多层交换机讲解

22.1多层交换概述
三层交换的组成：
结合了2层交换和3层路
由功能于一身。路由器一
般只能传几千个包，使用
3 层交换，可以达到几百
万个包传输。三层 交换机
具有路由转发功能(路径
选择、负载均衡和汇总、
多种路由协议路由)和包
转发功能(NetFlow交换和CEF 交换、基于硬件的包交换、3 层和4层转发性能等同于2 层转发性能)，以
及智能的服务从而便于管理、诊断并且提高应用的可靠性(提供：网络管理、高可用性、安全、QoS和I
P组播)。

传统的2层交换，3层路由的结构如下：

 

 
随着高速网络的发展，告诉网络瓶颈之一就是路由器中的决策过程。软件重写 PDU 导致转发速度
提升较为缓慢。随着硬件技术的提高，可以实现基于硬件的重写 PDU 头。
IP单播数据包和包重写(三层包转发需要被改写部分内容)

 

KK很多软件和硬件的组合都支持基于硬件的PDU头重写和转发，cisco 采用2种方式实现，一种是
MLS多层交换技术，  另一种为Cisco的快速转发(CEF).
MLS是由少数旧Catalyst 交换机使用的提供线速路由选择的技术。有时候被称为，一次路由，多次
交换。即一个数据流的第一个分组被路由器软件路由，后续分组则由 交换机硬件来转发。
CEF是新的Cisco设备使用的提供线速路由选择的技术。MLS查看流中的第一个分组，并缓存所需的
信息来允许后续分组能独立于路由处理器进行交换。而CEF完全绕过路由处理器。
 
3层交换的结构：

 

22.1.1    MLS构成
MLS(MultiLayer Switching，多层交换)为 交换机提供基于硬件的第三层高性能交换。它采用先进的专
用集成电路(ASIC)交换部件完成子网间的IP包交换，可以大大减轻路由器在处理数据包时所引起的过高
系统开销。  
MLS是一种用硬件处理包交换和重写帧头，从而提高IP路由性能的技术。Cisco多层交换技术支持
所有传统路由协议，而原来由路由器完成的帧转发和重写功能现在已经由 交换机的硬件完成。MLS将传
统路由器的包交换功能迁移到第三层 交换机上。当然，这首先要求交换的路径必须存在。
MLS由以下三个部分组成:
1.  多层路由处理器  (MLS-RP)  它相当于网络中的路由器，负责处理每个数据流的第一个数据包，
协助 MLS 交换引擎  (MLS-SE)在第三层的 CAM 中建立捷径条目(Shortcut  Entry)。MLS-RP 可以
是一个外部的路由器，也可以由三层 交换机的路由交换模块(RSM)来实现。  
2.  多层交换的交换引擎  (MLS-SE)  它是负责处理转发和重写数据包功能的交换实体。
3.  多层交换协议  (MLSP)  它是一个轻型协议，用来通过多层路由处理器  (MLS-RP)对多层交换的
交换引擎进行初始化。  
22.1.2   MLS流
一个MLS-SE为第3层交换流维护一个第3 层交换表。在创建了MLS缓存后，被定义为属于一个现
有流的分组能基于缓存信息进行交换。MLS 缓存为所有活动的流维护流信息。MLS 最大可以容纳 128，
000条表项。 MLS-SE使用flow mask来确定如何创建MLS表项。 Flow-mask 是基于源IP，目的IP和协议，

以及协议端口组合的一套标准，MLS-SE通过来自为其操作的MLSP消息学习flow mask。Flow mask 有 3
种模式
1．  Destination-ip
2．  Source/Destination-ip
3．  Ip-flow
 
22.1.3   MLS操作  
以如下拓扑结构为例:

 

第一步：发送MLSP Hello  信息  
当路由器激活后，多层路由处理器每 15 秒发送一个 MLSP  Hello 包，这些包内含路由器接口
所使用的 VLAN 标识和 MAC 地址信息。MLS-SE 通过
这些信息掌握具备多层交换能力的路由器的第二层
属性。如果 交换机连接了多个 MLS-RP，MLS-SE 通过
为它们的 MAC 地址分配 XTAG 值的方法来区分每个
MLS-RP 的 MAC 地址条目。如果 MLSP 帧从同一个
MLS-RP得到所有MAC地址， MLS-SE则为其附加相同
的 XTAG 值，具体如左图所示。这些关联的记录都存
放在 CAM 中。由于 Hello 包是周期性发送的，所以，
这种方法可以保证相关值动态地跟踪网络的变化，并
可实现一定的淘汰机制。   Hello包是在第二层发布的，
它使用多播地址01-00-0C-DD-DD-DD。

 

 
第二步：标识候选包(Candidate Packet)  
在了解具有多层交换能力的路由器的相关地
址后，MLS-SE 可以对进入 交换机的数据包进行匹配
判断。对于一个流中的数据包，如果MLS 缓存中含
有与之匹配的捷径条目，则MLS-SE就旁路路由器而
直接转发该数据包；如果MLS中不含与该数据包相
匹配的捷径条目，则MLS-SE 将它归为候选包，并在

