選擇交由路由軟件處理，都是又二層模塊高速轉(zhuǎn)發(fā)，路由軟件大多都是經(jīng)過處理的高效優(yōu)化軟件，并不是簡單照搬路由器中的軟件。