三層交換

   

   簡單地說，三層交換技術就是：二層交換技術＋三層轉(zhuǎn)發(fā)技術。它解決了局域網(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)路由器低速、復雜所造成的網(wǎng)絡瓶頸問題。下面我們結(jié)合本站有關思科及微軟關于三層交換方面的文章為大家介紹這方面的資訊,更多更豐富的相關方面內(nèi)容我們將在以后日子里進行補充。

部署

第三層交換正迅速發(fā)展成可作為下一代應用啟動平臺的最適合的網(wǎng)絡技術。本文將詳細介紹此項技術以及如何部署第三層交換才能獲得最大效率。  

第三層交換是局域網(wǎng)許多區(qū)域(包括核心和服務器集中點)的關鍵組件，因為該項技術能解決許多在性能、安全和控制等方面的問題。然而，在一些網(wǎng)絡區(qū)域，該項技術的使用效果并不十分顯著，尤其是在桌面連接方面。本文將會重點討論這種網(wǎng)絡性能較低的情況，特別是在新一代高級第四層桌面交換技術已經(jīng)能夠提供高性能和控制能力的今天。本文也將詳細闡述第二(四)層交換機是如何提供成本更低、更加簡單、更易于管理的桌面解決方案。

概述

任何一種新技術進入市場時，都要經(jīng)歷業(yè)界專業(yè)人員對伴隨這種技術的新術語和“技術行話”進行篩選的階段。這些新的技術術語往往會造成迷惑，甚至自相矛盾，具體情況取決于供應商使用它們的方式。“第三層交換”和有關的技術也不例外，隨著越來越多交換機和路由器技術的推出，有關它們技術術語的迷惑只會增多。

比如，第三層交換、第四層交換、多層交換、多層數(shù)據(jù)包分類和路由交換機等新術語就令交換機和路由器之間的傳統(tǒng)區(qū)別變得模糊起來。此外，由于許多供應商在原本用于布線室的第二層交換機平臺上提供了第三層交換技術，從而讓人更加迷惑不解。這些變化使網(wǎng)絡設計人員很難了解如何部署高效的網(wǎng)絡解決方案。因此，必須去偽存真，并專注于基礎知識，才能真正了解何時、何地以及為什么采用第三層交換。

了解網(wǎng)絡各層

為了充分認識第三層交換，在此有必要對目前使用的大多數(shù)網(wǎng)絡體系結(jié)構的強大分層模型進行分析。

如圖所示，網(wǎng)絡基礎架構設備(如網(wǎng)橋、路由器和交換機)在傳統(tǒng)上一直按 OSI 分層模型分類。 這種 OSI 模型目前仍然是數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的參考分層典范，因為它簡化了兩臺計算機進行通信所要執(zhí)行的任務，每層都具有特定的功能。OSI 模型定義了這些層的交互方式，并依次定義了各個網(wǎng)絡組件的角色，從而決定了這些組件如何實現(xiàn)與分層網(wǎng)絡的集成。

網(wǎng)絡組件

交換機(第二層)

交換機在每個端口提供一個獨特的網(wǎng)絡段，從而分離了沖突域。  

路由器(第三層)

路由器可分離廣播域，并能連接不同的網(wǎng)絡。路由器是根據(jù)目標網(wǎng)絡層的地址(第三層)而不是工作站數(shù)據(jù)鏈路層 MAC 地址來引導網(wǎng)絡信息流。路由器通�；�于軟件，因此性能比第二層交換機相對遲緩。

第三層交換機(第三層)

第三層交換機可部署在使用傳統(tǒng)路由器局域網(wǎng)的任何地方。第三層交換機中高級的 ASIC 技術可提供遠遠高于傳統(tǒng)路由器的性能，使它們非常適合網(wǎng)絡帶寬密集的應用。另外，第三層交換機合并了典型路由器中相互分離的橋接(第二層)和路由(第三層)功能。這些技術的結(jié)合提供了一個能大大改進擴充能力的更加自然的網(wǎng)絡體系結(jié)構。

