三层交换机的工作原理(三层交换机的工作原理是:一次路由、多次交换)

三层交换机使用了三层交换技术 简单地说，三层交换技术就是：二层交换技术＋三层转发技术。它解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。三层交换（也称多层交换技术，或IP交换技术）是相对于传统交换概念而提出的。众所周知，传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层——数据链路层进行*作的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。简单地说，三层交换技术就是：二层交换技术＋三层转发技术。三层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。三层交换原理一个具有三层交换功能的设备，是一个带有第三层路由功能的第二层交换机，但它是二者的有机结合，并不是简单地把路由器设备的硬件及软件叠加在局域网交换机上。 其原理是：假设两个使用IP协议的站点A、B通过第三层交换机进行通信，发送站点A在开始发送时，把自己的IP地址与B站的IP地址比较，判断B站是否与自己在同一子网内。若目的站B与发送站A在同一子网内，则进行二层的转发。若两个站点不在同一子网内，如发送站A要与目的站B通信，发送站A要向“缺省网关”发出ARP(地址解析)封包，而“缺省网关”的IP地址其实是三层交换机的三层交换模块。当发送站A对“缺省网关”的IP地址广播出一个ARP请求时，如果三层交换模块在以前的通信过程中已经知道B站的MAC地址，则向发送站A回复B的MAC地址。否则三层交换模块根据路由信息向B站广播一个ARP请求，B站得到此ARP请求后向三层交换模块回复其MAC地址，三层交换模块保存此地址并回复给发送站A,同时将B站的MAC地址发送到二层交换引擎的MAC地址表中。从这以后，当A向B发送的数据包便全部交给二层交换处理，信息得以高速交换。由于仅仅在路由过程中才需要三层处理，绝大部分数据都通过二层交换转发，因此三层交换机的速度很快，接近二层交换机的速度，同时比相同路由器的价格低很多。

在大型局域网，校园网，核心骨干网络中是必须要使用三层交换机的。如果不使用三层交换机所有的计算机都在一个子网中。形成的广播风暴足以使整个网络瘫痪。而且安全性也是很差。也许大家说可以使用传统的路由器。虽然使用路由器可以起到隔离广播的作用可以性能又达不到。三层交换机通过使用硬件交换机构实现了IP的路由功能，其优化的路由软件使得路由过程效率提高，解决了传统路由器软件路由的速度问题。如上面所说三层交换机还有重要的作用就是在保证速度的情况下连接子网。为了减少在同一个网络中计算机的数量不能太大。所以要进一补划分出许多的IP子网来防止广播风暴的产生。那子网之间的任务也就要依赖三层交换机了这个“中流砥柱”了。同样是由于传统路由器的能力太弱。而千兆级路由器的价格又难以接受。一般三级交换机的价格在10000元左右，而千兆级路由器的价格则是在“ ”范围之间。除了高性价比之外，三层具有可扩展行，三层交换机在连接多个子网是，子网只是与第三层交换模块建立逻辑连接不需要传统路由器需要增加端口。如果需要增加网络设备，由于预留了各种扩展模块接口，不需要对原来的网络布局和原来的设备进行改动就可以直接扩充设备，保护了原有的投资。高安全性也是三层交换机吸引人的重要方面。三层交换机处于核心的网络层肯定是网络黑客攻击的对象，在软件方面配置可靠性高的放火墙，可以阻止不明身份的数据包。而且可以访问列表，通过访问列表的设置就可以限制内部用户访问一些特别的IP地址。而且可以防止外部的非法访问者访问内部网络。

