1  引言

    隨著(zhù)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷完善，人們對網(wǎng)絡(luò )的傳輸要求也越來(lái)越高，在競爭中以太網(wǎng)以其傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢脫穎而出成為現代企業(yè)網(wǎng)絡(luò )的首選，VLAN技術(shù)的出現很好地解決了網(wǎng)絡(luò )信息過(guò)載的問(wèn)題，但是由于不同VLAN之間的通信必須依賴(lài)路由功能，而傳統的路由器由于其自身低速，復雜等局限性，很容易成為網(wǎng)絡(luò )的瓶頸使以太網(wǎng)的優(yōu)勢難以發(fā)揮，第三層交換技術(shù)的出現克服了傳統路由的缺點(diǎn)，可以解決這個(gè)難題。

2  第三層交換技術(shù)發(fā)展的必要性

    傳統路由器的主要功能是實(shí)現路由選擇與網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，即通過(guò)一定途徑獲得子網(wǎng)的拓撲信息與各物理線(xiàn)路的網(wǎng)絡(luò )特性，并通過(guò)一定的路由算法得到到達各子網(wǎng)的最佳路徑。建立相應的路由表，從而將每個(gè)IP包跳到跳（hop to hop）傳到目的地；其次，它必須處理不同的鏈路協(xié)議。IP包途經(jīng)每個(gè)路由器時(shí)，需經(jīng)過(guò)排隊、協(xié)議處理和尋址選擇路由等軟件處理環(huán)節，造成延時(shí)增大。同時(shí)路由器采用共享總線(xiàn)方式，總的吞吐量受到限制，當用戶(hù)數量增大時(shí)，每個(gè)用戶(hù)的接入速率降低。路由器更注重對多種介質(zhì)類(lèi)型和多種傳輸速度的支持，而目前數據緩沖和轉換能力比線(xiàn)速吞吐能力和低時(shí)延更為重要。

    與路由技術(shù)相比，交換技術(shù)的好處就是速度快，當網(wǎng)絡(luò )規模很大時(shí)，高速、大容量路由器是十分必要的。另一方面，由于現代通信網(wǎng)絡(luò )大都采用光纖技術(shù)，所以目前數據網(wǎng)絡(luò )的主要瓶頸是結點(diǎn)路由器?，F在的第三層交換、路由交換或其他相關(guān)名詞都是這種思路的體現。雖然第三層交換最初是為了局域網(wǎng)而設計的，它采用目的IP地址進(jìn)行交換，但是現在這種技術(shù)也已經(jīng)開(kāi)始在廣域網(wǎng)中使用。它不需要將廣播封包擴散，而是直接利用動(dòng)態(tài)建立的MAC地址來(lái)通信，如IP地址、ARP等，具有多路廣播和虛擬網(wǎng)間基于IP和IPX等協(xié)議的路由功能。這方面功能的順利實(shí)現，主要依靠專(zhuān)用集成電路ASIC把傳統路由軟件處理的指令改為ASIC芯片的嵌入式指令，從而加速了對包的存儲轉發(fā)和過(guò)濾，使得高速下的線(xiàn)性路由和服務(wù)質(zhì)量都有了很高的保證。

3  第三層交換技術(shù)的基本原理及結構框架

3.1  第三層交換技術(shù)的基本原理

    第三層交換是在網(wǎng)絡(luò )交換機中引入路由模塊而取代傳統路由器實(shí)現交換與路由相結合的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。它根據實(shí)際應用時(shí)的情況，靈活地在網(wǎng)絡(luò )第二層或者第三層進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )分段。具有三層交換功能的設備是一個(gè)帶有第三層路由功能的第二層交換機，但它是二者的有機結合，并不是簡(jiǎn)單地把路由器設備的硬件及軟件疊加在局域網(wǎng)交換機上。

