什么是三層交換三層交換的原理
什么是三層交換三層交換的原理
三層交換解決了局域網(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。那么你對(duì)三層交換了解多少呢?以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于什么是三層交換的內(nèi)容，希望大家喜歡!
三層交換的簡(jiǎn)介
任何一種新技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，都要經(jīng)歷業(yè)界專業(yè)人員對(duì)伴隨這種技術(shù)的新術(shù)語(yǔ)和“技術(shù)行話”進(jìn)行篩選的階段。這些新的技術(shù)術(shù)語(yǔ)往往會(huì)造成迷惑，甚至自相矛盾，具體情況取決于供應(yīng)商使用它們的方式。“第三層交換”和有關(guān)的技術(shù)也不例外，隨著越來越多交換機(jī)和路由器技術(shù)的推出，有關(guān)它們技術(shù)術(shù)語(yǔ)的迷惑只會(huì)增多。
比如，第三層交換、第四層交換、多層交換、多層數(shù)據(jù)包分類和路由交換機(jī)等新術(shù)語(yǔ)就令交換機(jī)和路由器之間的傳統(tǒng)區(qū)別變得模糊起來。此外，由于許多供應(yīng)商在原本用于布線室的第二層交換機(jī)平臺(tái)上提供了第三層交換技術(shù)，從而讓人更加迷惑不解。這些變化使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員很難了解如何部署高效的網(wǎng)絡(luò)解決方案。因此，必須去偽存真，并專注于基礎(chǔ)知識(shí)，才能真正了解何時(shí)、何地以及為什么采用第三層交換。
三層交換的基本原理
第三層交換是在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)中引入路由模塊而取代傳統(tǒng)路由器實(shí)現(xiàn)交換與路由相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它根據(jù)實(shí)際應(yīng)用時(shí)的情況，靈活地在網(wǎng)絡(luò)第二層或者第三層進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段。具有三層交換功能的設(shè)備是一個(gè)帶有第三層路由功能的第二層交換機(jī)。
第三層交換機(jī)的設(shè)計(jì)基于對(duì)IP路由的仔細(xì)分析，把IP路由中每個(gè)報(bào)文都必須經(jīng)過的過程提取出來，這個(gè)過程是十分簡(jiǎn)化的過程。IP路由中絕大多數(shù)報(bào)文是不包含選項(xiàng)的報(bào)文，因此在多數(shù)情況下處理報(bào)文IP選項(xiàng)的工作是多余的。不同網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文長(zhǎng)度是不同的，為了適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)，IP要實(shí)現(xiàn)報(bào)文分片的功能，但是在全以太網(wǎng)的環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)的幀長(zhǎng)度是固定的，因此報(bào)文分片也是一個(gè)可以省略的工作。第三層交換技術(shù)沒有采用路由器的最長(zhǎng)地址掩碼匹配的方法，而是使用了精確地址匹配的方法處理，這樣，有利于硬件的實(shí)現(xiàn)快速查找。它采用了使用高速緩存的方法，經(jīng)常使用的主機(jī)路由放到了硬件查找表中，只有在這個(gè)高速緩存中無法匹配的項(xiàng)目才會(huì)通過軟件去轉(zhuǎn)發(fā)。在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)過程中使用了流交換方式，在流交換中，分析第一個(gè)報(bào)文確定其是否表示了一個(gè)流或者一組具有相同源地址和目的地址的報(bào)文。如果第一個(gè)報(bào)文具有了正確的特征，則該標(biāo)識(shí)流中的后續(xù)報(bào)文將擁有相同的優(yōu)先權(quán)，同一流中的后續(xù)報(bào)文被交換到基于第二層的目的地址上，三層交換機(jī)為了實(shí)現(xiàn)高速交換，都采用流交換方式。其在IP路由的處理上進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化的IP轉(zhuǎn)發(fā)流程，利用專用的ASIC芯片實(shí)現(xiàn)硬件的轉(zhuǎn)發(fā)，這樣絕大多數(shù)的報(bào)文處理都可以在硬件中實(shí)現(xiàn)了，只有極少數(shù)報(bào)文才需要使用軟件轉(zhuǎn)發(fā)，整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)性能能夠得以成千倍地增加，相同性能的設(shè)備在成本上也得到大幅度下降。