三层交换机结合了二三层的特性，也就是路由与交换的特性，二层特性包括vlan，生成树，trunk等，三层特性通过启用vlanif 三层口来关联二层vlan达到不同vlan间的通信，同时起到路由功能。但三层交换机也有二层的那些功能。但是三层交换机不能像路由器防火墙那样做nat，这个它做不到。 cisco 华为起个二层vlan，比如vlan 2 ，然后起个interface vlanif 2 ，就自动把二三层关联了，但是juniper不一样，要通过手动命令来关联

三层交换机就是具有部分路由器功能的交换机，工作在OSI网络标准模型的第三层：网络层。三层交换机的最重要目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具有的路由功能也是为这目的服务的，能够做到一次路由，多次转发。对于数据包转发等规律性的过程由硬件高速实现，而像路由信息更新、路由表维护、路由计算、路由确定等功能，由软件实现。交换机的强大三层交换机拥有强大的路由传输、带宽分配、多媒体传输和安全控制功能, 能够根据不同的通信业务系统划分不同的用户群体, 实现电业业务的高效传输, 具有重要的作用。三层交换机可以与普通路由器一样，具有访问列表的功能，可以实现不同VLAN间的单向或双向通讯。如果在访问列表中进行设置，可以限制用户访问特定的IP地址，这样学校就可以禁止学生访问不健康的站点。访问列表不仅可以用于禁止内部用户访问某些站点，也可以用于防止校园网、城域教育网外部的非法用户访问校园网、城域教育网内部的网络资源，从而提高网络的安全。
三层交换机就是具有部分路由器功能的交换机，工作在OSI网络标准模型的第三层：网络层。三层交换机的最重要目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具有的路由功能也是为这目的服务的，能够做到一次路由，多次转发。对于数据包转发等规律性的过程由硬件高速实现，而像路由信息更新、路由表维护、路由计算、路由确定等功能，由软件实现。扩展资料：三层交换机拥有强大的路由传输、带宽分配、多媒体传输和安全控制功能, 能够根据不同的通信业务系统划分不同的用户群体, 实现电业业务的高效传输, 具有重要的作用。三层交换机可以与普通路由器一样，具有访问列表的功能，可以实现不同VLAN间的单向或双向通讯。如果在访问列表中进行设置，可以限制用户访问特定的IP地址，这样学校就可以禁止学生访问不健康的站点。访问列表不仅可以用于禁止内部用户访问某些站点，也可以用于防止校园网、城域教育网外部的非法用户访问校园网、城域教育网内部的网络资源，从而提高网络的安全。
一、什么是三层交换机 在92年，就已经有三层交换机诞生，那么到底什么是三层交换机呢？在早期，人们想把二层交换和三层路由功能结合在一台设备上，以减少 设备数量。那时第三层交换是基于软件的，转发速度很慢，后来才发展到以硬件来实现三层交换。从今天来看，三层交换机实质就是一种特殊的路由器，是一种在性能上侧重于交换（二层和三层），有很强交换能力而价格低廉的路由器。它以ASIC实现IP包的三层交换，其交换能力都在MPPS以上，而传统的路由器一般不超过10万包/秒（这里指的是单块板的转发能力，不是指采用分布式转发情况多块板的总的转发能力，也不包括现在采用昂贵的网络处理器构成的GSR等，此外现在有更高速CPU推出，但也很难超过1MPPS 【3】）。网络处理器价格高昂在于它除了三层交换部分本身比较复杂外，它还有很强的QOS，POLICY等功能。以IBM的Rainer处理器为例：它的 硬件可管理上千个流，软件配置不同流的带宽，内嵌 PowerPC 处理器； 拥有大量的协处理器和硬件加速器，可以并行地处理数据。而三层交换机的转发部分为了降低成本，根本不可能线速支持上千个流并有能力进行带宽分配。原来有人有一种观点，那就是用最长匹配实现大路由表查找的CAM很贵，换句话说用硬件来实现大路由表的最长匹配搜索成本很高，从调查资料来看，这种观点看来并不一定对。