三層交換技術(shù)

1．引言

　　 在今天的網(wǎng)絡(luò )建設中，新出現的三層交換機已成為我們的首選。它以其高效的性能、優(yōu)良的性能價(jià)格比得到用戶(hù)的認可和贊許。目前，三層交換機在企業(yè)網(wǎng)/校園網(wǎng)建設、智能社區接入等等許多場(chǎng)合中得到了大量的應用，市場(chǎng)的需求和技術(shù)的更新推動(dòng)這種應用向縱深發(fā)展。

2．傳統交換技術(shù)

　　 傳統的局域網(wǎng)交換機是一種二層網(wǎng)絡(luò )設備，它在操作過(guò)程中不斷收集信息去建立起它本身的一個(gè)MAC地址表。這個(gè)表相當簡(jiǎn)單，基本上說(shuō)明了某個(gè)MAC 地址是在哪個(gè)端口上被發(fā)現的。這樣當交換機收到一個(gè)以太網(wǎng)包時(shí)，它便會(huì )查看一下該以太網(wǎng)包的目的MAC地址，核對一下自己的地址表以確認該從哪個(gè)端口把包發(fā)出去。但當交換機收到一個(gè)不認識的包時(shí)，也就是說(shuō)如果目的MAC地址不在MAC地址表中，交換機便會(huì )把該包“擴散”出去，即從所有端口發(fā)出去，就如同交換機收到一個(gè)廣播包一樣，這就暴露出傳統局域網(wǎng)交換機的弱點(diǎn)：不能有效的解決廣播、異種網(wǎng)絡(luò )互連、安全性控制等問(wèn)題。因此，產(chǎn)生了交換機上的VLAN（虛擬局域網(wǎng)）技術(shù)。

3．第三層交換技術(shù)

　　 三層交換（也稱(chēng)多層交換技術(shù)，或IP交換技術(shù)）是相對于傳統交換概念而提出的。眾所周知，傳統的交換技術(shù)是在OSI網(wǎng)絡(luò )標準模型中的第二層DD數據鏈路層進(jìn)行操作的，而三層交換技術(shù)在網(wǎng)絡(luò )模型中的第三層實(shí)現了分組的高速轉發(fā)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，三層交換技術(shù)就是“二層交換技術(shù) + 三層轉發(fā)”。三層交換技術(shù)的出現，解決了局域網(wǎng)中網(wǎng)段劃分之后網(wǎng)段中的子網(wǎng)必須依賴(lài)路由器進(jìn)行管理的局面，解決了傳統路由器低速、復雜所造成的網(wǎng)絡(luò )瓶頸問(wèn)題。

　　 一個(gè)具有三層交換功能的設備，是一個(gè)帶有第三層路由功能的第二層交換機，但它是兩者的有機結合，而不是簡(jiǎn)單地把路由器設備的硬件及軟件疊加在局域網(wǎng)交換機上。我們可以通過(guò)以下例子說(shuō)明三層交換機是如何工作的。

　　 假設兩個(gè)使用IP協(xié)議的站點(diǎn)A、B通過(guò)第三層交換機進(jìn)行通信，發(fā)送站點(diǎn)A在開(kāi)始發(fā)送時(shí)，會(huì )先拿自己的IP地址與B站的IP地址進(jìn)行比較，判斷B站是否與自己在同一子網(wǎng)內。若目的站B與發(fā)送站A在同一子網(wǎng)內，則進(jìn)行二層的轉發(fā)。具體步驟如下：為了得到站點(diǎn)B的 MAC地址，站點(diǎn)A首先發(fā)一個(gè)ARP廣播報文，請求站點(diǎn)B的MAC地址。該ARP請求報文進(jìn)入交換機后，首先進(jìn)行源MAC地址學(xué)習，芯片自動(dòng)把站點(diǎn)A的MAC地址以及進(jìn)入交換機的端口號等信息填入到芯片的MAC地址表中，然后在MAC地址表中進(jìn)行目的地址查找。由于此時(shí)是一個(gè)廣播報文，交換機則會(huì )把這個(gè)廣播報文從進(jìn)入交換機端口所屬的VLAN中進(jìn)行廣播。B站點(diǎn)收到這個(gè)ARP請求報文之后，會(huì )立刻發(fā)送一個(gè)ARP回復報文，這個(gè)報文是一個(gè)單播報文，目的地址為站點(diǎn)A的MAC地址。該包進(jìn)入交換機后，同樣，首先進(jìn)行源MAC地址學(xué)習，然后進(jìn)行目的地址查找，由于此時(shí)MAC地址表中已經(jīng)存在了A站點(diǎn)MAC地址的匹配條目，所以交換機直接把此報文從相應的端口中轉發(fā)出去。通過(guò)以上一次ARP過(guò)程，交換芯片就把站點(diǎn)A和B的信息保存在其MAC地址表中。以后A、B之間進(jìn)行通信或者同一網(wǎng)段的其它站點(diǎn)想要與A或B通信，交換機就知道該把報文從哪個(gè)端口送出。還必須說(shuō)明的一點(diǎn)是，當查找MAC地址表的時(shí)候發(fā)現找不到匹配表項，該報文又不是廣播或多播報文，此時(shí)此報文被稱(chēng)為DLF（Destination Lookup Failure）報文,交換機對此類(lèi)報文的處理就象對收到一個(gè)廣播報文處理一樣，將此報文從進(jìn)入端口所屬的VLAN中擴散出去。從以上過(guò)程可以看出，所有二層轉發(fā)都是由硬件完成的，無(wú)論是MAC地址表的學(xué)習過(guò)程還是目的地址查找確定輸出端口過(guò)程都沒(méi)有軟件進(jìn)行干預。