第二層和第三層交換

為掌握第三層交換的優(yōu)點以及如何更加有效地使用第三層交換，首先必須了解目前可用于網(wǎng)絡設計的兩種交換方式: 第二層交換、第三層交換(路由)。

交換是從一個接口接收，然后通過另一個接口發(fā)出的過程。第二層與第三層交換之間的區(qū)別在于用以確定正確輸出接口的幀內(nèi)信息類型。

¨ 在第二層交換中，幀的交換基于 MAC 地址信息。

¨ 在第三層交換中，幀的交換基于網(wǎng)絡層信息，如 IP 地址。

第二層交換

第二層交換是在前面所述的OSI 模型的數(shù)據(jù)鏈路層進行。它檢查幀，并根據(jù)目標 MAC 地址轉(zhuǎn)發(fā)幀。  

如果知道目標地址，第二層交換機會將以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)發(fā)到適當?shù)慕涌�。如果第二層交換機不知道將幀發(fā)送到何處，它會將該幀廣播轉(zhuǎn)發(fā)到所有端口，以了解正確的目標地址。第二層交換機利用這種技術來建立和維護一個跟蹤幀目標地址的交換表。

對于規(guī)模較大的網(wǎng)絡來說，這種廣播轉(zhuǎn)發(fā)操作會產(chǎn)生嚴重的問題，因為所有這些廣播的處理會造成性能的大幅度降低。該問題的解決辦法將在本白皮書的稍后部分進行討論。

第二層交換的優(yōu)點

由于第二層交換相對簡單，網(wǎng)絡管理員可以建立管理簡便且能擴展到數(shù)百個節(jié)點的網(wǎng)絡，而不會遇到太多的第二層廣播問題。第二層交換機為網(wǎng)絡提供了以下優(yōu)點:

l 高帶寬：第二層交換機通過將專用帶寬分配到每一個端口，為各個用戶提供優(yōu)異的性能。每一個交換機端口表示一個不同的網(wǎng)段，因此每個用戶可以獲得特定數(shù)量的帶寬。此外，每個專用網(wǎng)段還能與單項業(yè)務一起接收廣播業(yè)務。

l VLAN：第二層交換機能夠?qū)⒏鱾�端口組合到邏輯工作組(虛擬局域網(wǎng)或 VLAN)。每個 VLAN 組在邏輯上與交換機的其它部分分離，可幫助將第二層廣播業(yè)務控制在特定的VLAN組。這提供了以下兩個主要優(yōu)點:

1. 網(wǎng)絡設計人員可以利用 VLAN 來建造能避免特大第二層廣播域問題的大型第二層網(wǎng)絡。

2. 網(wǎng)絡周圍的移動、添加和更改更加容易，因為無論物理位置在哪里，用戶始終在他們自己的 VLAN 中。

第三層交換機或路由器對 VLAN 通信不可缺少。

l 業(yè)務類別優(yōu)先化：某些第二層交換機上的業(yè)務類別 (CoS) 優(yōu)先化允許網(wǎng)絡管理員根據(jù)協(xié)議、IP 地址和以太網(wǎng)類型等標準給不同類型的局域網(wǎng)業(yè)務分配優(yōu)先權級別。這使網(wǎng)絡管理員可以根據(jù)協(xié)議、應用或用戶控制業(yè)務流，從而確保更加高效的網(wǎng)絡運轉(zhuǎn)。

l 用戶安全：第二層交換機提供了基于用戶的穩(wěn)健安全機質(zhì)，這種機質(zhì)基于網(wǎng)絡登錄 (802.1x) 技術，可防止任何未經(jīng)認證的用戶接入網(wǎng)絡。

第三層交換

第三層交換在網(wǎng)絡層進行。它檢查數(shù)據(jù)包信息，并根據(jù)網(wǎng)絡層目標地址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。與固定的第二層尋址系統(tǒng)不同，第三層地址由網(wǎng)絡管理員安裝的網(wǎng)絡分層確定。IP、IPX 和 AppleTalk 等協(xié)議都使用第三層尋址。  

