三層交換技術(shù)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(guò)的過(guò)程提取出來(lái)，這個(gè)過(guò)程是十分簡(jiǎn)化的過(guò)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(méi)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(wú)法匹配的項(xiàng)目才會(huì)通過(guò)軟件去轉(zhuǎn)發(fā)。在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)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(zhuān)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(fǎng)問(wèn)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(lái)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(guò)配置轉(zhuǎn)發(fā)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與路由器的接口不同，它是不可見(jiàn)的。下面舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)明通信過(guò)程。

　　假設(shè)兩個(gè)使用IP協(xié)議的站點(diǎn)A、B通過(guò)第三層交換機(jī)進(jìn)行通信，發(fā)送站A在開(kāi)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?？梢?jiàn)由于僅僅在路由過(guò)程中才需要三層處理，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)都通過(guò)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。

　　三層交換技術(shù)的工作原理

　　第三層交換工作在OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層即網(wǎng)絡(luò)層，是利用第三層協(xié)議中的IP包的包頭信息來(lái)對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流進(jìn)行標(biāo)記，具有同一標(biāo)記的業(yè)務(wù)流的后續(xù)報(bào)文被交換到第二層數(shù)據(jù)鏈路層。

　　從而打通源IP地址和目的IP地址之間的一條通路。這條通路經(jīng)過(guò)第二層鏈路層。有了這條通路，三層交換機(jī)就沒(méi)有必要每次將接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包來(lái)判斷路由，而是直接將數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)流進(jìn)行交換。