講述第三層交換機(jī)技術(shù)目標(biāo)思想
下文進(jìn)行詳細(xì)說明下第三層交換機(jī)的構(gòu)造以及工作原理，只要在源地址和目的地址之間有一條更為直接的第二層通路，硬件來維護(hù)路由表，因而能實(shí)現(xiàn)線速的路由。
局域網(wǎng)交換機(jī)的引入，使得網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)間可獨(dú)享帶寬，消除了無謂的碰撞檢測(cè)和出錯(cuò)重發(fā)，提高了傳輸效率，在交換機(jī)中可并行地維護(hù)幾個(gè)獨(dú)立的、互不影響的通信進(jìn)程。在交換網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，用戶信息只在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳送，其他節(jié)點(diǎn)是不可見的。
但有一點(diǎn)例外，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)上發(fā)送廣播或組播時(shí)，或某一節(jié)點(diǎn)發(fā)送了一個(gè)交換機(jī)不認(rèn)識(shí)的MAC 地址封包時(shí)，交換機(jī)上的所有節(jié)點(diǎn)都將收到這一廣播信息。整個(gè)交換環(huán)境構(gòu)成一個(gè)大的廣播域。
點(diǎn)到點(diǎn)是在第二層快速、有效的交換，但廣播風(fēng)暴會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的效率大打折扣。第三層交換機(jī)的速度實(shí)在快，比路由器快的多，而且價(jià)格便宜的多。可以說，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成的技術(shù)中，直接面向用戶的第一層接口和第二層交換技術(shù)方面已得到令人滿意的答案。
交換式局域網(wǎng)技術(shù)使專用的帶寬為用戶所獨(dú)享，極大的提高了局域網(wǎng)傳輸?shù)男省５诙咏粨Q也暴露出弱點(diǎn)：對(duì)廣播風(fēng)暴、異種網(wǎng)絡(luò)互連、安全性控制等不能有效地解決。作為網(wǎng)絡(luò)核心、起到網(wǎng)間互連作用的路由器技術(shù)卻沒有質(zhì)的突破。
當(dāng)今絕大部分的企業(yè)網(wǎng)都已變成實(shí)施TCP/IP 協(xié)議的Web 技術(shù)的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，用戶的數(shù)據(jù)往往越過本地的網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)際間傳送，因而，路由器常常不堪重負(fù)。傳統(tǒng)的路由器基于軟件，協(xié)議復(fù)雜，與局域網(wǎng)速度相比，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)男瘦^低。
但同時(shí)它又作為網(wǎng)段(子網(wǎng)，VLAN)互連的樞紐，這就使傳統(tǒng)的路由器技術(shù)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著Internet/Intranet 的迅猛發(fā)展和B/S(瀏覽器/服務(wù)器)計(jì)算模式的廣泛應(yīng)用，跨地域、跨網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)急劇增長(zhǎng)。
業(yè)界和用戶深感傳統(tǒng)的路由器在網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸效應(yīng)。改進(jìn)傳統(tǒng)的路由技術(shù)迫在眉睫。一種辦法是安裝性能更強(qiáng)的超級(jí)路由器，然而，這樣做開銷太大，如果是建設(shè)交換網(wǎng)，這種投資顯然是不合理的。
在這種情況下，一種新的路由技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這就是第三層交換技術(shù)：第三層交換技術(shù)也稱為IP 交換技術(shù)、高速路由技術(shù)等。第三層交換技術(shù)是相對(duì)于傳統(tǒng)交換概念而提出的。
眾所周知，傳統(tǒng)的交換技術(shù)是在OSI 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)模型中的第二層—數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行操作的，而第三層交換技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)。簡(jiǎn)單地說，第三層交換技術(shù)就是：第二層交換技術(shù)＋第三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。
這是一種利用第三層協(xié)議中的信息來加強(qiáng)第二層交換功能的機(jī)制。一個(gè)具有第三層交換功能的設(shè)備是一個(gè)帶有第三層路由功能的第二層交換機(jī)，但它是二者的有機(jī)結(jié)合，并不是簡(jiǎn)單的把路由器設(shè)備的硬件及軟件簡(jiǎn)單地疊加在局域網(wǎng)交換機(jī)上。