　　 下面我們看一下兩個(gè)站點(diǎn)通過(guò)三層交換機實(shí)現跨網(wǎng)段通信是怎樣一個(gè)過(guò)程。

　　 如上例，站點(diǎn)A、B通過(guò)三層交換機進(jìn)行通信。站點(diǎn)A和B所在網(wǎng)段都屬于交換機上的直連網(wǎng)段，若站點(diǎn)A和站點(diǎn)B不在同一子網(wǎng)內，發(fā)送站A首先要向其“缺省網(wǎng)關(guān)”發(fā)出ARP請求報文，而“缺省網(wǎng)關(guān)”的IP地址其實(shí)就是三層交換機上站點(diǎn)A所屬VLAN的IP地址。當發(fā)送站A對“缺省網(wǎng)關(guān)”的IP地址廣播出一個(gè)ARP請求時(shí)，交換機就向發(fā)送站A回一個(gè)ARP回復報文，告訴站點(diǎn)A交換機此VLAN的MAC地址，同時(shí)可以通過(guò)軟件把站點(diǎn)A的IP地址、MAC地址、與交換機直接相連的端口號等信息設置到交換芯片的三層硬件表項中。站點(diǎn)A收到這個(gè)ARP回復報文之后，進(jìn)行目的MAC地址替換，把要發(fā)給B的包首先發(fā)給交換機。交換機收到這個(gè)包以后，同樣首先進(jìn)行源MAC地址學(xué)習，目的MAC地址查找，由于此時(shí)目的MAC地址為交換機的MAC地址，在這種情況下將會(huì )把該報文送到交換芯片的三層引擎處理。一般來(lái)說(shuō)，三層引擎會(huì )有兩個(gè)表，一個(gè)是主機路由表，這個(gè)表是以IP地址為索引的，里面存放目的IP地址、下一跳MAC地址、端口號等信息。若找到一條匹配表項，就會(huì )在對報文進(jìn)行一些操作（例如目的MAC與源MAC替換、TTL減1等）之后將報文從表中指定的端口轉發(fā)出去。若主機路由表中沒(méi)有找到匹配條目，則會(huì )繼續查找另一個(gè)表DD網(wǎng)段路由表。這個(gè)表存放網(wǎng)段地址、下一跳MAC地址、端口號等信息。一般來(lái)說(shuō)這個(gè)表的條目要少得多，但覆蓋的范圍很大，只要設置得當，基本上可以保證大部分進(jìn)入交換機的報文都走硬件轉發(fā)，這樣不僅大大提高轉發(fā)速度，同時(shí)也減輕了CPU的負荷。若查找網(wǎng)段路由表也沒(méi)有找到匹配表項，則交換芯片會(huì )把包送給CPU處理，進(jìn)行軟路由。由于站點(diǎn)B屬于交換機的直連網(wǎng)段之一，CPU收到這個(gè)IP報文以后，會(huì )直接以B的IP為索引檢查ARP緩存，若沒(méi)有站點(diǎn)B的MAC地址，則根據路由信息向B站廣播一個(gè)ARP請求，B站得到此ARP請求后向交換機回復其MAC地址，CPU在收到這個(gè)ARP回復報文的同時(shí)，同樣可以通過(guò)軟件把站點(diǎn)B的IP地址、MAC地址、進(jìn)入交換機的端口號等信息設置到交換芯片的三層硬件表項中，然后把由站點(diǎn)A發(fā)來(lái)的IP報文轉發(fā)給站點(diǎn)B，這樣就完成了站點(diǎn)A到站點(diǎn)B的第一次單向通信。由于芯片內部的三層引擎中已經(jīng)保存站點(diǎn)A、B的路由信息，以后站點(diǎn)A、B之間進(jìn)行通信或其它網(wǎng)段的站點(diǎn)想要與A、B進(jìn)行通信，交換芯片則會(huì )直接把包從三層硬件表項中指定的端口轉發(fā)出去，而不必再把包交給CPU處理。這種通過(guò)“一次路由，多次交換”的方式，大大提高了轉發(fā)速度。需要說(shuō)明的是，三層引擎中的路由表項大都是通過(guò)軟件設置的。至于何時(shí)設置、怎么設置并不存在一個(gè)固定的標準，我們在此也不詳細討論。一個(gè)單波IP報文從進(jìn)入三層交換機到轉發(fā)出去一般來(lái)說(shuō)走以下流程：

