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詳析三層交換原理
三層交換原理一直是許多讀者朋友最難理解的，在日常的讀者交流中也經(jīng)常見(jiàn)到有讀者提出這方面的問(wèn)題，特別是三層交換與路由原理方面的區(qū)別與聯(lián)系。下面就跟小編一起了解一下三層交換機(jī)的原理吧！
三層交換原理
二層交換機(jī)的二層數(shù)據(jù)交換一般都是使用ASIC(Application Specific Integrated Circuit ，專用集成電路)的硬件芯片中的CAM表來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槭怯布D(zhuǎn)發(fā)，所以轉(zhuǎn)發(fā)性能非常高。而三層交換機(jī)的三層轉(zhuǎn)發(fā)也是依靠ASIC芯片完成的(路由器的路由功能主要依靠CPU軟件進(jìn)行的)，但其中除了二層交換用的CAM表外，還保存有專門用于三層轉(zhuǎn)發(fā)的三層硬件轉(zhuǎn)發(fā)表。
三層交換機(jī)的三層交換原理比較復(fù)雜，不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下、不同廠家的三層交換機(jī)的三層交換流程都不完全相同。如圖7-55所示的僅一個(gè)直接連接在一臺(tái)三層交換機(jī)上的兩個(gè)不同網(wǎng)段主機(jī)三層交換的基本流程，各主要步驟解釋如下：
(1)源主機(jī)在發(fā)起通信之前，將自己的IP地址與目的主機(jī)的IP地址進(jìn)行比較，如果源主機(jī)判斷目的主機(jī)與自己位于不同網(wǎng)段時(shí)，它需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)來(lái)遞交報(bào)文的，所以它首先需要通過(guò)一個(gè)ARP請(qǐng)求報(bào)文獲取網(wǎng)關(guān)的MAC地址(在源主機(jī)不知道網(wǎng)關(guān)MAC地址的情形下)，即源主機(jī)先發(fā)送ARP請(qǐng)求幀以獲取網(wǎng)關(guān)IP地址對(duì)應(yīng)的MAC地址。
(2)網(wǎng)關(guān)在收到源主機(jī)發(fā)來(lái)的ARP請(qǐng)求報(bào)文后以一個(gè)ARP應(yīng)答報(bào)文進(jìn)行回應(yīng)，在應(yīng)答報(bào)文中的“源MAC地址”就包含了網(wǎng)關(guān)的MAC地址。
(3)在得到網(wǎng)關(guān)的ARP應(yīng)答后，源主機(jī)再用網(wǎng)關(guān)MAC地址作為報(bào)文的“目的MAC地址”，以源主機(jī)的IP地址作為報(bào)文的“源IP地址”，以目的主機(jī)的IP地址作為“目的IP地址”，先把發(fā)送給目的主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。
三層交換基本流程
(4)網(wǎng)關(guān)在收到源主機(jī)發(fā)送給目的主機(jī)的數(shù)據(jù)后，由于查看得知源主機(jī)和目的主機(jī)的IP地址不在同一網(wǎng)段，于是把數(shù)據(jù)報(bào)上傳到三層交換引擎(ASIC芯片)，在里面查看有無(wú)目的主機(jī)的三層轉(zhuǎn)發(fā)表。
(5)如果在三層硬件轉(zhuǎn)發(fā)表中沒(méi)有找到目的主機(jī)的對(duì)應(yīng)表項(xiàng)，則向CPU請(qǐng)求查看軟件路由表，如果有目的主機(jī)所在網(wǎng)段的路由表項(xiàng)，則還需要得到目的主機(jī)的MAC地址，因?yàn)閿?shù)據(jù)包在鏈路層是要經(jīng)過(guò)幀封裝的。于是三層交換機(jī)CPU向目的主機(jī)所在網(wǎng)段發(fā)送一個(gè)ARP廣播請(qǐng)求包，以獲得目的主機(jī)MAC地址。
(6)交換機(jī)獲得目的主機(jī)MAC地址后，向ARP表中添加對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)，并轉(zhuǎn)發(fā)由源主機(jī)到達(dá)目的主機(jī)的靈氣包。同時(shí)三層交換機(jī)三層引擎會(huì)結(jié)合路由表生成目的主機(jī)的三層硬件轉(zhuǎn)發(fā)表。
以后到達(dá)目的主機(jī)的數(shù)據(jù)包就可以直接利用三層硬件轉(zhuǎn)發(fā)表中的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不用再查看CPU中的路由表了。
以上流程適用位于不同VLAN(網(wǎng)段)中的主機(jī)互訪時(shí)屬于這種情況，這時(shí)用于互連的交換機(jī)作三層交換轉(zhuǎn)發(fā)。這就是“一次路由，多次交換”的原理。
三層交換機(jī)簡(jiǎn)介
三層交換機(jī)就是具有部分路由器功能的交換機(jī)，工作在OSI網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)模型的第三層：網(wǎng)絡(luò)層。三層交換機(jī)的最重要目的是加快大型局域網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換，所具有的路由功能也是為這目的服務(wù)的，能夠做到一次路由，多次轉(zhuǎn)發(fā)。
對(duì)于數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)等規(guī)律性的過(guò)程由硬件高速實(shí)現(xiàn)，而像路由信息更新、路由表維護(hù)、路由計(jì)算、路由確定等功能，由軟件實(shí)現(xiàn)。