路由表的搜索采用CAM实现成本也并不高。以 Kawasaki LSI公司的支持最长匹配搜索的的CAM芯片KE5BLME064为例，它支持64K的路由前缀项，每个ENTRY 40bit 宽，包搜索速度可达6.7Mpps，时延为数百个纳秒，而价格不到60美元【6】。当然减少支持的路由表项无疑能降低成本，而且就三层交换机通常的应用环境来看不需要太多的路由表项，因此一般三层交换机支持的路由表项比GSR要少，例如CISCO 4000系列只支持到16K--32K路由表项，北电的ACCLER 1000支持32K。不过CISCO应用在6500系列上的SUPER ENGINES 2已经支持到128K，已经可以和骨干网路由器的表项相当了。CISCO设计的转发引擎上支持的路由表越来越大和CISCO考虑到三层交换机往城域网和骨干网上应用有关。总的来看，网络处理器之所以贵，应该还是贵在它的灵活性上，贵在支持QOS，POLICY，以及多种协议，尤其是有些协议还没有完全形成标准，网络处理器可能只需修改软件就可以支持（多数三层交换机就有困难，这也导致有很多厂家早期三层交换机与现在的协议不兼容），网络处理器要对包内容进行更多的识别，更复杂的调度，为了达到线速处理，里面常集合多个微引擎，支持多线程处理。这些也许才是导致网络处理器价格急剧上升的主要原因。相比起来三层交换机在这方面能力就很弱，例如CISCO 6000系列只支持16个QOS队列，4000只支持一个，5500支持两个，而Extreme的 三层引擎只支持4个队列。因为是采用硬件实现三层交换，所以交换速度能做到很高，但要想同时支持大量三层协议，如IP,　IPX，AppleTalk,　DECnet等等，这些协议的封包格式不一样，用软件实现起来容易，用硬件实现却非常困难，用硬件实现转发的协议太多，只会带来成本的急剧上升，因此三层交换机上一般只考虑支持较为常用的IP，IPX协议，IP多播。也有的三层交换机支持其它的，但那是用软件实现的，转发速率较低，例如 CISCO 的CATALYST 6000系列就在MSFC上用软件实现AppleTalk等，转发速率在10万－20万包/秒【4】。三层交换机现在主要提供以太网接口。以太网技术简单，价格低廉，在企业网里应用最为普遍，三层交换机采用以太网接口，能为企业网提供廉价而高速交换的设备，替代价格高昂而性能却上不去的的路由器。三层交换机的ASIC同时提供IP的二层和三层交换，把原来二层以太网交换机和路由器的功能熔为一体，极大的降低了用户的成本。随着宽带业务的兴起，三层交换机的应用范围不断拓展，尤其是GE和10G以太网技术的迅速发展，导致三层交换机从企业网已经逐步走向了城域网，而应用范围的拓展也促进了其设计的革新。例如原来在三层交换机广泛采用的是CACHE技术，在三层交换机往城域网和骨干网上应用时，业务流无规则性越来越强，网络拓扑变更也有增加，因为视频语言业务的增加，QOS等也有需求，采用这种技术的弊病越来越明显；三层交换机在向城域网和骨干网上发展时要求三层交换机需要支持的协议也越来越多，如有的厂家三层交换机已经支持OSPF, BGP，MPLS等协议，有的甚至采用可编程ASIC,支持IPV6。三层交换机上支持的接口种类也越来越多，有的已经支持广域网口，例如CISCO 6000系列就提供广域网模块 flexWAN，可提供各种广域网接口。如ATM ，POS，帧中继,PPP等。但这部分也是和传统路由器一样，用软件来处理的, flexWAN上有两个263M的RM7000处理器来处理这些广域网接口协议，接口速度上不去，目前只支持到OC-3 ATM或OC-3 POS。这些广域网接口的适配器和CISCO 7200/7500系列兼容； 但可以肯定，如果你想在三层交换机上选用广域网接口，那和普通路由器上的广域网接口价格应该差不多，因为在接口上采用的技术是一样的。