使用第三層尋址系統(tǒng)，網(wǎng)絡管理員可以創(chuàng)建地址組(子網(wǎng))。這些子網(wǎng)可使網(wǎng)絡管理員以一個單元(子網(wǎng))的形式輕松地管理子網(wǎng)成員，從而支持建立一個能夠擴展的分層尋址系統(tǒng)。

第三層尋址系統(tǒng)還比第二層系統(tǒng)更加動態(tài)。如果用戶移動到另一個位置，其終端站會收到一個新的第三層地址，但第二層 MAC 地址保持不變。這類似于某個人從一個城市搬到另一個城市: 郵政地址將會改變，但個人姓名和身份保持不變。因此，第三層路由網(wǎng)絡能將邏輯尋址結(jié)構連接到物理基礎架構，從而提供了一個比第二層網(wǎng)絡更加靈活和更加可擴充的分層結(jié)構。

第三層交換的優(yōu)點

第三層交換提供以下優(yōu)點:

l 提高了網(wǎng)絡效率：第三層交換機通過允許網(wǎng)絡管理員在第二層 VLAN 進行路由業(yè)務，確保將第二層廣播控制在一個 VLAN 內(nèi)，降低了業(yè)務量負載。

l 可持續(xù)發(fā)展：由于 OSI 層模型的分層特點，第三層交換機能夠創(chuàng)建更加易于擴展和維護的更大規(guī)模的網(wǎng)絡。

l 更加廣泛的拓撲選擇：基于路由器的網(wǎng)絡支持任何拓撲，并能更輕易超過類似第二層交換網(wǎng)絡的更大規(guī)模和復雜程度。

l 工作組和服務器安全：第三層設備能根據(jù)第三層網(wǎng)絡地址創(chuàng)建接入策略，這允許網(wǎng)絡管理員控制和阻塞某些 VLAN 到 VLAN 通信，阻塞某些 IP 地址，甚至能防止某些子網(wǎng)訪問特定的信息。

l 更加優(yōu)異的性能：通過使用先進的 ASIC 技術，第三層交換機可提供遠遠高于基于軟件的傳統(tǒng)路由器的性能。比如，每秒 4000 萬個數(shù)據(jù)包對每秒 30 萬個數(shù)據(jù)包。第三層交換機為千兆網(wǎng)絡這樣的帶寬密集型基礎架構提供了所需的路由性能。因此，第三層交換機可以部署在網(wǎng)絡中許多具有更高戰(zhàn)略意義的位置。

第三層交換機的部署

了解了第二層和第三層交換機的相對優(yōu)點之后，就可以知道每一種交換機能夠在網(wǎng)絡中的哪些地方產(chǎn)生最大的效應。  

80/20 法則

九十年代早期，經(jīng)驗法則確立，它認為所有業(yè)務流的 80% 應在本地子網(wǎng)上，只有 20% 的業(yè)務流應傳遞到路由器。多年來，該法則一直準確無誤，而且路由器能夠相當輕松地處理各種業(yè)務量級別。隨著更多的廣播業(yè)務被控制在特定的本地網(wǎng)段上，在第二層交換機上使用 VLAN 有一定的效用。

20/80 法則

但是，過去幾年，建立了大量服務器來幫助改善安全和管理，加之越來越多地使用內(nèi)部網(wǎng)和客戶機/服務器服務，導致了局域網(wǎng)業(yè)務流的巨大變化�，F(xiàn)在，所有業(yè)務流的 80% 被傳遞到路由網(wǎng)絡，只有大約 20% 的業(yè)務被控制在本地子網(wǎng)內(nèi)。

這種新結(jié)構對路由網(wǎng)絡提出了巨大的需求，因為用戶每次訪問位于不同子網(wǎng)上的服務器時，其通信業(yè)務都必須通過第三層設備(通常為每秒只能轉(zhuǎn)發(fā) 30 萬個數(shù)據(jù)包的路由器)

