浅谈L2层交换机与L3层交换在架构上的不同

本文旨在在架构上对L2层交换机和L3层交换机进行讲解。

1、OSI七层模型

图1，图2，图3是学习网络知识的基础。

 

图1：OSI七层模型

 

图2：每层对应的相关协议

 

图3：基于OSI的不一样的分层模式。

 2、L2层交换机

L2层交换机可以理解为没有IP路由功能和仅处理数据链路层的交换机。其基本的架构如图4

 

其最主要的功能就是在数据链路层学习MAC地址，完成数据转发。由带多个RJ-45的接口，PHY，MAC等模块的网络接口控制器（NIC）和管理由各个NIC分配的收发帧缓存，转发表的软件（或ASIC，即一种为专门目的而设计的集成电路）组成，通过参考转发表信息，在NIC之间进行数据帧交互。

NIC能够将数据转换为以太网数据帧，以10/100/1000BASE-T标准通过接口进行数据传输。一般由网络接口，PHY模块，MAC模块和总线结构组成。

图5为MAC和PHY层的处理过程：

 

 3、L3层交换机

L3层交换机是基于L2层交换机，并在其基础上增加了具有路由选择功能的网络硬件，能通过基于ASIC和FPGA的硬件实现高速的分组转发和网络路由。我们知道L2交换机工作在数据链路层，是基于MAC地址进行数据帧或VLAN的传输；而L3交换机工作在网络层，基于IP地址实现路由选择和分组过滤。

对于位于不同VLAN的终端通信，L2层交换机无法完成数据交换，必须通过叠加具有路由功能的路由器。如图6

 

图6：L2层交换实现VLAN间的通信。

而三层交换机是具备路由功能的。如图7

 

那么L3层交换机的架构又是怎样的？三层交换机并非是直接在二层交换机上叠加路由器，L3层交换机将硬件设备内部分离为两个区域，即以路由选择，管理功能为主的控制平面和以数据转发功能为主的数据平面，从而达到快速的分组转发。传统的路由器将路由选择功能，分组转发以及管理功能均有CPU处理，管理功能负载增加，就会造成分组转发分能力下降。

图8为L3层交换机的架构图：

 

图8

在控制平面，通过基于CPU的软件处理进行硬件整体控制，负载操作系统管理，管理员用户界面，路由选择协议处理等工作。

在数据层面，用过基于ASIC，FPGA，网络处理器的硬件处理来进行数据传输。L2上完成MAC数据帧传输，L3上完成IP分组传输。该层面在数据传输时也会进行必要的访问控制列表和QoS处理。

 

补充一点：L3交换机与路由器的区别，除了支持的数据协议不同外（现代L3交换机仅支持以太网的数据链路层协议和IP网络的网络层协议，而路由器在物理层和数据链路层还支持ATM,帧中继，SDH，串口等，网络层和传输层还支持TCP/IP以外的协议，如IPX），最主要的是路由器的数据帧处理和其他管理功能都是由CPU承担，而L3层交换分工明确，在数据帧处理上有专用的硬件。

                   《完》

参考：图解网络硬件   作者：三轮贤一