每個(gè)VLAN對(duì)應(yīng)一個(gè)IP網(wǎng)段。在二層上，VLAN之間是隔離的，這點(diǎn)跟二層交換機(jī)中交換引擎的功能是一模一樣的。不同IP網(wǎng)段之間的訪問要跨越VLAN，要使用三層轉(zhuǎn)發(fā)引擎提供的VLAN間路由功能。在使用二層交換機(jī)和路由器的組網(wǎng)中，每個(gè)需要與其他IP網(wǎng)段通信的IP網(wǎng)段都需要使用一個(gè)路由器接口作為網(wǎng)關(guān)。而第三層轉(zhuǎn)發(fā)引擎就相當(dāng)于傳統(tǒng)組網(wǎng)中的路由器，當(dāng)需要與其他VLAN通信時(shí)也要在三層交換引擎上分配一個(gè)路由接口，用來做VLAN的網(wǎng)關(guān)。三層交換機(jī)上的這個(gè)路由接口是在三層轉(zhuǎn)發(fā)引擎和二層轉(zhuǎn)發(fā)引擎上的，是通過配置轉(zhuǎn)發(fā)芯片來實(shí)現(xiàn)的，與路由器的接口不同，它是不可見的。下面舉個(gè)例子來說明通信過程。假設(shè)兩個(gè)使用IP協(xié)議的站點(diǎn)A、B通過第三層交換機(jī)進(jìn)行通信，發(fā)送站A在開始發(fā)送時(shí)，把自己的IP地址與B站的IP地址比較，判斷B站是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)，若目的站B與發(fā)送站A在同一子網(wǎng)內(nèi)，則進(jìn)行二層的轉(zhuǎn)發(fā)，若兩個(gè)站點(diǎn)不在同一子網(wǎng)內(nèi)，如發(fā)送站A要與目的站B通信，發(fā)送站A要向三層交換機(jī)的三層交換模塊發(fā)出ARP(地址解析)封包。三層交換模塊解析發(fā)送站A的目的IP地址，向目的IP地址網(wǎng)段發(fā)送ARP請(qǐng)求。B站得到此ARP請(qǐng)求后向三層交換模塊回復(fù)其MAC地址，三層交換模塊保存此地址并回復(fù)給發(fā)送站A，同時(shí)將B站的MAC地址發(fā)送到二層交換引擎的MAC地址表中。從這以后，A向B發(fā)送的數(shù)據(jù)包便全部交給二層交換處理，信息得以高速交換。可見由于僅僅在路由過程中才需要三層處理，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)都通過二層交換轉(zhuǎn)發(fā)，三層交換機(jī)的速度很快，接近二層交換機(jī)的速度。
三層交換的原理
三層交換機(jī)通過硬件來交換和路由選擇數(shù)據(jù)包。為完成在硬件中處理數(shù)據(jù)包的高層信息，Cisco Catalyst交換機(jī)使用傳統(tǒng)的MLS(Multilayer Switching,多層交換)體系結(jié)構(gòu)或基于CEF(Cisco Express Forwarding,Cisco快速轉(zhuǎn)發(fā))的MLS體系結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的MLS是一種老式特性，而所有新型的Catalyst交換機(jī)都支持CEF多層交換。
一個(gè)具有三層交換功能的設(shè)備，是一個(gè)帶有第三層路由功能的第二層交換機(jī)，但它是二者的有機(jī)結(jié)合，并不是簡(jiǎn)單地把路由器設(shè)備的硬件及軟件疊加在局域網(wǎng)交換機(jī)上。
其原理是：假設(shè)兩個(gè)使用IP協(xié)議的站點(diǎn)A、B通過第三層交換機(jī)進(jìn)行通信，發(fā)送站點(diǎn)A在開始發(fā)送時(shí)，把自己的IP地址與B站的IP地址比較，判斷B站是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。若目的站B與發(fā)送站A在同一子網(wǎng)內(nèi)，則進(jìn)行二層的轉(zhuǎn)發(fā)。若兩個(gè)站點(diǎn)不在同一子網(wǎng)內(nèi)，如發(fā)送站A要與目的站B通信，發(fā)送站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地址其實(shí)是三層交換機(jī)的三層交換模塊。當(dāng)發(fā)送站A對(duì)“缺省網(wǎng)關(guān)”的IP地址廣播出一個(gè)ARP請(qǐng)求時(shí)，如果三層交換模塊在以前的通信過程中已經(jīng)知道B站的MAC地址，則向發(fā)送站A回復(fù)B的MAC地址。否則三層交換模塊根據(jù)路由信息向B站廣播一個(gè)ARP請(qǐng)求，B站得到此ARP請(qǐng)求后向三層交換模塊回復(fù)其MAC地址，三層交換模塊保存此地址并回復(fù)給發(fā)送站A,同時(shí)將B站的MAC地址發(fā)送到二層交換引擎的MAC地址表中。從這以后，當(dāng)A向B發(fā)送的數(shù)據(jù)包便全部交給二層交換處理，信息得以高速交換。由于僅僅在路由過程中才需要三層處理，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)都通過二層交換轉(zhuǎn)發(fā)，因此三層交換機(jī)的速度很快，接近二層交換機(jī)的速度，同時(shí)比相同路由器的價(jià)格低很多。
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