但这样一来，三层交换机导致了一向引以提供广域网接口而作为卖点的诸如CISCO 7000这类路由器就鲜有出路，有评论说这类路由器正在走向终结。三层交换机一般不支持广域网口还有一个原因就是因为不同的广域网口，其MTU可能不一样，这样如果要达到线速转发的话，就必须在硬件上支持分片，这会导致设计很繁琐，目前的三层交换机都不支持分片，而交换机上全部采用以太网接口就不存在这一问题。 但这些厂家只是为了增强三层交换机的卖点而提供的多种广域网接口和协议模块，不能从硬件上就提供二层高速转发，而纯利用三层交换机的三层交换交换功能，不能充分发挥三层交换机的功能。增加广域网接口有个好处就是如果三层交换机需要和广域网相连上internet的话，就比较灵活，不一定在出口处非加一级路由器，而目前很多厂家三层交换机对广域网口不支持，结果在组网时上连internet都要增加一个路由器，当然这里不完全是因为接口的原因，还有这些三层交换机支持协议有限，例如不支持BGP协议，支持的路由表项不足，防火墙功能不完善有关系。三层交换机根据应用场合分多种档次，性能和价格都不一样，不能一概而论。在城域网甚至骨干网上应用的三层交换机，要求在三层交换机上增加的功能也多，性能的提高伴随着设计复杂度的增大，必然带来价格的上升，特别高端的三层交换机实际就和GSR没有区别了。应该说，如果达到这个档次的三层交换机实际已经不能叫三层交换机，就象JUNIPER的高端路由器一样，它的主要部件都是以ASIC设计的，我们称之为三层交换机也不是不可以，但它的ASIC实现的功能太复杂，太强大，价格很高昂，还是称之为高端路由器更合适。通常的三层交换机之所以被称为交换机就是因为它的功能有限，主要以面向交换为目的，所以才称之为交换机。它的设计主要以面向企业网和城域网而设计的，在这个层面上需求的数量达，对这个层面上的用户而言，在达到满足主要性能的前提下，成本是最重要的考虑因素，它以够用为准则，不强调在三层交换机上实现过多的协议，提供过多根本用不上的功能【5】。例如，在三层交换机上实现很强大的QOS，支持BGP协议等，这些在绝大多数用户那儿实际并没有用处。在目前国内建设城域网时，它实际也不一定要考虑太多QOS，目前主要还是上NTERNET。这实际也符合中国的国情，就拿视频点播来说，在中国租一张碟片只需一两块钱甚至几角钱，VCD机在城市用户几乎普及，有多少人愿意去点播呢？理解三层交换机的应用范围和要达到低成本的要求，就能理解为什么三层交换机在Cos,　POLICY等方面功能较弱，主要提供以太网口，支持有限服务，有限协议，有限路由功能。三层交换机主要提供以太网接口，各种速率的以太网接口其帧格式都相似，很容易用硬件实现二层的高速转发，一般其二层转发功能远远超过三层功能，很多三层交换机二层转发能力都在100MPPS，而三层转发能力只有几个MPPS。GE和10GE以其低廉的价格，为三层交换机在广域网上的应用提供了很好的条件。 三层交换机在交换网上采用的技术和路由器都一样，没有什么差别。例如CISCO 6500系列就采用CROSS BAR技术。
三层交换机工作于OSI参考模型第三层,并不是指交换机有"三层"东西. 三层交换技术就是二层交换技术＋三层转发技术。传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层——数据链路层进行操作的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。应用第三层交换技术即可实现网络路由的功能，又可以根据不同的网络状况做到最优的网络性能。
三层交换机，本质上就是“带有路由功能的（二层）交换机”。路由属于OSI参照模型中第三层网络层的功能，因此带有第三层路由功能的交换机才被称为“三层交换机”。

