三层交换技术的原理

　前言

　　计算机网络往往由许多种不同类型的网络互连连接而成。如果几个计算机网络只是在物理上连接在一起，它们之间并不能进行通信，那么这种“互连”并没有什么实际意义。

　　因此通常在谈到“互连”时，就已经暗示这些相互连接的计算机是可以进行通信的，也就是说，从功能上和逻辑上看，这些计算机网络已经组成了一个大型的计算机网络，或称为互联网络，也可简称为互联网、互连网。

　　将网络互相连接起来要使用一些中间设备（或中间系统），ISO的术语称之为中继（relay）系统。根据中继系统所在的层次，可以有以下五种中继系统：1.物理层（即常说的第一层、层L1）中继系统，即转发器（repeater）。

　　2.数据链路层（即第二层，层L2），即网桥或桥接器（bridge）。

　　3.网络层（第三层，层L3）中继系统，即路由器（router）。

　　4.网桥和路由器的混合物桥路器（brouter）兼有网桥和路由器的功能。

　　5.在网络层以上的中继系统，即网关（gateway）。

　　当中继系统是转发器时，一般不称之为网络互联，因为这仅仅是把一个网络扩大了，而这仍然是一个网络。高层网关由于比较复杂，目前使用得较少。因此一般讨论网络互连时都是指用交换机和路由器进行互联的网络。本文主要阐述交换机和路由器及其区别。

　　交换机和路由器

　　“交换”是今天网络里出现频率最高的一个词，从桥接到路由到ATM直至电话系统，无论何种场合都可将其套用，搞不清到底什么才是真正的交换。其实交换一词最早出现于电话系统，特指实现两个不同电话机之间话音信号的交换，完成该工作的设备就是电话交换机。所以从本意上来讲，交换只是一种技术概念，即完成信号由设备入口到出口的转发。因此，只要是和符合该定义的所有设备都可被称为交换设备。由此可见，“交换”是一个涵义广泛的词语，当它被用来描述数据网络第二层的设备时，实际指的是一个桥接设备；而当它被用来描述数据网络第三层的设备时，又指的是一个路由设备。

　　我们经常说到的以太网交换机实际是一个基于网桥技术的多端口第二层网络设备，它为数据帧从一个端口到另一个任意端口的转发提供了低时延、低开销的通路。

一个具有第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，但它是二者的有机结合，并不是简单的把路由器设备的硬件及软件简单地叠加在局域网交换机上。
 

　　从硬件的实现上看，目前，第二层交换机的接口模块都是通过高速背板/总线（速率可高达几十Gbit/s）交换数据的，在第三层交换机中，与路由器有关的第三层路由硬件模块也插接在高速背板/总线上，这种方式使得路由模块可以与需要路由的其他模块间高速的交换数据，从而突破了传统的外接路由器接口速率的限制（10Mbit/s——100Mbit/s），在软件方面，第三层交换机也有重大的举措，它将传统的基于软件的路由器软件进行了界定，其作法是：

 

　　1、对于数据封包的转发：如IP/IPX封包的转发，这些有规律的过程通过硬件得以高速实现。

 

　　2、对于第三层路收软件：如路由信息的更新、路由表维护、路由计算、路由的确定等功能，用优化、高效的软件实现。假设两个使用IP协议的站点通过第三层交换机进行通信的过程，发送站点A在开始发送时，已知目的站的IP地址，但尚不知道在局域网上发送所需要的MAC地址。要采用地址解析（ARP）来确定目的站的MAC地址。发送站把自己的IP地址与目的站的IP地址比较，采用其软件中配置的子网掩码提取出网络地址来确定目的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，A广播一个ARP请求，B返回其MAC地址，A得到目的站点B的MAC地址后将这一地址缓存起来，并用此MAC地址封包转发数据，第二层交换模块查找MAC地址表确定将数据包发向目的端口。

 

　　若两个站点不在同一子网内，如发送站A要与目的站C通信，发送站A要向“缺省网关”发出ARP（地址解析）封包，而“缺省网关”的IP地址已经在系统软件中设置。这个IP 地址实际上对应第三层交换机的第三层交换模块。所以当发送站A对“缺省网关”的IP地址广播出一个ARP请求时，若第三层交换模块在以往的通信过程中已得到目的站B的MAC地址，则向发送站A回复B的MAC地址；否则第三层交换模块根据路由信息向目的站广播一个ARP请求，目的站C得到此ARP请求后向第三层交换模块回复其MAC地址，第三层交换模块保存此地址并回复给发送站A.以后，当再进行A与C之间数据包转发时，将用最终的目的站点的MAC地址封包，数据转发过程全部交给第二层交换处理，信息得以高速交换。

 

　　第三层交换具有以下突出特点：有机的硬件结合使得数据交换加速；优化的路由软件使得路由过程效率提高；除了必要的路由决定过程外，大部分数据转发过程由第二层交换处理；多个子网互连时只是与第三层交换模块的逻辑连接，不象传统的外接路由器那样需增加端口，保护了用户的投资。回复其MAC地址，第三层交换模块保存此地址并回复给发送站A。以后，当再进行A与C之间数据包转发时，将用最终的目的站点的MAC地址封包，数据转发过程全部交给第二层交换处理，信息得以高速交换