初識三層交換機

2019-11-05 01:37:39

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供稿：網友

　　三層的涵義
　　
　　　　三層交換機中的“三層”指的是OSI（開放系統互連）七層參考模型的下面三層。假如您想理解三層交換，首先就需要理解OSI參考模型。
　　
　　　　1、什么是OSI參考模型
　　
　　　　OSI參考模型是國際標準化組織為了解決不同系統的互聯而提出的模型，它將計算機網絡按功能劃分為七個層次，這就是網絡通信中的七層模型或七層結構，各層名稱如圖1所示。
　　
　　　　圖1
　　　

　　OSI各層之間存在相互依存關系。假如沒有底層，上層也將無從存在。舉一個淺顯的例子。網絡上數據傳輸就像是過地下通道，必須一級一級臺階地下，然后一級一級臺階地上，才能完成整個過程，如圖2所示。
　　
　　　　圖2
　　　

　　2、OSI參考模型與網絡設備
　　
　　　　OSI參考模型與網絡設備，如集線器、交換機、路由器，存在一一對應的關系，圖3就是OSI模型下三層與網絡設備及網絡設備處理的數據單元的對應圖。
　　
　　　　（1）第一層——物理層
　　
　　　　物理層設備是最低層次的網絡設備，主要負責實際的信號傳輸，即比特流。對于物理層設備來講，它只熟悉比特流，至于什么MAC地址、ip地址，它什么也不知道。有些校園網中現在還在使用的集線器（Hub）就是典型的物理層設備。
　　
　　　　（2）第二層——數據鏈路層
　　
　　　　數據鏈路層負責在兩個主機上建立數據鏈路連接，向物理層傳輸數據幀，并對信號進行處理使之無差錯并合理地傳輸。
　　
　　　　校園網中我們最常使用的交換機（Switch）就是典型的數據鏈路層設備。對于數據鏈路層設備來講，它只熟悉幀和比特流（二層以下的數據），至于IP地址（三層以上的東西），它就不知道了。“幀”是第二層的數據單元，而且只在第二層中才有意義。
　　
　　　　二層交換機只能連接IP地址在同一子網內的計算機，假如計算機的IP地址在不同的子網內，即使連接在同一臺交換機的端口上，雖然近在咫尺，也不能相互通信，因為現在的計算機是通過IP地址相互通信的，而交換機不能識別IP地址。
　　
　　　　（3）第三層——網絡層
　　
　　　　網絡層主要負責路由，即選擇合適的路徑的功能。網絡中經常使用的路由器（Router）就是典型的網絡層設備，它能夠識別幀中的三層地址。比如一臺IP地址為“192.168.1.1”的計算機想與IP地址為“10.1.1.2”的計算機通信，因為它們不在同一子網里，必須通過路由器路由才能實現通信。
　　
　　　　三層交換機的工作原理
　　
　　　　三層交換是相對于傳統的交換概念而提出的。傳統的交換技術是在OSI網絡參考模型中的第二層（即數據鏈路層）進行操作的，而三層交換技術是在網絡模型中的第三層實現了數據包的高速轉發。簡單地說，三層交換技術就是二層交換技術+三層轉發技術，三層交換機就是“二層交換機+基于硬件的路由器”。
　　
　　　　圖3
　　　

　　那么三層交換是怎樣實現的呢？三層交換的技術細節非常復雜，不可能一下子講清楚，不過您可以簡單地將三層交換機理解為由一臺路由器和一臺二層交換機構成，如圖4所示。
　　
　　　　兩臺處于不同子網的主機通信，必須要通過路由器進行路由。在圖4中，主機A向主機B發送的第1個數據包必須要經過三層交換機中的路由處理器進行路由才能到達主機B，但是當以后的數據包再發向主機B時，就不必再經過路由處理器處理了，因為三層交換機有“記憶”路由的功能。
　　
　　　　三層交換機的路由記憶功能是由路由緩存來實現的。當一個數據包發往三層交換機時，三層交換機首先在它的緩存列表里進行檢查，看看路由緩存里有沒有記錄，假如有記錄就直接調取緩存的記錄進行路由，而不再經過路由處理器進行處理，這樣的數據包的路由速度就大大提高了。假如三層交換機在路由緩存中沒有發現記錄，再將數據包發往路由處理器進行處理，處理之后再轉發數據包。
　　
　　　　圖4
　　

　　三層交換機的緩存機制與CPU的緩存機制是非常相似的。大家都有這樣的印象，開機后第一次運行某個大型軟件時會非常慢，但是當關閉這個軟件之后再次運行這個軟件，就會發現運行速度大大加快了，比如本來打開Word需要5~6秒，關閉后再打開Word，就會發現只需要1~2秒就可以打開了。原因在于CPU內部有一級緩存和二級緩存，會暫時儲存最近使用的數據，所以再次啟動會比第一次啟動快得多。
　　
　　　　具有“路由器的功能、交換機的性能” 的三層交換機雖然同時具有二層交換和三層路由的特性，但是三層交換機與路由器在結構和性能上還是存在很大區別的。在結構上，三層交換機更接近于二層交換機，只是針對三層路由進行了專門設計。之所以稱為“三層交換機”而不稱為“交換路由器”，原因就在于此；在交換性能上，路由器比三層交換機的交換性能要弱很多。

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