三层交换机就是具有部分路由器功能的交换机，工作在OSI网络标准模型的第三层：网络层。三层交换机的最重要目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具有的路由功能也是为这目的服务的，能够做到一次路由，多次转发。 对于数据包转发等规律性的过程由硬件高速实现，而像路由信息更新、路由表维护、路由计算、路由确定等功能，由软件实现。应用目的网络骨干要说三层交换机在诸多网络设备中的作用，用“中流砥柱”形容并不为过。在校园网、城域教育网中，从骨干网、城域网骨干、汇聚层都有三层交换机的用武之地，尤其是核心骨干网一定要用三层交换机，否则整个网络成千上万台的计算机都在一个子网中，不仅毫无安全可言，也会因为无法分割广播域而无法隔离广播风暴。如果采用传统的路由器，虽然可以隔离广播，但是性能又得不到保障。而三层交换机的性能非常高，既有三层路由的功能，又具有二层交换的网络速度。二层交换是基于MAC寻址，三层交换则是转发基于第三层地址的业务流；除了必要的路由决定过程外，大部分数据转发过程由二层交换处理，提高了数据包转发的效率。三层交换机通过使用硬件交换机构实现了IP的路由功能，其优化的路由软件使得路由过程效率提高，解决了传统路由器软件路由的速度问题。因此可以说，三层交换机具有“路由器的功能、交换机的性能”。连接子网同一网络上的计算机如果超过一定数量（通常在200台左右，视通信协议而定），就很可能会因为网络上大量的广播而导致网络传输效率低下。为了避免在大型交换机上进行广播所引起的广播风暴，可将其进一步划分为多个虚拟网（VLAN）。但是这样做将导致一个问题：VLAN之间的通信必须通过路由器来实现。但是传统路由器也难以胜任VLAN之间的通信任务，因为相对于局域网的网络流量来说，传统的普通路由器的路由能力太弱。而且千兆级路由器的价格也是非常难以接受的。如果使用三层交换机上的千兆端口或百兆端口连接不同的子网或VLAN，就在保持性能的前提下，经济地解决了子网划分之后子网之间必须依赖路由器进行通信的问题，因此三层交换机是连接子网的理想设备。优势特性三层交换机拥有强大的路由传输、带宽分配、多媒体传输和安全控制功能, 能够根据不同的通信业务系统划分不同的用户群体, 实现电业业务的高效传输, 具有重要的作用。[3]除了优秀的性能之外，三层交换机还具有一些传统的二层交换机没有的特性，这些特性可以给校园网和城域教育网的建设带来许多好处，列举如下。高可扩充性三层交换机在连接多个子网时，子网只是与第三层交换模块建立逻辑连接，不像传统外接路由器那样需要增加端口，从而保护了用户对校园网、城域教育网的投资。并满足学校3~5年网络应用快速增长的需要。高性价比三层交换机具有连接大型网络的能力，功能基本上可以取代某些传统路由器，但是价格却接近二层交换机。一台百兆三层交换机的价格只有几万元，与高端的二层交换机的价格差不多。三层交换机内置安全机制三层交换机可以与普通路由器一样，具有访问列表的功能，可以实现不同VLAN间的单向或双向通讯。如果在访问列表中进行设置，可以限制用户访问特定的IP地址，这样学校就可以禁止学生访问不健康的站点。访问列表不仅可以用于禁止内部用户访问某些站点，也可以用于防止校园网、城域教育网外部的非法用户访问校园网、城域教育网内部的网络资源，从而提高网络的安全。多媒体传输教育网经常需要传输多媒体信息，这是教育网的一个特色。三层交换机具有QoS（服务质量）的控制功能，可以给不同的应用程序分配不同的带宽。 例如，在校园网、城域教育网中传输视频流时，就可以专门为视频传输预留一定量的专用带宽，相当于在网络中开辟了专用通道，其他的应用程序不能占用这些预留的带宽，因此能够保证视频流传输的稳定性。而普通的二层交换机就没有这种特性，因此在传输视频数据时，就会出现视频忽快忽慢的抖动现象。