三層交換技術解析

2019-11-05 01:46:31

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　　簡單地說，三層交換技術就是：二層交換技術＋三層轉發技術。它解決了局域網中網段劃分之后，網段中子網必須依靠路由器進行治理的局面，解決了傳統路由器低速、復雜所造成的網絡瓶頸問題。
　　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）是相對于傳統交換概念而提出的。眾所周知，傳統的交換技術是在OSI網絡標準模型中的第二層――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。
　　　　三層交換技術的出現，解決了局域網中網段劃分之后，網段中子網必須依靠路由器進行治理的局面，解決了傳統路由器低速、復雜所造成的網絡瓶頸問題。
　　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交換機上。
　　
　　　　其原理是：假設兩個使用IP協議的站點A、B通過第三層交換機進行通信，發送站點A在開始發送時，把自己的IP地址與B站的IP地址比較，判定B站是否與自己在同一子網內。若目的站B與發送站A在同一子網內，則進行二層的轉發。若兩個站點不在同一子網內，如發送站A要與目的站B通信，發送站A要向“缺省網關”發出ARP(地址解析)封包，而“缺省網關”的IP地址其實是三層交換機的三層交換模塊。當發送站A對“缺省網關”的IP地址廣播出一個ARP請求時，假如三層交換模塊在以前的通信過程中已經知道B站的MAC地址，則向發送站A回復B的MAC地址。否則三層交換模塊根據路由信息向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送站A,同時將B站的MAC地址發送到二層交換引擎的MAC地址表中。從這以后，當A向B發送的數據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，絕大部分數據都通過二層交換轉發，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其處理數據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
　　　　當數據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，假如查到，就進行二層轉發，否則將數據送至三層引擎。在三層引擎中，ASIC芯片查找相應的路由表信息，與數據的目的IP地址相比對，然后發送ARP數據包到目的主機，得到該主機的MAC地址，將MAC地址發到二層芯片，由二層芯片轉發該數據包。
　　　　（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
　　　　當數據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，假如查到，就進行二層轉發否則將數據送至CPU。CPU查找相應的路由表信息，與數據的目的IP地址相比對，然后發送ARP數據包到目的主機得到該主機的MAC地址，將MAC地址發到二層芯片，由二層芯片轉發該數據包。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。
　　市場產品選型
　　　　近年來寬帶IP網絡建設成為熱點，下面以適合定位于接入層或中小規模匯聚層的第三層交換機產品為例，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，用戶可根據自己的需要，判定并選擇上述產品或其他廠家的產品，如北電網絡的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，國產網絡廠商神州數碼網絡、TCL網絡、上海廣電應確信、紫光網聯、首信等都已推出了三層交換機產品。下面就其中三款產品進行介紹，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交換機結合業界標準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公司三層交換產品解決方案，能夠提供獨特的以太網帶寬分配能力，切割單位為500kbps或200kbps，服務供給商可以根據帶寬使用量收費，可實現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，可適合多種接入網絡，應用靈活，易于實現業務選擇，同時又保護目前用戶的已有投資，另可配合NAT（網絡地址轉換）和DHCP的Server等功能，為許多服務供給商看好。
　　　　總之，三層交換機從概念的提出到今天的普及應用，雖然只歷經了幾年的時間，但其擴展的功能也不斷結合實際應用得到豐富。隨著ASIC硬件芯片技術的發展和實際應用的推廣，三層交換的技術與產品也會得到進一步發展。

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