三层交换机的工作原理？

三层交换机工作原理是什么？~

　　三层交换机
　　三层交换机就是具有部分路由器功能的交换机，三层交换机的最重要目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具有的路由功能也是为这目的服务的，能够做到一次路由，多次转发。对于数据包转发等规律性的过程由硬件高速实现，而象路由信息更新、路由表维护、路由计算、路由确定等功能，由软件实现。

　　应用背景

　　出于安全和管理方便的考虑，主要是为了减小广播风暴的危害，必须把大型局域网按功能或地域等因素划成一个个小的局域网，这就使VLAN技术在网络中得以大量应用，而各个不同VLAN间的通信都要经过路由器来完成转发，随着网间互访的不断增加。单纯使用路由器来实现网间访问，不但由于端口数量有限，而且路由速度较慢，从而限制了网络的规模和访问速度。基于这种情况三层交换机便应运而生，三层交换机是为IP设计的，接口类型简单，拥有很强二层包处理能力，非常适用于大型局域网内的数据路由与交换，它既可以工作在协议第三层替代或部分完成传统路由器的功能，同时又具有几乎第二层交换的速度，且价格相对便宜些。

　　在企业网和教学网中，一般会将三层交换机用在网络的核心层，用三层交换机上的千兆端口或百兆端口连接不同的子网或VLAN。不过应清醒认识到三层交换机出现最重要的目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具备的路由功能也多是围绕这一目的而展开的，所以它的路由功能没有同一档次的专业路由器强。毕竟在安全、协议支持等方面还有许多欠缺，并不能完全取代路由器工作。

　　在实际应用过程中，典型的做法是：处于同一个局域网中的各个子网的互联以及局域网中VLAN间的路由，用三层交换机来代替路由器，而只有局域网与公网互联之间要实现跨地域的网络访问时，才通过专业路由器。

　　三层交换机工作原理

　　三层交换技术就是二层交换技术＋三层转发技术。传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层——数据链路层进行操作的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。应用第三层交换技术即可实现网络路由的功能，又可以根据不同的网络状况做到最优的网络性能。

　　为什么使用三层交换机？

　　1、网络骨干少不了三层交换

　　要说三层交换机在诸多网络设备中的作用，用“中流砥柱”形容并不为过。在校园网、城域教育网中，从骨干网、城域网骨干、汇聚层都有三层交换机的用武之地，尤其是核心骨干网一定要用三层交换机，否则整个网络成千上万台的计算机都在一个子网中，不仅毫无安全可言，也会因为无法分割广播域而无法隔离广播风暴。

　　如果采用传统的路由器，虽然可以隔离广播，但是性能又得不到保障。而三层交换机的性能非常高，既有三层路由的功能，又具有二层交换的网络速度。二层交换是基于MAC寻址，三层交换则是转发基于第三层地址的业务流；除了必要的路由决定过程外，大部分数据转发过程由二层交换处理，提高了数据包转发的效率。

　　三层交换机通过使用硬件交换机构实现了IP的路由功能，其优化的路由软件使得路由过程效率提高，解决了传统路由器软件路由的速度问题。因此可以说，三层交换机具有“路由器的功能、交换机的性能”。

　　2、连接子网少不了三层交换

　　同一网络上的计算机如果超过一定数量（通常在200台左右，视通信协议而定），就很可能会因为网络上大量的广播而导致网络传输效率低下。为了避免在大型交换机上进行广播所引起的广播风暴，可将其进一步划分为多个虚拟网（VLAN）。但是这样做将导致一个问题：VLAN之间的通信必须通过路由器来实现。但是传统路由器也难以胜任VLAN之间的通信任务，因为相对于局域网的网络流量来说，传统的普通路由器的路由能力太弱。

　　而且千兆级路由器的价格也是非常难以接受的。如果使用三层交换机上的千兆端口或百兆端口连接不同的子网或VLAN，就在保持性能的前提下，经济地解决了子网划分之后子网之间必须依赖路由器进行通信的问题，因此三层交换机是连接子网的理想设备。

　　使用三层交换机的好处：

　　除了优秀的性能之外，三层交换机还具有一些传统的二层交换机没有的特性，这些特性可以给校园网和城域教育网的建设带来许多好处，列举如下。

　　1、高可扩充性

　　三层交换机在连接多个子网时，子网只是与第三层交换模块建立逻辑连接，不像传统外接路由器那样需要增加端口，从而保护了用户对校园网、城域教育网的投资。并满足学校3~5年网络应用快速增长的需要。

　　2、高性价比

　　三层交换机具有连接大型网络的能力，功能基本上可以取代某些传统路由器，但是价格却接近二层交换机。现在一台百兆三层交换机的价格只有几万元，与高端的二层交换机的价格差不多。

　　3、内置安全机制

　　三层交换机可以与普通路由器一样，具有访问列表的功能，可以实现不同VLAN间的单向或双向通讯。如果在访问列表中进行设置，可以限制用户访问特定的IP地址，这样学校就可以禁止学生访问不健康的站点。