　　 通過(guò)以上流程我們可以了解報文在交換機中的執行過(guò)程，同時(shí)我們也可以清楚的看出三層交換機是如何充分把傳統交換機和路由器的優(yōu)勢有機的結合在一起。

　　 在實(shí)際應用的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，對于跨網(wǎng)段通信的需求不斷提高，過(guò)去的網(wǎng)絡(luò )在一般情況下按“80/20分配”規則，即只有20%的流量是通過(guò)骨干路由器與中央服務(wù)器或企業(yè)網(wǎng)的其他部分通信，而80%的網(wǎng)絡(luò )流量主要仍集中在不同的部門(mén)子網(wǎng)內。而今天，這個(gè)比例已經(jīng)提高到了50%，甚至80%（倒二八，20/80），這是因為今天的網(wǎng)絡(luò )正在經(jīng)歷著(zhù)諸多應用的集合影響。網(wǎng)絡(luò )應用已經(jīng)超越了組件和電子信函，新型應用已經(jīng)如此迅速和深刻地沖擊著(zhù)網(wǎng)絡(luò )，比如，任何人通過(guò)任何一個(gè)瀏覽器便可進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)設定的網(wǎng)頁(yè)，支持諸如銷(xiāo)售、服務(wù)和財務(wù)之類(lèi)商業(yè)功能的數據倉庫。這種變化對傳統路由器產(chǎn)生了直接的沖擊。因為傳統的路由器更注重對多種介質(zhì)類(lèi)型和多種傳輸速度的支持，而目前數據緩沖和轉換能力比線(xiàn)速吞吐能力和低時(shí)延更為重要。處于網(wǎng)絡(luò )核心位置的路由器的高費用、低性能使其成為網(wǎng)絡(luò )的瓶頸，但由于網(wǎng)絡(luò )間互連的需求，它又是不可缺少的。雖然也開(kāi)發(fā)了高速路由器，但是由于其成本太高，所以?xún)H用于Internet主干部分。三層交換機將二層交換機和三層路由器兩者的優(yōu)勢有機而智能化的結合在一起，在各個(gè)層次上提供線(xiàn)速性能，從而解決了傳統路由器低速、復雜所造成的網(wǎng)絡(luò )瓶頸問(wèn)題。在沒(méi)有廣域網(wǎng)連接需求的場(chǎng)合，用于連接不同子網(wǎng)的傳統路由器正在以極快的速度被三層交換機所代替。

4．小結

　　 三層交換從概念的提出到今天的普及應用，雖然只歷經(jīng)了幾年的時(shí)間，但其在網(wǎng)絡(luò )建設中的應用越來(lái)越廣泛，從最初骨干層、中間的匯聚層一直滲透到邊緣的接入層。三層交換機以其速度快、性能好、價(jià)格低等眾多的優(yōu)勢已經(jīng)把路由器排擠到網(wǎng)絡(luò )的“邊緣”。凡是沒(méi)有廣域網(wǎng)連接需求，同時(shí)又需要路由器的地方，都可以用三層交換機代替。隨著(zhù)ASIC硬件芯片技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應用的推廣，三層交換的技術(shù)與產(chǎn)品會(huì )得到進(jìn)一步發(fā)展。