三層交換機技術解析

2019-11-05 01:54:16

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供稿：網友

　　三層交換技術的出現，解決了局域網中網段劃分之后，網段中子網必須依靠路由器進行治理的局面，解決了傳統路由器低速、復雜所造成的網絡瓶頸等問題。
三層交換原理

一個具有三層交換功能的設備，相當于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合，并不是簡單地把路由器設備的硬件及軟件疊加在局域網交換機上。

其原理是：假設兩個使用ip協議的主機A、B通過第三層交換機進行通信，發送主機A在開始發送時，把自己的IP地址與B主機的IP地址比較，判定B主機是否與自己在同一子網內。若B與A在同一子網內，則進行二層的轉發。若兩個主機不在同一子網內，如A要與目的主機B通信，發送主機A要向“缺省網關”發出 ARP(地址解析)封包，而“缺省網關”的IP地址其實是三層交換機的三層交換模塊。當發送主機A對“缺省網關”的IP地址廣播出一個ARP請求時，假如三層交換模塊在以前的通信過程中已經知道B主機的MAC地址，則向A回復B的MAC地址；否則三層交換模塊根據路由信息向B廣播一個ARP請求，B得到此 ARP請求后向三層交換模塊回復其MAC地址，三層交換模塊保存此地址并回復給發送主機A,同時將B主機的MAC地址發送到二層交換引擎的MAC地址表中。從這以后，當A向B發送的數據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，絕大部分數據都通過二層交換轉發，因此三層交換機的速度很快，接近二層交換機的速度，同時比相同路由器的價格低很多。

因為通信雙方并沒有通過路由器進行“拆包”和“打包”的過程，所以那怕主機A、B或C分屬于不同的子網，它們之間也可直接知道對方的MAC地址來進行通信，最重要的是，第三層交換機并沒有像其它交換機一樣把廣播封包擴散，第三層交換機之所以叫三層交換機就是因為它可以看懂三層信息，比如IP地址、 ARP等。所以，三層交換機便能洞悉某一廣播封包目的何在，在沒有把它擴散出去的情形下，同時滿足了發出該廣播封包的人的需求(不論它們在任何子網里)。因為第三層交換機沒做任何“拆、打”數據包的工作，所有經過它的數據包都不會被修改并以交換的速度傳到目的地。所以，應用第三層交換技術即可實現網絡路由的功能，又可以根據不同的網絡狀況做到最優的網絡性能。

三層交換機種類

三層交換機可以根據其處理數據的不同而分為純硬件和純軟件兩大類。

(1)純硬件的三層技術相對來說技術復雜，成本高，但是速度快，性能好，負載能力強。其原理是，采用ASIC芯片，采用硬件的方式進行路由表的查找和刷新。如圖1所示。

當數據由端口接口芯片接收進來以后，首先在二層交換芯片中查找相應的目的MAC地址，假如查到，就進行二層轉發，否則將數據送至三層引擎。在三層引擎中，ASIC芯片查找相應的路由表信息，與數據的目的IP地址相比對，然后發送ARP數據包到目的主機，得到該主機的MAC地址，將MAC地址發到二層芯片，由二層芯片轉發該數據包。

圖1 純硬件三層交換機原理
① 端口A向三層交換模塊發出ARP請求 ② 三層交換模塊向端口B所在網段廣播ARP請求 ③ 端口B的ARP應答 ④ 更新MAC地址表

廣州百訊的SPEED ES3224及ES3800都屬于這種類型。

(2)基于軟件的三層交換機技術較簡單，但速度較慢，不適合作為主干。其原理是，采用CPU用軟件的方式查找路由表。如圖2所示。

當數據由端口接口芯片接收進來以后，首先在二層交換芯片中查找相應的目的MAC地址，假如查到，就進行二層轉發否則將數據送至CPU。CPU查找相應的路由表信息，與數據的目的IP地址相比對，然后發送ARP數據包到目的主機得到該主機的MAC地址，將MAC地址發到二層芯片，由二層芯片轉發該數據包。因為低價CPU處理速度較慢，因此這種三層交換機處理速度較慢。

圖2 軟件三層交換機原理
① 端口A向三層交換模塊發出ARP請求 ② 三層交換模塊向端口B所在網段廣播ARP請求 ③ 端口B的ARP應答 ④ 更新MAC地址表

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