解決 20/80 法則問題

很明顯，具有核心路由器的單層第二層網(wǎng)絡不能擴充，而且其對當今的網(wǎng)絡流性很差。因此，必須了解如何利用第三層交換機建立一個正確的分層設計。需要考慮以下三種網(wǎng)絡組件: 網(wǎng)絡核心、布線室集中點、桌面接入點

l 網(wǎng)絡核心：核心網(wǎng)絡組件在設計時應考慮性能和彈性。第三層交換機賦予了自己這種角色，因為它們通過分層尋址提供了自然的彈性，而且它們也提供了遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)路由器的性能。l 布線室集合點：該層可幫助為核心提供一個邊界，并為桌面接入設備提供重要的服務。這些服務包括 VLAN 路由、安全、部門接入和地址集中。對于規(guī)模更大的網(wǎng)絡安裝，之所以需要第三層交換機是因為它給桌面交換機提供了正確的服務，并提供了路由到核心交換機所必需的性能。

第三層交換部署示例

解決方案 1: 分支機構

在本例中，一個分支機構需要連接本地辦公室和總部的服務器。第三層交換機被部署在網(wǎng)絡主干，負責執(zhí)行本地服務器、本地局域網(wǎng)業(yè)務以及到寬帶路由器的第三層交換。

簡單地說，三層交換技術就是：二層交換技術＋三層轉(zhuǎn)發(fā)技術。它解決了局域網(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)路由器低速、復雜所造成的網(wǎng)絡瓶頸問題。

什么是三層交換

三層交換（也稱多層交換技術，或IP交換技術）是相對于傳統(tǒng)交換概念而提出的。眾所周知，傳統(tǒng)的交換技術是在OSI網(wǎng)絡標準模型中的第二層――數(shù)據(jù)鏈路層進行操作的，而三層交換技術是在網(wǎng)絡模型中的第三層實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)。簡單地說，三層交換技術就是：二層交換技術＋三層轉(zhuǎn)發(fā)技術。

三層交換技術的出現(xiàn)，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)路由器低速、復雜所造成的網(wǎng)絡瓶頸問題。

三層交換原理

一個具有三層交換功能的設備，是一個帶有第三層路由功能的第二層交換機，但它是二者的有機結(jié)合，并不是簡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。

其原理是：假設兩個使用IP協(xié)議的站點A、B通過第三層交換機進行通信，發(fā)送站點A在開始發(fā)送時，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)，則進行二層的轉(zhuǎn)發(fā)。若兩個站點不在同一子網(wǎng)內(nèi)，如發(fā)送站A要與目的站B通信，發(fā)送站A要向“缺省網(wǎng)關”發(fā)出ARP(地址解析)封包，而“缺省網(wǎng)關”的IP地址其實是三層交換機的三層交換模塊。當發(fā)送站A對“缺省網(wǎng)關”的IP地址廣播出一個ARP請求時，如果三層交換模塊在以前的通信過程中已經(jīng)知道B站的MAC地址，則向發(fā)送站A回復B的MAC地址。否則三層交換模塊根據(jù)路由信息向B站廣播一個ARP請求，B站得到此ARP請求后向三層交換模塊回復其MAC地址，三層交換模塊保存此地址并回復給發(fā)送站A,同時將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，當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。由于僅僅在路由過程中才需要三層處理，絕大部分數(shù)據(jù)都通過二層交換轉(zhuǎn)發(fā)，因此三層交換機的速度很快，接近二層交換機的速度，同時比相同路由器的價格低很多。

三層交換機種類

三層交換機可以根據(jù)其處理數(shù)據(jù)的不同而分為純硬件和純軟件兩大類。

（1）純硬件的三層技術相對來說技術復雜，成本高，但是速度快，性能好，帶負載能力強。其原理是，采用ASIC芯片，采用硬件的方式進行路由表的查找和刷新。如圖1所示。

圖1 純硬件三層交換機原理

當數(shù)據(jù)由端口接口芯片接收進來以后，首先在二層交換芯片中查找相應的目的MAC地址，如果查到，就進行二層轉(zhuǎn)發(fā)，否則將數(shù)據(jù)送至三層引擎。在三層引擎中，ASIC芯片查找相應的路由表信息，與數(shù)據(jù)的目的IP地址相比對，然后發(fā)送ARP數(shù)據(jù)包到目的主機，得到該主機的MAC地址，將MAC地址發(fā)到二層芯片，由二層芯片轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包。

