三層交換技術(shù)探究

郭春光

摘要：三層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就是利用三層交換機在OSI模型的第三層網(wǎng)絡(luò)層進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過三層交換機將網(wǎng)絡(luò)層的功能融入到交換機，以交換機的性能完成路由器的功能，使得網(wǎng)絡(luò)的路由功能分布于整個網(wǎng)絡(luò)中的各個交換節(jié)點上，可以快速完成路由尋徑，降低時延，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。

關(guān)鍵詞：三層交換技術(shù)；探究

一、前言

三層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就是利用三層交換機在OSI模型的第三層網(wǎng)絡(luò)層進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，簡單的講，就是：“二層交換技術(shù)+三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)”，是目前比較成熟的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換技術(shù)。通過三層交換機將網(wǎng)絡(luò)層的功能融入到交換機，以交換機的性能完成路由器的功能，即二層的橋和三層的路由合二為一，使得網(wǎng)絡(luò)的路由功能分布于整個網(wǎng)絡(luò)中的各個交換節(jié)點上，這樣，可以快速完成路由尋徑，降低時延，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。三層交換技術(shù)解決了局域網(wǎng)中網(wǎng)段劃分之后，網(wǎng)段中子網(wǎng)必須依賴路由器進行管理的局面，解決了傳統(tǒng)路由器因低速、復雜造成的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題。

二、三層交換原理

第三層交換工作在OSI的第三層網(wǎng)絡(luò)層，采用流交換技術(shù)。第一個報文被分析以確定其是否標識了一個“流”或者一組具有相同源地址和目的地址的報文。如果第一個報文具有正確的特征，它利用第三層協(xié)議中的IP包的報頭信息，來對后續(xù)數(shù)據(jù)業(yè)務流進行標記，具有同一標記的業(yè)務流的后續(xù)報文都擁有同樣的優(yōu)先權(quán)，被交換到第二層數(shù)據(jù)鏈路層，從而打通源IP地址與目的IP地址之間的一條通路，這條通路經(jīng)過第二層鏈路層。有了這條通路，三層交換機就沒有必要每次將接收到的數(shù)據(jù)包進行拆包來判斷路由，而是直接將數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)流進行交換。

圖1 跨網(wǎng)段數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

為了理解三層交換機的工作原理，我們用圖1作為例子進行說明。假設(shè)站點A和C通過三層交換機進行通信。站點A和C所在網(wǎng)段都屬于交換機上的直連網(wǎng)段，若站點A和C不在同一子網(wǎng)內(nèi)，發(fā)送站A首先要向“缺省網(wǎng)關(guān)”發(fā)出ARP請求報文，而“缺省網(wǎng)關(guān)”的IP地址其實就是三層交換機上站點A所屬VLAN的IP地址。當發(fā)送站A“對缺省網(wǎng)關(guān)”的IP地址廣播一個ARP請求時，交換機就向發(fā)送站A回一個ARP回復報文。告訴站點A交換機此VLAN的MAC地址，同時可以通過軟件把站點A的IP地址、MAC地址、與交換機直接相連的端口號等信息設(shè)置到交換芯片的三層硬件表項中。

站點A收到這個ARP回復報文之后，進行目的MAC地址替換，把要發(fā)給C的包首先發(fā)給交換機。交換機收到這個包以后，同樣首先進行源MAC地址學習，目的MAC地址查找由于此時目的MAC地址為交換機的MAC地址，這種情況下將會把該報文送到交換芯片的三層引擎處理。一般來說，三層引擎會有兩個表，一個是主機路由表，這個表是以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，就會在對報文進行一些操作之后將報文從表中指定的端口發(fā)出去。若主機路由表中沒有找到匹配條目，則會繼續(xù)查找另一個表—網(wǎng)段路由表。這個表存放網(wǎng)段地址、下一跳MAC地址、端口號等信息。一般來說這個表條目要少得多，但覆蓋的范圍很大，只要設(shè)置得當，基本上可以保證大部分進入交換機的報文都要走硬件轉(zhuǎn)發(fā)，這樣不僅大大提高轉(zhuǎn)發(fā)速度，同時也減輕了CPU的負荷。若查找網(wǎng)段路由器表也沒有找到匹配表項，則交換芯片會把包送給CPU處理，進行軟路由。如圖2所示。