　　访问列表不仅可以用于禁止内部用户访问某些站点，也可以用于防止校园网、城域教育网外部的非法用户访问校园网、城域教育网内部的网络资源，从而提高网络的安全。

　　4、适合多媒体传输

　　教育网经常需要传输多媒体信息，这是教育网的一个特色。三层交换机具有QoS（服务质量）的控制功能，可以给不同的应用程序分配不同的带宽。

　　例如，在校园网、城域教育网中传输视频流时，就可以专门为视频传输预留一定量的专用带宽，相当于在网络中开辟了专用通道，其他的应用程序不能占用这些预留的带宽，因此能够保证视频流传输的稳定性。而普通的二层交换机就没有这种特性，因此在传输视频数据时，就会出现视频忽快忽慢的抖动现象。

　　另外，视频点播（VOD）也是教育网中经常使用的业务。但是由于有些视频点播系统使用广播来传输，而广播包是不能实现跨网段的，这样VOD就不能实现跨网段进行；如果采用单播形式实现VOD，虽然可以实现跨网段，但是支持的同时连接数就非常少，一般几十个连接就占用了全部带宽。而三层交换机具有组播功能，VOD的数据包以组播的形式发向各个子网，既实现了跨网段传输，又保证了VOD的性能。

　　5、计费功能

　　在高校校园网及有些地区的城域教育网中，很可能有计费的需求，因为三层交换机可以识别数据包中的IP地址信息，因此可以统计网络中计算机的数据流量，可以按流量计费，也可以统计计算机连接在网络上的时间，按时间进行计费。而普通的二层交换机就难以同时做到这两点。