運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理
局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，三層交換機(jī)依循了如下的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理：變更了路由軟件依循的舊式指令，增添了ASIC特有的嵌入芯片并以此來(lái)設(shè)定指令。借助于硬件來(lái)查驗(yàn)現(xiàn)存的路由表，擁有刷新的特性。在數(shù)據(jù)傳遞的流程中，端口芯片接納并辨識(shí)了某一信息，二層芯片辨析了對(duì)應(yīng)的獨(dú)特地址。若查驗(yàn)獲取了明確的地址，則再次予以轉(zhuǎn)發(fā)；若沒(méi)能查找到，則信息被調(diào)配至后續(xù)的引擎。
第三層引擎之內(nèi)，路由表關(guān)聯(lián)著的信息可被查驗(yàn)出來(lái)，它匹配了初始的IP；數(shù)據(jù)包被發(fā)送至裝置內(nèi)的主機(jī)，獲取了精準(zhǔn)的MAC。這些流程終結(jié)以后，MAC再次被發(fā)送，二層芯片予以轉(zhuǎn)發(fā)。由此可見(jiàn)，三層交換機(jī)提快了常態(tài)情形的交換速率，從速率來(lái)看它很近似二層的架構(gòu)，并且縮減了選購(gòu)路由器耗費(fèi)的支出。
相比較而言，二層交換機(jī)借助于封包擴(kuò)散來(lái)傳遞廣播，但三層交換機(jī)則能辨識(shí)額外信息，例如ARP及某一地址。在此狀態(tài)下，三層交換機(jī)解析了各方位的廣播包，滿足快速要求，不必真正去擴(kuò)散預(yù)設(shè)的廣播包。這種設(shè)計(jì)路徑可以細(xì)分現(xiàn)有的虛擬子網(wǎng)，依托于三層路由以便傳遞子網(wǎng)彼此的信息, 通信將更為便捷。
應(yīng)用目的
1、網(wǎng)絡(luò)骨干
要說(shuō)三層交換機(jī)在諸多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的作用，用“中流砥柱”形容并不為過(guò)。在校園網(wǎng)、城域教育網(wǎng)中，從骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)骨干、匯聚層都有三層交換機(jī)的用武之地，尤其是核心骨干網(wǎng)一定要用三層交換機(jī)，否則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)成千上萬(wàn)臺(tái)的計(jì)算機(jī)都在一個(gè)子網(wǎng)中，不僅毫無(wú)安全可言，也會(huì)因?yàn)闊o(wú)法分割廣播域而無(wú)法隔離廣播風(fēng)暴。
如果采用傳統(tǒng)的路由器，雖然可以隔離廣播，但是性能又得不到保障。而三層交換機(jī)的性能非常高，既有三層路由的功能，又具有二層交換的網(wǎng)絡(luò)速度。二層交換是基于MAC尋址，三層交換則是轉(zhuǎn)發(fā)基于第三層地址的業(yè)務(wù)流；除了必要的路由決定過(guò)程外，大部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程由二層交換處理，提高了數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的效率。
三層交換機(jī)通過(guò)使用硬件交換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了IP的路由功能，其優(yōu)化的路由軟件使得路由過(guò)程效率提高，解決了傳統(tǒng)路由器軟件路由的速度問(wèn)題。因此可以說(shuō)，三層交換機(jī)具有“路由器的功能、交換機(jī)的性能”。
2、連接子網(wǎng)
同一網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)如果超過(guò)一定數(shù)量（通常在200臺(tái)左右，視通信協(xié)議而定），就很可能會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)上大量的廣播而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸效率低下。為了避免在大型交換機(jī)上進(jìn)行廣播所引起的廣播風(fēng)暴，可將其進(jìn)一步劃分為多個(gè)虛擬網(wǎng)（VLAN）。但是這樣做將導(dǎo)致一個(gè)問(wèn)題：VLAN之間的通信必須通過(guò)路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是傳統(tǒng)路由器也難以勝任VLAN之間的通信任務(wù)，因?yàn)橄鄬?duì)于局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的普通路由器的路由能力太弱。
而且千兆級(jí)路由器的價(jià)格也是非常難以接受的。如果使用三層交換機(jī)上的千兆端口或百兆端口連接不同的子網(wǎng)或VLAN，就在保持性能的前提下，經(jīng)濟(jì)地解決了子網(wǎng)劃分之后子網(wǎng)之間必須依賴路由器進(jìn)行通信的問(wèn)題，因此三層交換機(jī)是連接子網(wǎng)的理想設(shè)備。
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