    第三層交換機的設計基于對IP路由的仔細分析，把IP路由中每個(gè)報文都必須經(jīng)過(guò)的過(guò)程提取出來(lái)，這個(gè)過(guò)程是十分簡(jiǎn)化的過(guò)程。IP路由中絕大多數報文是不包含選項的報文，因此在多數情況下處理報文IP選項的工作是多余的。不同網(wǎng)絡(luò )的報文長(cháng)度是不同的，為了適應不同的網(wǎng)絡(luò )，IP要實(shí)現報文分片的功能，但是在全以太網(wǎng)的環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò )的幀長(cháng)度是固定的，因此報文分片也是一個(gè)可以省略的工作。第三層交換技術(shù)沒(méi)有采用路由器的最長(cháng)地址掩碼匹配的方法，而是使用了精確地址匹配的方法處理，這樣，有利于硬件實(shí)現快速查找。它采用了使用高速緩存的方法，把最近經(jīng)常使用的主機路由放到了硬件查找表中，只有在這個(gè)高速緩存中無(wú)法匹配的項目才會(huì )通過(guò)軟件去轉發(fā)。在存儲轉發(fā)過(guò)程中使用了流交換方式，在流交換中，分析第一個(gè)報文確定其是否表示了一個(gè)流或者一組具有相同源地址和目的地址的報文。如果第一個(gè)報文具有了正確的特征，則該標識流中的后續報文將擁有相同的優(yōu)先權，同一流中的后續報文被交換到基于第二層的目的地址上，現在的三層交換機為了實(shí)現高速交換，都采用流交換方式，其在IP路由的處理上進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現了簡(jiǎn)化的IP轉發(fā)流程，利用專(zhuān)用的ASIC芯片實(shí)現硬件的轉發(fā)，這樣絕大多數的報文處理都可以在硬件中實(shí)現了，只有極少數報文才需要使用軟件轉發(fā)，整個(gè)系統的轉發(fā)性能能夠得以成千倍地增加，相同性能的設備在成本上也得到大幅度下降。

    每個(gè)VLAN對應一個(gè)IP網(wǎng)段。在二層上，VLAN之間是隔離的，這點(diǎn)跟二層交換機中交換引擎的功能是一模一樣的。不同IP 網(wǎng)段之間的訪(fǎng)問(wèn)要跨越VLAN，要使用三層轉發(fā)引擎提供的VLAN間路由功能。在使用二層交換機和路由器的組網(wǎng)中，每個(gè)需要與其他IP網(wǎng)段通信的IP網(wǎng)段都需要使用一個(gè)路由器接口作為網(wǎng)關(guān)。而第三層轉發(fā)引擎就相當于傳統組網(wǎng)中的路由器，當需要與其他VLAN通信時(shí)也要在三層交換引擎上分配一個(gè)路由接口，用來(lái)做VLAN的網(wǎng)關(guān)。三層交換機上的這個(gè)路由接口是在三層轉發(fā)引擎和二層轉發(fā)引擎上的，是通過(guò)配置轉發(fā)芯片來(lái)實(shí)現的，與路由器的接口不同，它是不可見(jiàn)的。下面舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)明通信過(guò)程，假設兩個(gè)使用IP協(xié)議的站點(diǎn)A和B，通過(guò)第三層交換機進(jìn)行通信，發(fā)送站A在開(kāi)始發(fā)送時(shí)，把自己的IP地址與B站的IP地址比較，判斷B站是否與自己在同一子網(wǎng)內，若目的站B與發(fā)送站A在同一子網(wǎng)內，則進(jìn)行二層的轉發(fā)，若兩個(gè)站點(diǎn)不在同一子網(wǎng)內，如發(fā)送站A要與目的站B通信，發(fā)送站A要向三層交換機的三層交換模塊發(fā)出ARP（地址解析）封包。當發(fā)送站A對三層交換模塊的IP地址廣播出一個(gè)ARP請求時(shí)，如果三層交換模塊在以前的通信過(guò)程中已經(jīng)知道B站的MAC地址，則向發(fā)送站A回復B的MAC地址，否則三層交換模塊根據路由信息向B站廣播一個(gè)

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