随着Internet的发展，局域网和广域网技术得到了广泛的推广和应用。数据交换技术从简单的电路交换发展到二层交换，从二层交换又逐渐发展到今天较成熟的三层交换，以致发展到将来的高层交换。
　　三层交换技术就是：二层交换技术＋三层转发技术。它解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。
　　三层交换（也称多层交换技术，或IP交换技术）是相对于传统交换概念而提出的。众所周知，传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层——数据链路层进行操作的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。简单地说，三层交换技术就是：二层交换技术＋三层转发技术。
　　三层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。
　　二层交换技术从网桥发展到VLAN（虚拟局域网），在局域网建设和改造中得到了广泛的应用。第二层交换技术是工作在OSI七层网络模型中的第二层，即数据链路层。它按照所接收到数据包的目的MAC地址来进行转发，对于网络层或者高层协议来说是透明的。它不处理网络层的IP地址，不处理高层协议的诸如TCP、UDP的端口地址，它只需要数据包的物理地址即MAC地址，数据交换是靠硬件来实现的，其速度相当快，这是二层交换的一个显著的优点。但是，它不能处理不同IP子网之间的数据交换。传统的路由器可以处理大量的跨越IP子网的数据包，但是它的转发效率比二层低，因此要想利用二层转发效率高这一优点，又要处理三层IP数据包，三层交换技术就诞生了。
　　一个具有三层交换功能的设备，是一个带有第三层路由功能的第二层交换机，但它是二者的有机结合，并不是简单地把路由器设备的硬件及软件叠加在局域网交换机上。
　　第三层交换工作在OSI七层网络模型中的第三层即网络层，是利用第三层协议中的IP包的包头信息来对后续数据业务流进行标记，具有同一标记的业务流的后续报文被交换到第二层数据链路层，从而打通源IP地址和目的IP地址之间的一条通路。这条通路经过第二层链路层。有了这条通路，三层交换机就没有必要每次将接收到的数据包进行拆包来判断路由，而是直接将数据包进行转发，将数据流进行交换。
　　其原理是：假设两个使用IP协议的站点A、B通过第三层交换机进行通信，发送站点A在开始发送时，把自己的IP地址与B站的IP地址比较，判断B站是否与自己在同一子网内。若目的站B与发送站A在同一子网内，则进行二层的转发。若两个站点不在同一子网内，如发送站A要与目的站B通信，发送站A要向“缺省网关”发出ARP(地址解析)封包，而“缺省网关”的IP地址其实是三层交换机的三层交换模块。当发送站A对“缺省网关”的IP地址广播出一个ARP请求时，如果三层交换模块在以前的通信过程中已经知道B站的MAC地址，则向发送站A回复B的MAC地址。否则三层交换模块根据路由信息向B站广播一个ARP请求，B站得到此ARP请求后向三层交换模块回复其MAC地址，三层交换模块保存此地址并回复给发送站A,同时将B站的MAC地址发送到二层交换引擎的MAC地址表中。从这以后，当A向B发送的数据包便全部交给二层交换处理，信息得以高速交换。由于仅仅在路由过程中才需要三层处理，绝大部分数据都通过二层交换转发，因此三层交换机的速度很快，接近二层交换机的速度，同时比相同路由器的价格低很多。
　　三层交换机可以根据其处理数据的不同而分为纯硬件和纯软件两大类。
　　（1）纯硬件的三层技术相对来说技术复杂，成本高，但是速度快，性能好，带负载能力强。其原理是，采用ASIC芯片，采用硬件的方式进行路由表的查找和刷新。如图1所示。
　　图1
纯硬件三层交换机原理
　　当数据由端口接口芯片接收进来以后，首先在二层交换芯片中查找相应的目的MAC地址，如果查到，就进行二层转发，否则将数据送至三层引擎。在三层引擎中，ASIC芯片查找相应的路由表信息，与数据的目的IP地址相比对，然后发送ARP数据包到目的主机，得到该主机的MAC地址，将MAC地址发到二层芯片，由二层芯片转发该数据包。
　　（2）基于软件的三层交换机技术较简单，但速度较慢，不适合作为主干。其原理是，采用CPU用软件的方式查找路由表。如图2所示。
　　图2
软件三层交换机原理
　　当数据由端口接口芯片接收进来以后，首先在二层交换芯片中查找相应的目的MAC地址，如果查到，就进行二层转发否则将数据送至CPU。CPU查找相应的路由表信息，与数据的目的IP地址相比对，然后发送ARP数据包到目的主机得到该主机的MAC地址，将MAC地址发到二层芯片，由二层芯片转发该数据包。因为低价CPU处理速度较慢，因此这种三层交换机处理速度较慢。
　　近年来宽带IP网络建设成为热点，下面以适合定位于接入层或中小规模汇聚层的第三层交换机产品为例，介绍一些三层交换机的具体技术。在市场上的主流接入第三层交换机，主要有Cisco的Catalyst
2948G-L3、Extreme的Summit24和AlliedTelesyn的Rapier24等，这几款三层交换机产品各具特色，涵盖了三层交换机大部分应用特性。当然在选择第三层交换机时，用户可根据自己的需要，判断并选择上述产品或其他厂家的产品，如北电网络的Passport/Acceler系列、原Cabletron的SSR系列（在Cabletron一分四后，大部分SSR三层交换机已并入Riverstone公司）、Avaya的Cajun
M系列、3Com的Superstack3
4005系列等。此外，国产网络厂商神州数码网络、TCL网络、上海广电应确信、紫光网联、首信等都已推出了三层交换机产品。下面就其中三款产品进行介绍，使您能够较全面地了解三层交换机，并针对自己的情况选择合适的机型。
　　Cisco
Catalyst
2948G-L3交换机结合业界标准IOS提供完整解决方案，在版本12.0(10)以上全面支持IOS访问控制列表
ACL，配合核心Catalyst
6000，可完成端到端全面宽带城域网的建设（Catalyst
6000使用MSFC模块完成其多层交换服务，并已停止使用RSM路由交换模块，IOS版本6.1以上全面支持ACL)。
　　Extreme公司三层交换产品解决方案，能够提供独特的以太网带宽分配能力，切割单位为500kbps或200kbps，服务供应商可以根据带宽使用量收费，可实现音频和视频的固定延迟传输。
　　AlliedTelesyn公司Rapier24三层交换机提供的PPPoE特性，丰富和完善了用户认证计费手段，可适合多种接入网络，应用灵活，易于实现业务选择，同时又保护目前用户的已有投资，另可配合NAT（网络地址转换）和DHCP的Server等功能，为许多服务供应商看好。
　　总之，三层交换机从概念的提出到今天的普及应用，虽然只历经了几年的时间，但其扩展的功能也不断结合实际应用得到丰富。随着ASIC硬件芯片技术的发展和实际应用的推广，三层交换的技术与产品也会得到进一步发展。
　　三层交换技术可以在以太网交换机和ATM交换机中实现，其实现的原理一样，但实现的复杂程度稍有不同，封装方式不同。
　　基于不同的考虑，各公司的产品在具体的实现上略有不同，采用的芯片也有不同，有的公司采用ASIC，有的采用RISC，有的采用网络处理器等等。当然，采用不同等级的芯片，对数据包的转发效率，网络流量的控制和三层交换机的整体性能是有影响的。
　　在当今信息高速发展过程中，三层交换机广泛地应用到了一些大型企业网和教育网中，尤其是ATM交换机在网络建设中更为火爆，广泛地深入到了网络的骨干层、汇聚层和接入层。
　　建立大容量的三层交换系统是当今网络设备制造商的当务之急，中兴通讯公司的宽带网络产品ZXB10系列正是基于这种考虑而研制出的，具有三层交换技术业务的ZXB10系列包括四个品种，即ZXB10-BX：宽带核心交换机；ZXB10-AX：
宽带接入交换机；
ZXB10-MX：
宽带业务复用器；ZXB10-SX：宽带业务接入器，均属于ATM交换机系列。

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