（2）基于軟件的三層交換機技術較簡單，但速度較慢，不適合作為主干。其原理是，采用CPU用軟件的方式查找路由表。如圖2所示。

圖2 軟件三層交換機原理

當數(shù)據(jù)由端口接口芯片接收進來以后，首先在二層交換芯片中查找相應的目的MAC地址，如果查到，就進行二層轉(zhuǎn)發(fā)否則將數(shù)據(jù)送至CPU。CPU查找相應的路由表信息，與數(shù)據(jù)的目的IP地址相比對，然后發(fā)送ARP數(shù)據(jù)包到目的主機得到該主機的MAC地址，將MAC地址發(fā)到二層芯片，由二層芯片轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包。因為低價CPU處理速度較慢，因此這種三層交換機處理速度較慢。

市場產(chǎn)品選型

近年來寬帶IP網(wǎng)絡建設成為熱點，下面以適合定位于接入層或中小規(guī)模匯聚層的第三層交換機產(chǎn)品為例，介紹一些三層交換機的具體技術。在市場上的主流接入第三層交換機，主要有Cisco的Catalyst 2948G-L3、Extreme的Summit24和AlliedTelesyn的Rapier24等，這幾款三層交換機產(chǎn)品各具特色，涵蓋了三層交換機大部分應用特性。當然在選擇第三層交換機時，用戶可根據(jù)自己的需要，判斷并選擇上述產(chǎn)品或其他廠家的產(chǎn)品，如北電網(wǎng)絡的Passport/Acceler系列、原Cabletron的SSR系列（在Cabletron一分四后，大部分SSR三層交換機已并入Riverstone公司）、Avaya的Cajun M系列、3Com的Superstack3 4005系列等。此外，國產(chǎn)網(wǎng)絡廠商神州數(shù)碼網(wǎng)絡、TCL網(wǎng)絡、上海廣電應確信、紫光網(wǎng)聯(lián)、首信等都已推出了三層交換機產(chǎn)品。下面就其中三款產(chǎn)品進行介紹，使您能夠較全面地了解三層交換機，并針對自己的情況選擇合適的機型。

Cisco Catalyst 2948G-L3交換機結(jié)合業(yè)界標準IOS提供完整解決方案，在版本12.0(10)以上全面支持IOS訪問控制列表 ACL，配合核心Catalyst 6000，可完成端到端全面寬帶城域網(wǎng)的建設（Catalyst 6000使用MSFC模塊完成其多層交換服務，并已停止使用RSM路由交換模塊，IOS版本6.1以上全面支持ACL)。

Extreme公司三層交換產(chǎn)品解決方案，能夠提供獨特的以太網(wǎng)帶寬分配能力，切割單位為500kbps或200kbps，服務供應商可以根據(jù)帶寬使用量收費，可實現(xiàn)音頻和視頻的固定延遲傳輸。

AlliedTelesyn公司Rapier24三層交換機提供的PPPoE特性，豐富和完善了用戶認證計費手段，可適合多種接入網(wǎng)絡，應用靈活，易于實現(xiàn)業(yè)務選擇，同時又保護目前用戶的已有投資，另可配合NAT（網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換）和DHCP的Server等功能，為許多服務供應商看好。

總之，三層交換機從概念的提出到今天的普及應用，雖然只歷經(jīng)了幾年的時間，但其擴展的功能也不斷結(jié)合實際應用得到豐富。隨著ASIC硬件芯片技術的發(fā)展和實際應用的推廣，三層交換的技術與產(chǎn)品也會得到進一步發(fā)展。
   

• 通信詞典解釋