圖2 交換機硬件表項的生成

由于站點C屬于交換機的直連網(wǎng)段之一，CPU收到這個IP報文以后，會直接以C的IP為索引檢查ARP緩存，若沒有站點C的MAC地址，則根據(jù)路由信息向C站廣播一個ARP請求，C站得到此ARP請求后向交換機回復其MAC地址，CPU在收到這個ARP回復報文的同時，同樣可以通過軟件把站點C的IP地址、MAC地址、進入交換機的端口號等信息設(shè)置到交換芯片的三層硬件表項中，然后把由站點A發(fā)來的IP報文轉(zhuǎn)發(fā)給站點C，這樣就完成了站點A到站點C的第一次單項通信。如圖3所示。

圖3 交換機向目的網(wǎng)段發(fā)送數(shù)據(jù)

由于芯片內(nèi)部的三層引擎中已經(jīng)保存了站點A、C的路由信息，以后站點A、C之間進行通信或其他網(wǎng)段的站點想要與A、C進行通信，交換芯片則會直接把包從三層硬件表項中指定的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去，而不必再把包交給CPU處理。后續(xù)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)過程如圖4所示。

圖4 后續(xù)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)過程

這種通過“一次路由，多次交換”的方式，大大提高了轉(zhuǎn)發(fā)速度。同時，我們也可以看出三層交換機充分的把交換機和路由器的優(yōu)勢緊密的、有機的結(jié)合在一起[19]。

三、三層交換技術(shù)的特點

由三層交換的原理和工作流程可以得出三層交換的特點如下：

（一）利用三層交換機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)

二層交換機的優(yōu)點在于它造價低廉、端口多，且能實現(xiàn)快速交換。三層交換機的三層路由模塊，直接疊加在二層交換機的高速背板總線上，交換速率可達數(shù)十Gbps。非常適合多媒體數(shù)據(jù)傳輸，這正是校園網(wǎng)需要的，滿足了本院對視頻、音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

（二）利用三層交換機實現(xiàn)校園網(wǎng)的高可擴展性

在使用三層交換機連接多個子網(wǎng)時，各個子網(wǎng)只是與交換機的第三層交換模塊建立邏輯連接，不需要增加端口，可滿足學院3～5年內(nèi)對網(wǎng)絡(luò)應用快速增長的需要。

（三）利用三層交換機實現(xiàn)校園網(wǎng)的經(jīng)濟性

三層交換機雖然性能優(yōu)良、功能強大，但造價卻十分接近二層交換機。一臺普通的三層交換機和一臺高端的二層交換機價格相當。

（四）利用三層交換機實現(xiàn)路由簡潔化

除了必須進行路由選擇的數(shù)據(jù)需要交付路由軟件處理外，絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)都由二層模塊高速轉(zhuǎn)發(fā)。

（五）利用三層交換機實現(xiàn)校園網(wǎng)的安全性

三層交換機內(nèi)置安全機制，可以禁止內(nèi)部用戶訪問某些網(wǎng)站，也可以防止外部用戶非法訪問校園網(wǎng)內(nèi)的資源，提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

四、結(jié)語

本文以深入研究三層交換技術(shù)為基礎(chǔ)，對三層交換技術(shù)進行詳細闡述，首先闡述了三層交換技術(shù)的概念，在此基礎(chǔ)上，通過四張圖詳解三層交換技術(shù)的原理及工作流程，最后總結(jié)出5條三層交換技術(shù)的特點。由于作者學習能力、理解能力有限，不能更為透徹的講解三層交換技術(shù)，但對后學者也有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]潘傳中.校園網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)建設(shè)方案[D]. 成都：電子科技大學，2007.

[2]鄭璐.創(chuàng)建高級交換型互聯(lián)網(wǎng)[M].北京：神州數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)有限公司.76～79.