三層交換技術(shù)高效性能詳解

　　三層交換從概念的提出到今天的普及應用，在今天的網(wǎng)絡(luò )建設中，三層交換機以其高效的性能、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。

　　傳統二層交換技術(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)。

　　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――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。

　　二層交換機通訊過(guò)程

　　假設兩個(gè)使用IP協(xié)議的站點(diǎn)A、B通過(guò)第二層交換機進(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)。

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　　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。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。

　　三層交換機通訊過(guò)程

　　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――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。

　　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。

　　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。三層交換機具有速度快、性能好、價(jià)格低等眾多的優(yōu)勢。

　　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。

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