從硬件的實(shí)現(xiàn)上看，目前，第二層交換機(jī)的接口模塊都是通過高速背板/總線(速率可高達(dá)幾十Gbit/s)交換數(shù)據(jù)的，在第三層交換機(jī)中，與路由器有關(guān)的第三層路由硬件模塊也插接在高速背板/總線上。
這種方式使得路由模塊可以與需要路由的其他模塊間高速的交換數(shù)據(jù)，從而突破了傳統(tǒng)的外接路由器接口速率的限制(10Mbit/s---100Mbit/s)。在軟件方面，第三層交換機(jī)也有重大的舉措，它將傳統(tǒng)的基于軟件的路由器軟件進(jìn)行了界定，其作法是：
1 ．對(duì)于數(shù)據(jù)封包的轉(zhuǎn)發(fā)：如IP/IPX 封包的轉(zhuǎn)發(fā)，這些有規(guī)律的過程通過硬件得以高速實(shí)現(xiàn)。
2 ．對(duì)于第三層路由軟件：如路由信息的更新、路由表維護(hù)、路由計(jì)算、路由的確定等功能，用優(yōu)化、高效的軟件實(shí)現(xiàn)。假設(shè)兩個(gè)使用IP 協(xié)議的站點(diǎn)通過第三層交換機(jī)進(jìn)行通信的過程，發(fā)送站點(diǎn)A 在開始發(fā)送時(shí)，已知目的站的IP 地址，但尚不知道在局域網(wǎng)上發(fā)送所需要的MAC 地址。
要采用地址解析(ARP)來確定目的站的MAC 地址。發(fā)送站把自己的IP 地址與目的站的IP 地址比較，采用其軟件中配置的子網(wǎng)掩碼提取出網(wǎng)絡(luò)地址來確定目的站是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。
若目的站B 與發(fā)送站A 在同一子網(wǎng)內(nèi)，A 廣播一個(gè)ARP 請(qǐng)求，B 返回其MAC 地址，A 得到目的站點(diǎn)B 的MAC 地址后將這一地址緩存起來，并用此MAC 地址封包轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，第二層交換模塊查找MAC 地址表確定將數(shù)據(jù)包發(fā)向目的端口。
若兩個(gè)站點(diǎn)不在同一子網(wǎng)內(nèi)，如發(fā)送站A 要與目的站C 通信，發(fā)送站A 要向"缺省網(wǎng)關(guān)"發(fā)出ARP(地址解析)封包，而"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP 地址已經(jīng)在系統(tǒng)軟件中設(shè)置。這個(gè)IP 地址實(shí)際上對(duì)應(yīng)第三層交換機(jī)的第三層交換模塊。
所以當(dāng)發(fā)送站A 對(duì)"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP 地址廣播出一個(gè)ARP 請(qǐng)求時(shí)，若第三層交換模塊在以往的通信過程中已得到目的站B 的MAC 地址，則向發(fā)送站A 回復(fù)B 的MAC 地址；否則第三層交換模塊根據(jù)路由信息向目的站廣播一個(gè)ARP 請(qǐng)求。
目的站C 得到此ARP 請(qǐng)求后向第三層交換模塊回復(fù)其MAC 地址，第三層交換模塊保存此地址并回復(fù)給發(fā)送站A 。以后，當(dāng)再進(jìn)行A 與C 之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，將用最終的目的站點(diǎn)的MAC 地址封包，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程全部交給第二層交換處理，信息得以高速交換。
第三層交換機(jī)具有以下突出特點(diǎn)：
1. 有機(jī)的硬件結(jié)合使得數(shù)據(jù)交換加速；
2. 優(yōu)化的路由軟件使得路由過程效率提高；
3. 除了必要的路由決定過程外，大部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程由第二層交換處理；
4. 多個(gè)子網(wǎng)互連時(shí)只是與第三層交換模塊的邏輯連接，不象傳統(tǒng)的外接路由器那樣需增加端口，保護(hù)了用戶的投資。
第三層交換的目標(biāo)是，只要在源地址和目的地址之間有一條更為直接的第二層通路，就沒有必要經(jīng)過路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。第三層交換使用第三層路由協(xié)議確定傳送路徑，此路徑可以只用一次，也可以存儲(chǔ)起來，供以后使用。之后數(shù)據(jù)包通過一條虛電路繞過路由器快速發(fā)送。
第三層交換技術(shù)的出現(xiàn)，解決了局域網(wǎng)中網(wǎng)段劃分之后，網(wǎng)段中子網(wǎng)必須依賴路由器進(jìn)行管理的局面，解決了傳統(tǒng)路由器低速、復(fù)雜所造成的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題。當(dāng)然，三層交換技術(shù)并不是網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與路由器的簡(jiǎn)單疊加，而是二者的有機(jī)結(jié)合，形成一個(gè)集成的、完整的解決方案。
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