 

缓存中建立部分捷径(Partial shortcut)。这样的包采用传统的第二层 交换机处理方式处理，并发往与
之相连的路由器接口(网关)，具体见右图所示。
第三步：标识使能包(Enable Packet)  
路由器收到并以传统的方式转发数据包。通过数据包的目标地址路由表得知，这个包应从 Fast
Ethernet1/0的第二个接口转出，并将包封装为VLAN2帧通过ISL链路送回。具体过程如图所示。  

 

 
此时，路由器已经重写第二层帧的帧头。同时，路由器
不仅改写了 ISL 头的 VLAN 号，而且也修改了两个 MAC  地址
域  ：源ＭＡＣ改为路由器出口的 MAC 地址，目标ＭＡＣ改
为主机 B 的 MAC 地址。虽然数据包的 IP 地址未改写，但 IP
包头的生存时间(TTL)值被减 1，故 IP 包头的校验和也需要做
相应的修改。  
这个修改后的数据包称为使能包(Enable Packet)，当这个
数据包从路由器送出并穿过 交换机到达目的地主机Ｂ时，要
履行下列五个功能：  
1.  第二层 交换机根据使能包的目的地MAC地址，知道该数据包应该从PORT3/1
口转发出去；  
2.  MLS-SE 得知使能包的帧头上源地址是通过 Hello 过程建立的地址记录之一；   
3.  MLS-SE根据使能包目的IP地址查寻在第二步中建立的部分捷径条目；  
4.  MLS-SE 将与使能包源 MAC 地址相关联的 XTAG 值和部分捷径条目的对应
XTAG 值相比较，如果匹配，则表明这个使能包与第二步中的候选包来自同
一个路由器；
5.  MLS-SE完成该捷径条目的建立过程，该捷径记录将包含重写数据流中的后续
包帧头所需的所有信息。  

 
第四步：直接交换(转发)数据流中的后续包  
当后续的数据包被主机A送出后， MLS-SE 利
用数据包中的目标 IP 地址查找在第三步建立的完
整捷径。地址匹配后，MLS-SE 利用重写引擎修改
帧头信息，然后直接转发给主机 B(数据包不发给
路由器)。重写操作修改帧头域，其值同第一个被
路由器修改的数据包的域值一样。详见图5所示。
这里需要解释的是，NFFC(NetFlow  Feature  Card)
是装备在三层 交换机中的网络流性能卡，它维护
第三层交换数据包流的交换表(MLS  Cache)，作为
多层交换的交换引擎部分。  

 

22.1.4   MLS硬件及软件要求
Catalyst 6000系列 交换机  
带有Supervisor 1的Catalyst 6000系列 交换机可以通过多层交换特性卡(MSFC1或MSFC2)
和一块策略特性卡(PFC)支持MLS。装有PFC2的MSFC2利用Cisco快速转发(CEF)执行第3层(L3)
交换功能。  
  Catalyst  6000 系列 交换机采用 MLS 技术支持 IP、IP 组播和互联网络包交换(IPX)协议。缺
省状态下，IP和IPX MLS开启，I P组播MLS 关闭。  
  Catalyst 6000系列 交换机不支持外部多层交换-路由处理器(MLS-RP)。内部多层交换必须由
MSFC1或MSFC 2使用PFC执行。  
  Catalyst 6000系列  Supervisor 交换引擎软件5.1 CSX  或更高版本支持IP和IP组播，  软件
版本5.2(1) CSX 或更高版本支持IPX MLS。  
  MSM是Catalyst 8510 CSR的同等产品，具有四个内部GB端口连接到Catalyst 6000底板。
由于该产品基于Catalyst 8510 CSR，因此已在缺省状态下采用硬件Cisco快速转发(CEF) (用
于IP、IP组播和IPX)。您不必为MSM配置MLS就可以执行第3层(L3)硬件交换。  
  注意：  MSM 已停产。MSM 的替代产品是MSFC。  
 
Catalyst 5000系列 交换机 
Catalyst 5000系列 交换机可在Supervisor交换引擎III中使用Netflow特性卡(NFFC)或NFFC
II即可支持MLS。  Catalyst 5000还可使用路由交换模块  (RSM)、路由交换特性卡(RSFC)或外部
Cisco 7500  、7200  、  4500、  4700  或  3600  系列路由器支持MLS。安装在Catalyst 6000交
换机上的MSM 或MSFC也可用在Catalyst 5000的外部。  
Catalyst Supervisor引擎  软件版本4.1(1)  或更高版本支持用于IP的MLS；  软件版本5.1
或更高版本支持用于IP  组播的MLS；  软件版本5.2(1)  或更高版本支持Catalyst 5000系列交
换机上的IPX。  
Cisco  IOS  ®  路由器软件11.3(2)WA4(4)  或更高版本在RSM  或Cisco  7500、7200、4700
和  4500系列路由器上支持MLS；Cisco IOS版本12.0(2)  或更高版本在Cisco 3600系列路由器
上支持MLS；IOS版本12.0(3c)W5(8a)  或更高版本在RSFC上支持MLS。