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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別與聯(lián)系。下面就跟小編一起了解一下三層交換機的原理吧！
三層交換原理
二層交換機的二層數據交換一般都是使用ASIC(Application Specific Integrated Circuit ，專(zhuān)用集成電路)的硬件芯片中的CAM表來(lái)實(shí)現的，因為是硬件轉發(fā)，所以轉發(fā)性能非常高。而三層交換機的三層轉發(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(zhuān)門(mén)用于三層轉發(fā)的三層硬件轉發(fā)表。
三層交換機的三層交換原理比較復雜，不同網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下、不同廠(chǎng)家的三層交換機的三層交換流程都不完全相同。如圖7-55所示的僅一個(gè)直接連接在一臺三層交換機上的兩個(gè)不同網(wǎng)段主機三層交換的基本流程，各主要步驟解釋如下：
(1)源主機在發(fā)起通信之前，將自己的IP地址與目的主機的IP地址進(jìn)行比較，如果源主機判斷目的主機與自己位于不同網(wǎng)段時(shí)，它需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)來(lái)遞交報文的，所以它首先需要通過(guò)一個(gè)ARP請求報文獲取網(wǎng)關(guān)的MAC地址(在源主機不知道網(wǎng)關(guān)MAC地址的情形下)，即源主機先發(fā)送ARP請求幀以獲取網(wǎng)關(guān)IP地址對應的MAC地址。
(2)網(wǎng)關(guān)在收到源主機發(fā)來(lái)的ARP請求報文后以一個(gè)ARP應答報文進(jìn)行回應，在應答報文中的“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應答后，源主機再用網(wǎng)關(guān)MAC地址作為報文的“目的MAC地址”，以源主機的IP地址作為報文的“源IP地址”，以目的主機的IP地址作為“目的IP地址”，先把發(fā)送給目的主機的數據發(fā)給網(wǎng)關(guān)。
三層交換基本流程
(4)網(wǎng)關(guān)在收到源主機發(fā)送給目的主機的數據后，由于查看得知源主機和目的主機的IP地址不在同一網(wǎng)段，于是把數據報上傳到三層交換引擎(ASIC芯片)，在里面查看有無(wú)目的主機的三層轉發(fā)表。
(5)如果在三層硬件轉發(fā)表中沒(méi)有找到目的主機的對應表項，則向CPU請求查看軟件路由表，如果有目的主機所在網(wǎng)段的路由表項，則還需要得到目的主機的MAC地址，因為數據包在鏈路層是要經(jīng)過(guò)幀封裝的。于是三層交換機CPU向目的主機所在網(wǎng)段發(fā)送一個(gè)ARP廣播請求包，以獲得目的主機MAC地址。
(6)交換機獲得目的主機MAC地址后，向ARP表中添加對應的表項，并轉發(fā)由源主機到達目的主機的靈氣包。同時(shí)三層交換機三層引擎會(huì )結合路由表生成目的主機的三層硬件轉發(fā)表。
以后到達目的主機的數據包就可以直接利用三層硬件轉發(fā)表中的轉發(fā)表項進(jìn)行數據交換，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)中的主機互訪(fǎng)時(shí)屬于這種情況，這時(shí)用于互連的交換機作三層交換轉發(fā)。這就是“一次路由，多次交換”的原理。
三層交換機簡(jiǎn)介
三層交換機就是具有部分路由器功能的交換機，工作在OSI網(wǎng)絡(luò )標準模型的第三層：網(wǎng)絡(luò )層。三層交換機的最重要目的是加快大型局域網(wǎng)內部的數據交換，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，多次轉發(fā)。
對于數據包轉發(fā)等規律性的過(guò)程由硬件高速實(shí)現，而像路由信息更新、路由表維護、路由計算、路由確定等功能，由軟件實(shí)現。
運轉機理
局域網(wǎng)絡(luò )內，三層交換機依循了如下的運轉機理：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)設定指令。借助于硬件來(lái)查驗現存的路由表，擁有刷新的特性。在數據傳遞的流程中，端口芯片接納并辨識了某一信息，二層芯片辨析了對應的獨特地址。若查驗獲取了明確的地址，則再次予以轉發(fā)；若沒(méi)能查找到，則信息被調配至后續的引擎。
第三層引擎之內，路由表關(guān)聯(lián)著(zhù)的信息可被查驗出來(lái)，它匹配了初始的IP；數據包被發(fā)送至裝置內的主機，獲取了精準的MAC。這些流程終結以后，MAC再次被發(fā)送，二層芯片予以轉發(fā)。由此可見(jiàn)，三層交換機提快了常態(tài)情形的交換速率，從速率來(lái)看它很近似二層的架構，并且縮減了選購路由器耗費的支出。
相比較而言，二層交換機借助于封包擴散來(lái)傳遞廣播，但三層交換機則能辨識額外信息，例如ARP及某一地址。在此狀態(tài)下，三層交換機解析了各方位的廣播包，滿(mǎn)足快速要求，不必真正去擴散預設的廣播包。這種設計路徑可以細分現有的虛擬子網(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。
應用目的
1、網(wǎng)絡(luò )骨干
要說(shuō)三層交換機在諸多網(wǎng)絡(luò )設備中的作用，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的用武之地，尤其是核心骨干網(wǎng)一定要用三層交換機，否則整個(gè)網(wǎng)絡(luò )成千上萬(wàn)臺的計算機都在一個(gè)子網(wǎng)中，不僅毫無(wú)安全可言，也會(huì )因為無(wú)法分割廣播域而無(wú)法隔離廣播風(fēng)暴。
如果采用傳統的路由器，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，大部分數據轉發(fā)過(guò)程由二層交換處理，提高了數據包轉發(fā)的效率。
三層交換機通過(guò)使用硬件交換機構實(shí)現了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，解決了傳統路由器軟件路由的速度問(wèn)題。因此可以說(shuō)，三層交換機具有“路由器的功能、交換機的性能”。
2、連接子網(wǎng)
同一網(wǎng)絡(luò )上的計算機如果超過(guò)一定數量（通常在200臺左右，視通信協(xié)議而定），就很可能會(huì )因為網(wǎng)絡(luò )上大量的廣播而導致網(wǎng)絡(luò )傳輸效率低下。為了避免在大型交換機上進(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。但是傳統路由器也難以勝任VLAN之間的通信任務(wù)，因為相對于局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )流量來(lái)說(shuō)，傳統的普通路由器的路由能力太弱。
而且千兆級路由器的價(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)濟地解決了子網(wǎng)劃分之后子網(wǎng)之間必須依賴(lài)路由器進(jìn)行通信的問(wèn)題，因此三層交換機是連接子網(wǎng)的理想設備。
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