三层交换机的工作原理(二层交换机和三层交换机的工作原理)

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。

第三层交换是在网络交换机中引入路由模块而取代传统路由器实现交换与路由相结合的网络技术。它根据实际应用时的情况，灵活地在网络第二层或者第三层进行网络分段。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。第三层交换机的设计基于对IP路由的仔细分析，把IP路由中每个报文都必须经过的过程提取出来，这个过程是十分简化的过程。IP路由中绝大多数报文是不包含选项的报文，因此在多数情况下处理报文IP选项的工作是多余的。不同网络的报文长度是不同的，为了适应不同的网络，IP要实现报文分片的功能，但是在全以太网的环境中，网络的帧长度是固定的，因此报文分片也是一个可以省略的工作。第三层交换技术没有采用路由器的最长地址掩码匹配的方法，而是使用了精确地址匹配的方法处理，这样，有利于硬件的实现快速查找。它采用了使用高速缓存的方法，经常使用的主机路由放到了硬件查找表中，只有在这个高速缓存中无法匹配的项目才会通过软件去转发。在存储转发过程中使用了流交换方式，在流交换中，分析第一个报文确定其是否表示了一个流或者一组具有相同源地址和目的地址的报文。如果第一个报文具有了正确的特征，则该标识流中的后续报文将拥有相同的优先权，同一流中的后续报文被交换到基于第二层的目的地址上，三层交换机为了实现高速交换，都采用流交换方式。其在IP路由的处理上进行了改进，实现了简化的IP转发流程，利用专用的ASIC芯片实现硬件的转发，这样绝大多数的报文处理都可以在硬件中实现了，只有极少数报文才需要使用软件转发，整个系统的转发性能能够得以成千倍地增加，相同性能的设备在成本上也得到大幅度下降。每个VLAN对应一个IP网段。在二层上，VLAN之间是隔离的，这点跟二层交换机中交换引擎的功能是一模一样的。不同IP网段之间的访问要跨越VLAN，要使用三层转发引擎提供的VLAN间路由功能。在使用二层交换机和路由器的组网中，每个需要与其他IP网段通信的IP网段都需要使用一个路由器接口作为网关。而第三层转发引擎就相当于传统组网中的路由器，当需要与其他VLAN通信时也要在三层交换引擎上分配一个路由接口，用来做VLAN的网关。三层交换机上的这个路由接口是在三层转发引擎和二层转发引擎上的，是通过配置转发芯片来实现的，与路由器的接口不同，它是不可见的。下面举个例子来说明通信过程。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要向三层交换机的三层交换模块发出ARP(地址解析)封包。三层交换模块解析发送站A的目的IP地址，向目的IP地址网段发送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，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。可见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，三层交换机的速度很快，接近二层交换机的速度。

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。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。