交换机（四）三层交换技术

前言

数据交换技术的发展，是伴随着互联网的不断发展和广泛应用自然而然不断向前推进的——从最初简单的电路交换发展到二层交换，又从二层交换逐渐发展到今天比较成熟的三层交换，也必将随着网络技术的发展而推进到高层交换。

我们常常听说三层交换机，也知道三层交换机的使用对网络管理、提高网络速度等有很大帮助。那么究竟三层交换技术是如何能够“起作用”的呢？本文将重点谈谈三层交换技术的原理，在谈三层交换技术之前，想先简单介绍一下二层交换技术。

二层交换的优势和不足

二层交换技术从网桥发展到VLAN（虚拟局域网），在局域网建设和改造中得到了广泛的应用。顾名思义，二层交换技术就是指交换机工作在OSI七层网络模型中的第二层，即数据链路层。它按照所接收到数据包的目的MAC地址来进行转发，对于网络层或者更高层协议来说是透明的。它不处理网络层的IP地址，不处理高层协议的诸如TCP、UDP的端口地址，它只需要数据包的物理地址即MAC地址，数据交换是靠硬件来实现的，其速度相当快，这是二层交换的一个显著的优点。但是，二层交换不能处理不同IP子网之间的数据交换。

上图：标准OSI参考模型

三层交换技术的诞生

与此相反的是，传统的路由器可以处理大量的跨越IP子网的数据包，但是转发效率远比二层低。那么是不是能产生一种技术，既能够利用二层转发效率高这一优点，又能够处理三层IP数据包呢？于是在这种需求下，三层交换技术诞生了。

三层交换技术（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。简单地说，三层交换技术就是将路由技术与交换技术合二为一的技术，也即：二层交换技术+三层转发技术。
三层交换原理

前面已经提到，第三层交换工作在OSI七层网络模型中的第三层即网络层。它是利用第三层协议中的IP包的报头信息来对后续数据业务流进行标记，具有同一标记的数据流的后续报文被交换到第二层数据链路层，从而打通源IP地址和目的IP地址之间的一条通路。这条通路仅经过第二层链路层。有了这条通路，三层交换机就没有必要每次将接收到的数据包进行拆包来判断路由，而是直接将数据包进行转发，将数据流进行交换。

用实例说明三层交换过程

为了便于理解，下面举个实际的例子来说明三层交换过程是如何进行的：

假设两个使用IP协议的站点A、B要通过一个三层交换机进行通信，站点A为发送站点，站点B为目的站点。

Step 1：A在开始发送时，把自己的IP地址与B的IP地址进行比较，判断B是否与自己在同一子网内。

Step 2：若B与A在同一子网内，则进行二层的转发；若不在同一子网内，A需要向“缺省网关”发出ARP（地址解析）封包。值得注意的是，不同于二层交换机的“缺省网关”是路由器，这里的“缺省网关”的IP地址其实是三层交换机的三层交换模块。

Step 3：当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。

Step 4： 如果三层交换模块未和B站点通信过，不知B的MAC地址，则会根据路由信息向B广播一个ARP请求，B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A,同时将B的MAC地址发送到二层交换引擎的MAC地址表中。

Step 5：此后，A向B发送的全部数据包通通交给二层交换来处理，无需再通过三层进行路由，从而实现高速数据交换。

以上例子可以看出，数据通信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，基本接近二层交换机的转发速度。

三层交换技术的作用

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，从而缓解了由于路由器负担过重而造成的网络瓶颈问题。